第33卷第7期Vo1．33No．

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建筑施工

BUILDINGCONSTRUCTION

【作者简介】李永奎（1978-），本科，工程师。联系地址：上海市

。凯旋路3131号1106室（200030）

【收稿日期】2011－07－02

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第7期

李永奎：关于虹吸式屋面雨水排水系统天沟溢流问题的探讨及改进建议

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区域为例，玻璃屋面沿B轴方向以i=30%的坡度由②轴坡向③轴，沿③轴方向以i=10%的坡度由A轴坡向B轴。天沟内设置了两套虹吸式屋面雨水排水系统，系统Ⅰ的4个雨水斗集中设置在①轴②轴之间的水平天沟内，单斗设计流量为21.6L/s；系统Ⅱ的6个雨水斗集中设置在④轴⑤轴之间的水平天沟内，单斗设计流量为21.6L/s；采用的设计暴雨强/shm2（·）。度为百年一遇的6.3L

Fw为汇水面积。数，取值为1；

F=S1+S2+S3=1766+1010+652=3428m2。②天沟实际排水能力计算：

Q=0.6×0.35×2.07=0.435m3/s=435L/sT=ω×VR=

b×H0.6×0.350

=0.162m=

2

1

2

1

101V=Ri=×0.162×0.007=2.07m/s

ω为天沟断面面积；R为水式中QT为天沟实际排水量；b为天沟宽度，设计宽度为0.6m；H力学半径；0为天沟有效n为粗糙度，V为深度，设计有效深度为0.35m；取值为0.012；

i为天沟实际坡度，取最小值0.007。水流速度；

Q由以上计算结果可见Q似乎不应发生局部T>qy，p>qy，天沟全面溢流事故，这与现场实际发生矛盾。但我们又不难看出，雨水设计流量qy在计算时出了问题，忽略了屋面材质、屋面坡度对汇水时间的影响，即忽略了对屋面的宣泄能

图2某大型公共建筑局部屋面示意

力的考虑。因此雨水设计流量qy应按照按下式进行计算：

该屋面、建筑外墙、虹吸式屋面雨水排水系统刚刚完成施工时，恰逢台风及暴雨高发的夏季。经过观察，在不同降雨B轴天沟发生不同情形的溢流事故：强度下，

工况一：小到中雨时天沟不溢流；工况二：降雨强度增④轴交叉处天沟发生局部溢流；强，在B轴与③、工况三：当B轴与②、③、④、⑤轴交叉处天沟降雨强度进一步增强时，

②、③轴之间均发生局部溢流；工况四：降雨强度再增强时，的天沟全面溢流。

根据调查和原因分析，从屋面的结构形式我们不难看出：玻璃屋面沿B轴方向存在i=30%的坡度，且外墙及屋面材质均为玻璃，水流阻力较小；外墙的雨水汇集到屋面后会③、④、⑤轴汇集，同玻璃屋面的雨水迅速沿屋面坡度向②、

汇水时间大大缩短的雨水以大流量高流速的流态冲击天沟，在天沟局部产生壅水现象，这就是工况二、三雨水外溢的直③、④、⑤轴天沟局部溢流发生时的暴接原因；工况三中②、④轴天沟局部溢流发生时的暴雨强雨强度大于工况二中③、

⑤轴较③、④轴更接近虹吸式雨水斗，度，是因为②、且天沟②、③轴之间的天沟全雨水流量相对较小；在工况四情形下，面溢流，而采用相同设计参数、屋面材质（铝镁锰合金金属屋面）、坡度不同（平均坡度i=5.4%，基本无集中汇水或集中汇水节点附近有虹吸式雨水斗排布）的另一屋面区域的天沟，则从未发生溢流事故。因此我们通过计算进行进一步分析。

