虹吸雨水技術(shù)分析

1、虹吸雨水排放系統(tǒng)原理及應(yīng)用虹吸雨水排放系統(tǒng)原理及應(yīng)用1 1 傳統(tǒng)重力排放系統(tǒng)存在的問題傳統(tǒng)重力排放系統(tǒng)存在的問題 屋面雨水排放系統(tǒng)包括以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：屋面雨水排放系統(tǒng)包括以下幾個(gè)環(huán)節(jié)： 天溝；雨水斗；尾管；水平管；立管；埋地管。天溝；雨水斗；尾管；水平管；立管；埋地管。 天溝：希望天溝在正常排水過程中保持適當(dāng)?shù)奶鞙纤?。天溝：希望天溝在正常排水過程中保持適當(dāng)?shù)奶鞙纤睢?由于重力排水系統(tǒng)的雨水斗是按溢流堰方式進(jìn)水，天溝水深和雨由于重力排水系統(tǒng)的雨水斗是按溢流堰方式進(jìn)水，天溝水深和雨水斗進(jìn)水口直徑?jīng)Q定了雨水斗的排水量；水斗進(jìn)水口直徑?jīng)Q定了雨水斗的排水量； 過大的天溝水深會(huì)加大天溝負(fù)荷，或者在建筑結(jié)

2、構(gòu)上不允許；過大的天溝水深會(huì)加大天溝負(fù)荷，或者在建筑結(jié)構(gòu)上不允許；重力雨水斗進(jìn)水示意圖重力雨水斗進(jìn)水示意圖HDVV=（2gH）1/2 Q=0.45DHV旋渦旋渦,氣水混流氣水混流,較大的天溝水深較大的天溝水深重力雨水斗重力雨水斗 進(jìn)水是氣水混流，流速完全取決于天進(jìn)水是氣水混流，流速完全取決于天溝水深溝水深H，排水量則又和雨水斗進(jìn)口直，排水量則又和雨水斗進(jìn)口直徑徑d成正比。成正比。 天溝水深是重力排水系統(tǒng)的瓶頸之一。天溝水深是重力排水系統(tǒng)的瓶頸之一。 臨界水深臨界水深:形成一相流的水深。一般的形成一相流的水深。一般的天溝不能滿足臨界深度要求天溝不能滿足臨界深度要求。尾尾 管管 尾管是直接和雨水斗

3、喉部連接的管道。尾管是直接和雨水斗喉部連接的管道。 尾管直徑一般和雨水斗喉管直徑相等。在尾管直徑一般和雨水斗喉管直徑相等。在重力排水系統(tǒng)中，尾管只起到雨水斗和水平重力排水系統(tǒng)中，尾管只起到雨水斗和水平管之間的連接作用（如果有水平管）。管之間的連接作用（如果有水平管）。 但在虹吸雨水排放系統(tǒng)中，尾管卻起著極但在虹吸雨水排放系統(tǒng)中，尾管卻起著極其重要的作用。其重要的作用。懸吊管（水平管）懸吊管（水平管） 水平管用來把雨水斗的落水轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)水平管用來把雨水斗的落水轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)離雨水斗的立管處，并同時(shí)匯集多個(gè)雨離雨水斗的立管處，并同時(shí)匯集多個(gè)雨水斗的落水。水斗的落水。 動(dòng)力：水面落差或者管道坡度。動(dòng)力：水面

4、落差或者管道坡度。 坡度會(huì)嚴(yán)重妨礙其他管道的安裝，而坡度會(huì)嚴(yán)重妨礙其他管道的安裝，而且也影響美觀。且也影響美觀。 當(dāng)水平管很長(zhǎng)時(shí)，管內(nèi)水流動(dòng)力不足，當(dāng)水平管很長(zhǎng)時(shí)，管內(nèi)水流動(dòng)力不足，成為重力排水另一個(gè)難點(diǎn)成為重力排水另一個(gè)難點(diǎn)。 立立 管管 立管用來將一個(gè)或多個(gè)雨水斗的匯水從立管用來將一個(gè)或多個(gè)雨水斗的匯水從高處排下。高處排下。由于重力排水系統(tǒng)本身是按水氣兩相流設(shè)由于重力排水系統(tǒng)本身是按水氣兩相流設(shè)計(jì)，所以流速受限于附壁流，單位面積計(jì)，所以流速受限于附壁流，單位面積平均流量較小，同樣的流量，重力排水平均流量較小，同樣的流量，重力排水系統(tǒng)需要較大的立管直徑。系統(tǒng)需要較大的立管直徑。過過 渡渡 段

