虹吸/压力流雨水系统有新意吗?

据报道,室内压力流雨水排水系统的概念最初在欧洲被认可和采用。早在上世纪六十年代末七十年代初,以清华大学王继明教授和中国室内给水排水规范管理组张淼工程师等为首的试验小组,就对压力流雨水排水进行了系统性的研究,我也有幸参加到这一行列。试验的成果写成了报告,提出了单斗系统和多斗系统的设计方法。

近年来,这种概念逐渐在美国得到承认,并应用到具体的工程中。现在已有专用计算软件和雨水斗可供选用。

雨水排水与室内污水排水一样,都是按概率来确定流量的。也就是说,人们不知道准确的降雨强度, 只能靠雨量记录来推算某一特定重现期时的流量概率。如果这幢建筑物很重要,设计重现期可以长些。对于一般建筑物,美国规范采用重现期100年60分钟的降雨强度作为设计标准。

重力流排水是初衷

与室外一样,室内雨水排水系统也采用重力流满流系统,使用满宁公式。为增加排水能力,室外排水系统窨井中的水位有时可以高于管顶,这时实际上是压力流。不过,传统的室内雨水排水系统则严格地按照坡度来推算管道的排水能力。

列表方便设计者

在计算机普及以前,由于使用满宁公式计算各管段的流量不方便,美国的规范就列出了一些表格, 供设计者按降雨强度和屋面排水面积来选用。这样一来,没有水力学知识的人也能确定管径。

规范使人无转环余地

规范中的表格给人以方便,也使设计失去灵活性。因为,表格中只列出了1:100,1:50和1:25等几种坡度(大管子也可用1:200),降雨强度也只列出几种,如果遇到中间值,则很麻烦,因为满宁公式的计算结果不能简单地使用内插法。这时设计者只得放弃。即使设计者能使用计算机来计算,遇到教条主义的规范执行官不批准,或者给你提出一大堆问题,你还得浪费时间,还不知道他采纳你的意见与否。

虹吸式雨水系统也是重力流

虹吸式(Siphonic)雨水排水在中国称为压力流(pressure)雨水排水系统。实际上压力与虹吸是相对的。相对于大气压而言,雨水排水系统中同时存在虹吸与压力。对于绝对压力而言,可以省去虹吸这个概念。不管如何称呼,我们所说的雨水排水系统都属于重力流,除非是有水泵提升。

不是新概念

虹吸式雨水排水不是新概念。传统的系统在满流时,其上部是处于真空状态(虹吸),下部处于承压状态。

为了形成真空,生产商将雨水斗的进口处加了一块挡板。这与我们有时想让水池中的水快些排出而用手盖住排水口上方的漩涡是一个道理。

计算及可利用的软件

那么,将传统的重力流系统设计成虹吸式系统以后究竟能增加多少排水能力呢?答案首先是肯定的,具体的数值得通过计算来确定。用满宁公式和哈真-威廉姆斯公式也可以,因为流量是实际水力坡度线的函数,不一定要有自由水面存在。不过,目前所见是用达西公式计算,且有计算软件可利用。工程师之友开发的以达西公式为基础的软件可以计算任何流体的流量和压力变化。

最大排水能力与气蚀

“虹吸”与“压力”,究竟何种提法更妥切?我认为前者较好,因为虹吸只能在大气压与绝对真空的范围内起作用,压力则没有上限。

我的意思是,虹吸式排水系统最多只能利用十米水柱以内的压力。也就是说,无论雨水斗离排出口多高,满流管道中的压力差不可能大于这个数值,因为排出口一端是通大气的,而另一端(雨水斗处或立管中的某一点)绝对压力最小值不能小于零。

十米水柱也不可能完全利用,因为还要考虑到气蚀的问题。这与水泵的气蚀相似。如果管道中经常出现气蚀现象,不但管道的寿命会受影响,而且水流产生的噪音将是一种污染。

以损失安全系数为代价

对虹吸式雨水排水系统趋之若鹜无可厚非,因为增加管道的排水量或者减小排水管管径是实实在在的。但是,这并非免费午餐:如果按传统的方法设计,当遇到重现期长(即降雨强度大、历时长)的暴雨时,系统中因为水流排挤了与大气相通的空气而自然而然地形成真空,增加了排水能力。现在,因为使用了不同的计算方法,管径被缩小了。这就意味着再要遇到那么大的暴雨时,屋顶就要积水了。(美国有一种雨控型雨水斗,就是利用屋面积水来减小系统管径的。见 《美国建筑给水排水设计》第九章第三节)。

简言之,虹吸式雨水系统是以牺牲安全系数为代价的。当然,倡导者和生产商也采取了一些改进系统设计计算方法和管件形状与结构的措施。

几点看法

虹吸式雨水排水系统的被接受也可以改变坡度的概念。以前普遍认为,重力流系统的管道要有一定的坡度来产生自净流速。这个坡度被理解成管底的坡度而未意识到应该是水流的能量坡度线坡度,所以当管道长度大、空间有限或管道风管众多而拥挤时,给设计者造成困难。

有人认为虹吸式系统甚至可以逆坡,我倒有所保留。可是,我认为至少从雨水斗入口到与其它雨水斗排水管的结合处的标高应加以利用。对于逆坡应审慎处理,因为如果有杂物或碎石从屋面处进入管道,水流还要克服它们的重力才能将其送到城市排水系统。

有人认为可以打破目前规范的限制,即立管的管径不应小于水平管管径或下段立管小于上段立管。此说仁者见仁,智者见智。我以为增加了堵塞的可能性是肯定的(但不一定堵塞)。

有兴趣者可访问 有关网站并参加讨论。您的稿件可以通过读者留言上传给我们。

(卢安坚文)