①雨量校核计算：

qy=

K1qjψFw

=323.94L/s

式中K有关教学教材中，要求当1为屋面宣泄能力系数。

KK屋面坡度小于2.5%时，时，1取1.0，当屋面坡度大于2.5%1取1.5～2.0；行业内也有当屋面坡度大于2.5%时K1取1.2～1.5的要求；2003版的建筑给排水设计规范内同样提出“当采用天沟集水且沟檐溢流会流入室内时，设计暴雨强度应乘以1.5的系数”。故笔者认为该工程中K1取值为1.5较为合适，计算结果如上。

改进措施与建议：该工程Q天沟尺寸符合要求，不T>qy，需整改；天沟中部应增加排水设计流量为108L/s的溢流系③、④、⑤轴局部统，才能达到原设计要求；为防止天沟与②、交叉部位发生壅水性溢流，可在这几个部位的天沟中线位置增加导流挡板，对集中水流消能，调整天沟水流流态；虹吸配水系统的雨水斗的布置应尽量靠近以上溢流部位，即天沟汇水量集中部位。

2.2虹吸式屋面雨水排水系统的设计流量与室外雨水管网排水能力不匹配，排出管接入的检查井结构形式、尺寸不合理，导致系统总水头损失增加，系统排水能力下降，最终引起天沟溢水。

上海某大型展馆工程，因屋面汇水面积大，采用了多组虹吸式屋面雨水排水系统，且各个系统的相关设计参数（汇水面积、屋面汇水坡度较小且一致、设计暴雨强度、雨水斗型号、管道系统形式与尺寸）基本一致。在一次强降雨过程中，其中一组虹吸式屋面雨水排水系统的天沟发生了大范围的溢流，而其它相同的系统却排水正常。

现场施工管理人员紧急处置时发现，该虹吸排水系统排出管接入的室外雨水检查井的井盖孔隙向外喷水，移开井盖后，井内雨水大流量溢流到室外地表，同时该系统天沟溢水

Q=216L/s（4+6）p=21.6×

qψFw

qy=j=215.96L/s

qj式中Qp为本系统实际排水能力；qy为雨水设计流量；hm2ψ为径流系为设计暴雨强度，设计要求为630L/（s·）；

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李永奎：关于虹吸式屋面雨水排水系统天沟溢流问题的探讨及改进建议

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现象消失。经事后查看，该检查井下游的管段并不存在堵塞问题，但管径偏小，检查井本身规格尺寸较小。

原因分析：

排水系统发生立管吸扁现象及屋面天沟溢水事故，造成经济损失近亿美元。在系统改造过程中发现，原系统设计除存在DPE管材用于虹天沟截面尺寸过小的问题外，还存在给水H

DPE管材能够承受吸式屋面雨水排水系统中的问题。给水H

较大的正压，但在虹吸排水系统中却被吸扁，尽管天沟实际汇水流量未超出天沟的实际排水能力，溢水事故还是发生了，根本原因就是管材不符合要求。

在本文第二个案例工程中也发生了立管吸扁现象，主要DPE同规格管材原因就是现场施工人员误把用作排出管的H

DPE管材价格较同规格能使用到了立管上。用作排出管的H

DPE管材低廉，管材承受负压能力也有较大区用作立管的H

别，工程中应严禁混用。

2.4关于虹吸式屋面雨水排水系统悬吊管敷设坡度问题。

国家行业标准化协会制定的《虹吸式屋面雨水排水系统技术规程》中就该问题作了“悬吊管可无坡度敷设，但不得倒坡”的要求，也就是是说悬吊管可以具有一定的敷设坡度。本文认为在建筑物空间允许的情况下，为避免悬吊管堵塞而导~0.5%致天沟溢水，悬吊管应按照0.3%的排空坡度敷设。主要原因如下。

首先，大空间钢结构屋面结构会因自身和屋面荷载重力作用产生绕变形，且这个变形达到稳定阶段需要一定时间，悬吊管施工安装时如果水平设置，就有可能在屋面绕变形稳定后出现倒坡现象。

HDPE悬吊管在安装时设有专用的管道固定系统，其次，

HDPE管材的线膨胀系数约为5.6×10-5/℃，为钢材的5倍，在较大温差情况下，管道固定系统固定件之间的管道会因为热膨胀变形应力及自身重力双重作用下，产生向下的变形，初始水平安装的悬吊管会在局部出现倒坡。