5、（埋地管段（埋地管） 立管水流經(jīng)埋地管排入窨井或區(qū)域排水管網(wǎng)。立管水流經(jīng)埋地管排入窨井或區(qū)域排水管網(wǎng)。 動(dòng)力；動(dòng)力； 坡度；坡度； 管徑。管徑。 大流量時(shí)如果埋地管內(nèi)的水流條件和水平管相大流量時(shí)如果埋地管內(nèi)的水流條件和水平管相似，也同樣需要一定的坡度和很大的管道直徑。似，也同樣需要一定的坡度和很大的管道直徑。 實(shí)例實(shí)例：排量是：排量是400升升/秒，地溝長(zhǎng)度是秒，地溝長(zhǎng)度是50米，地溝米，地溝寬度寬度B取取0.4米，按照曼寧公式，米，按照曼寧公式，Q=Av=A*C（RJ）0.5式中，式中，A-過流面積，過流面積，m2 C-謝才系數(shù)謝才系數(shù)，C=R1/6/n R-水力半徑，水力半徑，m n-對(duì)混

6、凝土表面，對(duì)混凝土表面，n=0.017 J坡度坡度 如取水深和溝寬如取水深和溝寬B相等，則相等，則 R=B/3=0.133mC=0.1331/6/0.017=15 A=0.4*0.4=0.16m2 J=(Q/A/C) 2/R=(0.4/0.16/42) 2/0.133=0.0266 地溝兩端落差需要地溝兩端落差需要50*0.0266=1.33m 這在實(shí)現(xiàn)上是非常困難的，尤其是在廠房?jī)?nèi)部。這在實(shí)現(xiàn)上是非常困難的，尤其是在廠房?jī)?nèi)部。例：采用虹吸排水的埋地管例：采用虹吸排水的埋地管 埋地管通徑埋地管通徑400mm，內(nèi)徑，內(nèi)徑380mm，截面，截面積積A=0.113m2，管內(nèi)流速，管內(nèi)流速3.54m/

7、s，取沿，取沿程阻力系數(shù)為程阻力系數(shù)為0.015，則沿程壓力損失為，則沿程壓力損失為 h=0.015*50/0.38*3.542/(2*9.8)=1.26m 這樣的壓力水頭在虹吸系統(tǒng)中很容易實(shí)這樣的壓力水頭在虹吸系統(tǒng)中很容易實(shí)現(xiàn)，即布置一條直徑現(xiàn)，即布置一條直徑400mm的水平埋地的水平埋地管就能夠?qū)崿F(xiàn)管就能夠?qū)崿F(xiàn)400升升/秒流量的排放。秒流量的排放。 小小 結(jié)結(jié)重力排水系統(tǒng)中，重力排水系統(tǒng)中， 大排量時(shí)天溝水深難以控制；大排量時(shí)天溝水深難以控制； 管內(nèi)流速（尤其是水平管和埋地管或地管內(nèi)流速（尤其是水平管和埋地管或地溝內(nèi)）無法加快。溝內(nèi)）無法加快。 這是制約重力排水系統(tǒng)排水能力的根本這是制約

8、重力排水系統(tǒng)排水能力的根本矛盾。究其根本原因，是在雨水斗進(jìn)口矛盾。究其根本原因，是在雨水斗進(jìn)口處和水平管道內(nèi)缺乏必要的動(dòng)力處和水平管道內(nèi)缺乏必要的動(dòng)力。2 虹吸屋面排水系統(tǒng)的基本原理虹吸屋面排水系統(tǒng)的基本原理2.1 虹吸現(xiàn)象虹吸現(xiàn)象ACOH1H2右方水頭高度右方水頭高度H2在在C點(diǎn)產(chǎn)生負(fù)壓點(diǎn)產(chǎn)生負(fù)壓Pc=hj+Pvo-H2左方靠左方靠Pa-Pc-H1-hj1-Pvc將水流壓向?qū)⑺鲏合駽點(diǎn)，點(diǎn)，Pa=0，Pc為負(fù)值為負(fù)值關(guān)鍵詞：水頭差關(guān)鍵詞：水頭差H2-H1；大氣壓力；最大虹吸高度；滿管流；大氣壓力；最大虹吸高度；滿管流；2.2 虹吸屋面排水虹吸屋面排水總水頭總水頭=尾管高度尾管高度H1+立管