最后，当今许多公共建筑虹吸排水系统的设计重现期取100年的虹吸雨水排水系值越来越大，设计重现期为50年、统屡见不鲜，系统管径也相应较大。很多地区一年中多数时间降雨强度不是很大，整个虹吸雨水排水系统都是以重力流方式排水，水平敷设的悬吊管内雨水流速较低，达不到最低系统具有足自清流速要求（悬吊管内的水流速度>1m/s时，够的自清能力），雨水内的杂质会沉积凝结。在厂区或燃煤的北方地区，杂质沉积凝结问题会更加严重，对系统正常排水能力产生不利影响。

V×ρ

-∑10.13×(l×R+Z)1V2V2

R=λ××x，Z=∑ξ×x

j-Px=Δhx×ρ×g-2

x

△hx为x点与系统泄式中Px为管道内x点的负压值；

Vl为管道长度；水口的几何高差；x为相应计算节点的流速；ρ为水的密度；g为重力加速度；dj为管道的计算直径；λξ为局部阻力系数，Z为管道局部水头为管道的摩阻系数；损失。

该检查井及下游管段的设计施工缺陷，在排出管内水流流速过高时，致使检查井及其下游管段成为了虹吸式排水系统排出管的一部分，增大了管道长度L的长度和管道局部水头损失Z，同时使得△hx变小。按照公式推算可知，系统各点的负压值降低，系统虹吸能力下降，水流速度减小，系统排水能力减低，进而天沟发生溢水事故。另外由于检查井尺寸较小，在检查井内雨水满溢时，排出管流出的高速水流撞击井壁后，又以一个相反的速度在排出管内形成回流，两股反向的水流在排出管内冲撞，形成水塞，阻碍水流排放，降低了虹吸作用。

改进措施与建议：一般虹吸式雨水排水系统的专业设计人员应明确告知室外雨水管网设计人员，虹吸系统排出管的位置、标高与流量，以便进行配套设计；排出管在接近检查井时应进一步增大管径，减小排出水流速度，大流量的虹吸系统排出管应尽量接入室外雨水管网的下游，以减少土方开挖量和减小管道投入量；对每根虹吸系统排出管应单独设置雨水检查井，并进行专门设计，使其平面净空尺寸不低于1500mm×1200mm，同时采用钢筋混凝土一次浇铸而成，当应增设消能装置；检查井应排出内水流流速大于2.5m/s时，

采用铸铁井盖，且设置不低于井盖总面积30%的泄压孔。2.3虹吸屋面雨水排水系统因管材选择不对或误选了不同性能但规格相同管材混用，导致立管吸扁、天沟溢水。

目前国内用于虹吸式屋面雨水排水系统的管道，主要包DPE管）括优质高密度聚乙烯管（H、不锈钢管、铸铁管、镀锌或涂塑钢管。管材的选择应根据不同建筑的特点和要求，综降噪、安装便捷性和经济性合考虑系统工作压力要求，防火、要求。

不论采用何种管材，都要求虹吸排水系统采用的承压管道、管配件（包括伸缩器）和接口，其额定压力不小于建筑高度静水压，并能承受91.2kPa的真空负压。管材供应厂应提供管材耐正压和负压的检测报告，但虹吸式排水系统排出管管材可无耐负压要求，因此，要求具有不同负压承受能力而规格相同的同种材质管材，在施工过程中必须严格区分、分开堆放，管材上应有明显的标志予以区别。

相关案例：上海市某外资公司厂房工程虹吸式屋面雨水

3结语

实践证明，与传统的屋面雨水排水方式相比，虹吸式屋面雨水排水系统具有悬吊管无需坡度敷设、降低管材的管径现场施工量减少、节省安装空间、管道具有自洁及节省材料、

能力不易堵塞等优点。

随着广大工程技术人员的深入研究及工程实践的增加，虹吸式屋面雨水排水系统在设计、施工方面必将日臻成熟，其天沟溢水问题亦将不复存在。

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