9、高度立管高度H2AC的水力平衡：的水力平衡：PA+H1=hac+Pvc+Pc按表壓計(jì)算，按表壓計(jì)算， PA =0，AC間應(yīng)滿足阻力間應(yīng)滿足阻力hachj2，所以Pc-9m 立管高度：決定了立管提供的最大勢(shì)頭 立管直徑：影響立管阻力 埋地管長(zhǎng)度和直徑：影響阻力 臨界壓力（飽和蒸汽壓）：限制C點(diǎn)的最低壓力 立管最小流速：限制某一流量下的最大管徑 小結(jié)：利用總水頭高度在C點(diǎn)形成負(fù)壓，為水平管水流提供動(dòng)力，形成有壓流動(dòng)。2.4 虹吸排水的基本優(yōu)勢(shì)虹吸排水的基本優(yōu)勢(shì) 采用虹吸雨水斗，低天溝水深下獲得大排水量采用虹吸雨水斗，低天溝水深下獲得大排水量 水平管為壓力流，從而：水平管為壓力流，從而： 完全水平布

10、置；完全水平布置； 允許長(zhǎng)距離鋪設(shè)允許長(zhǎng)距離鋪設(shè) 布斗靈活布斗靈活 少挖地溝少挖地溝 流速高，管徑小流速高，管徑小2.5 .5 主要影響因素主要影響因素 大氣壓力降低對(duì)虹吸系統(tǒng)的影響：大氣壓力降低對(duì)虹吸系統(tǒng)的影響： 降低了系統(tǒng)的最大排水能力降低了系統(tǒng)的最大排水能力 立管流速和立管阻力、臨界壓力的矛盾立管流速和立管阻力、臨界壓力的矛盾 為臨界壓力而減小管徑以加大流阻和流速上限有矛盾，為臨界壓力而減小管徑以加大流阻和流速上限有矛盾，限制了最小管徑。對(duì)長(zhǎng)立管，可管徑分段限制了最小管徑。對(duì)長(zhǎng)立管，可管徑分段 上小下大：限制上小下大：限制C點(diǎn)壓力（長(zhǎng)立管）。點(diǎn)壓力（長(zhǎng)立管）。 為減小立管阻力（短立管）為

11、加大立管直徑，受流速為減小立管阻力（短立管）為加大立管直徑，受流速下限限制：過低影響虹吸生成。下限限制：過低影響虹吸生成。3 雨水斗設(shè)計(jì)雨水斗設(shè)計(jì)3.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn) 空氣擋板直徑和間隙與設(shè)計(jì)流量的協(xié)調(diào)空氣擋板直徑和間隙與設(shè)計(jì)流量的協(xié)調(diào) 雨水斗喉部直徑與雨水斗起始流量的協(xié)雨水斗喉部直徑與雨水斗起始流量的協(xié)調(diào)調(diào) 流道阻力盡量小流道阻力盡量小 防止雜物和漂浮物堵塞雨水斗防止雜物和漂浮物堵塞雨水斗3.2 虹吸雨水斗工作原理虹吸雨水斗工作原理天溝水深的控制；天溝水深的控制；空氣擋板下水流從邊緣向中心的加速；空氣擋板下水流從邊緣向中心的加速；尾管的作用：形成喉部負(fù)壓；尾管的作用：形成喉部負(fù)壓；空氣擋

12、板的作用：保持喉部負(fù)壓?？諝鈸醢宓淖饔茫罕３趾聿控?fù)壓。TY-56TY-56雨水斗雨水斗 設(shè)計(jì)排量：設(shè)計(jì)排量：1212升升/ /秒秒.TY-90TY-90雨水斗雨水斗 設(shè)計(jì)排量：設(shè)計(jì)排量：2424升升/ /秒秒TY-110雨水斗雨水斗 設(shè)計(jì)排量設(shè)計(jì)排量 50升升/秒秒4 虹吸的形成過程虹吸的形成過程 雨水斗的淹沒雨水斗的淹沒 雨水斗喉部的充滿雨水斗喉部的充滿 尾管的充滿和流速的加快，形成虹吸起尾管的充滿和流速的加快，形成虹吸起始流量始流量 水平管的充滿或不充滿，不起重要作用水平管的充滿或不充滿，不起重要作用 立管頂端開始充滿，起始流量和立管頂立管頂端開始充滿，起始流量和立管頂部直徑的協(xié)調(diào)部直徑的

13、協(xié)調(diào) 立管充滿高度向下延伸，直至全部充滿立管充滿高度向下延伸，直至全部充滿 過渡管的充滿過渡管的充滿5 5 虹吸狀態(tài)下管道內(nèi)的壓力分布虹吸狀態(tài)下管道內(nèi)的壓力分布負(fù) 正正負(fù)系統(tǒng)內(nèi)的壓力分布系統(tǒng)內(nèi)的壓力分布 雨水斗喉部的負(fù)壓使水流能夠在雨水斗蓋板下加速雨水斗喉部的負(fù)壓使水流能夠在雨水斗蓋板下加速 水平管兩端的壓力差使水流在水平管內(nèi)能快速流動(dòng)水平管兩端的壓力差使水流在水平管內(nèi)能快速流動(dòng) 立管內(nèi)的動(dòng)力來自立管水頭高度立管內(nèi)的動(dòng)力來自立管水頭高度 扣除管道阻力和過渡段阻力，立管剩余水頭形成頂部扣除管道阻力和過渡段阻力，立管剩余水頭形成頂部負(fù)壓負(fù)壓 過渡段水流靠部分立管水頭推動(dòng)。過渡段水流靠部分立管水頭推

14、動(dòng)。結(jié)論：結(jié)論： 充分利用了屋面雨水的總水頭高度，形成管道內(nèi)的壓充分利用了屋面雨水的總水頭高度，形成管道內(nèi)的壓力流。力流。 管道內(nèi)基本呈負(fù)壓狀態(tài)，對(duì)管道剛性、密封有要求管道內(nèi)基本呈負(fù)壓狀態(tài)，對(duì)管道剛性、密封有要求6 關(guān)注虹吸過渡過程關(guān)注虹吸過渡過程6.1 虹吸生成需要一個(gè)時(shí)間過程虹吸生成需要一個(gè)時(shí)間過程 QthQ1Q2Qth設(shè)計(jì)排量 Q1落雨量 Q2實(shí)際排量6.2 6.2 虹吸生成過程帶來的影響虹吸生成過程帶來的影響 排出流量的變化落后于落雨量 落雨量上升段，天溝內(nèi)會(huì)有相當(dāng)?shù)挠晁鄯e，累積深度和雨量變化速度正相關(guān) 短時(shí)超過設(shè)計(jì)排水量的落雨量也積累在天溝內(nèi) 雨量減小時(shí)，累積的雨水會(huì)迅速排出 天溝

15、容積必須考慮這種排水滯后現(xiàn)象6.36.3 影響滯后量的主要因素影響滯后量的主要因素 雨水斗的排量雨水斗的排量 水平管的直徑和長(zhǎng)度水平管的直徑和長(zhǎng)度 立管的直徑和高度立管的直徑和高度7 雨水斗及各個(gè)管段規(guī)格確定的原則雨水斗及各個(gè)管段規(guī)格確定的原則 雨水斗雨水斗：可大不可小，但不能過大：可大不可小，但不能過大 尾尾 管：管：應(yīng)與雨水斗喉管一致，必要時(shí)可縮小，應(yīng)與雨水斗喉管一致，必要時(shí)可縮小， 不得過短不得過短 水平管水平管：盡可能短，管徑可適當(dāng)大于立管：盡可能短，管徑可適當(dāng)大于立管 立管立管：限制流速，限制頂點(diǎn)負(fù)壓：限制流速，限制頂點(diǎn)負(fù)壓 埋地管埋地管：限制出口流速：限制出口流速8 結(jié)論結(jié)論 虹吸排水可以保證小的天溝水深；虹吸排水可以保證小的天溝水深； 虹吸排水可以采用很少的立管；虹吸排水可以采用很少的立管； 虹吸排水便于把雨水斗的匯水傳送到遠(yuǎn)虹吸排水便于把雨水斗的匯水傳送到遠(yuǎn)離雨水斗的落水點(diǎn)，并可水平布管；離雨水斗的落水點(diǎn)，并可水平布管； 虹吸排水管道內(nèi)的設(shè)計(jì)流速遠(yuǎn)高于重力虹吸排水管道內(nèi)的設(shè)計(jì)流速遠(yuǎn)高于重力排水流速