大屋面虹吸雨水排水系統技術
摘要：a380機庫工程，屋面面積約40000㎡，雨水排水系統採用虹吸排水系統，本文就虹吸排水系統採用、設計與施工進行了闡述，總結了虹吸排水系統的設計與施工經驗，為虹吸排水系統的進一步推廣使用積累了經驗。
關鍵詞：屋面排水虹吸排水
1.工程概況
a380機庫是目前亞洲最大的機庫，是某機場航站樓的配套工程。機庫從2023年起興建，總建築面積超過64285萬平方公尺，可容納6架a380同時維修。整個屋面設定了3道南北向通長的天溝，分成了3個大的匯水分割槽，共採用了232個雨水鬥。
單條天溝長約353m，內設定有四套虹吸系統，屋面總匯水面積約為40832㎡。
2.工程特點、難點
2.1機庫屋面面積大，總匯水面積大
本工程屋面總匯水面積約為40832㎡，屋面分為3個大的匯水分割槽，屋面總匯水量和各分割槽匯水量都較大。
2.2管道地面安裝，網架提公升過程中的變形問題
a380機庫的虹吸雨水懸吊管是在地面上安裝完成之後隨屋面網架一起吊裝就位的，因此存在管道隨著網架下饒的變形問題，須防止產生倒坡。
2.3工程工期緊，主管懸吊方式採用下吊式
本工程的排水管道系統是在網架屋蓋安裝完成之後，作提公升準備這段時間中完成安裝的，因此工期非常緊，為了節省工期，經認真驗算，最後採用了主管下吊式懸吊。
2.4虹吸排水系統由於虹吸作用管道產生振動作用
虹吸排水系統由於虹吸作用，管內水流速較高，對管壁有較好的沖刷潔淨作用，但同時會在管道產生一定的衝擊振動力，在設計和施工中要特別注意，尤其是管接頭。
3.設計方案
3.1系統原理及形成的**說明
3.1.1虹吸屋面雨水排水系統是在滿流條件下利用伯諾里方程式，通過周密的水力計算，充分利用屋面和地面的高差產生能量形成虹吸作用，快速將屋面雨水排至室外。
3.1.2虹吸雨水斗是系統組成的關鍵部件，獨特設計的虹吸雨水鬥帶有反渦流裝置在設計條件下，進水漩渦被破壞，進入系統的雨水在設計條件下呈現水滿流狀態。
3.1.3屋面雨水匯集，在系統管道內形成虹吸的幾種流態**如下：
3.1.4 虹吸屋面雨水排放系統的技術優勢：
懸吊管接入的雨水鬥數量增多，在滿水力計算要求下，接入的雨水鬥數量不受限制，從而減少了立管的數量。
懸吊管不需設坡度，安裝要求空間小，適合使用者要求，有利於設計和施工。
減少與室外管道的連線和埋地管的數量。
可充分利用屋面與地面排出管高度差形成的位能，提高管內流速減小管徑。
因管內流速的提高，系統能有較好的自清作用。
3.2系統設計
3.2.1引數確定
設計重現期p及相應的5min暴雨強度q5（北京地區）：
設計重現期：p＝10年 q5＝0.0585 l/s·㎡
溢流重現期：p＝50年 q5＝0.0768 l/s·㎡
屋面雨水徑流係數：ψ＝1.0
3.2.2 系統設計
a380屋面總匯水面積約為40832㎡，屋面分為3個大的匯水分割槽，單條天溝長度約為353m，每條天溝內設有4套虹吸系統，總排水雨量為2388.67 l/s，採用yg50a型雨水鬥232個，共採用12個虹吸系統，
受立管數量的限制，每條天溝設定了4個雨水立管，單個系統中雨水鬥數最多的為20個，由於系統中雨水鬥數量較多，為了便於系統的壓力平衡，將負壓值較大一端的雨水鬥用次懸吊管連線，然後依次接入主懸吊管中。如圖1所示：
圖1 虹吸系統示意圖
3.3 系統配件組成
3.3.1 虹吸式雨水鬥
虹吸雨水斗是一項新技術，專利產品,該系列雨水斗是經過國家計量院認證的產品，單鬥最大流量分別從6l/s～120 l/s之間，適用於各類工程屋面。雨水鬥鬥體採用304不鏽鋼板沖壓成型，反渦流裝置及導流罩採用矽鋁合金精密鑄造，其緊固螺栓均採用不鏽鋼製作，出水短管管材材質選用不鏽鋼，其壽命可達50年以上。
為了使屋面雨水及時得、更好得排走，本工程使用了潛水深僅為40mm、最大排量為12l/s的yg50a型雨水鬥。
虹吸雨水鬥經防堵效能測試，其系統抽吸能力強，不會產生堵塞現象。
3.3.2 管材
雨水支管及懸吊管採用不銹鋼管，埋地管採用球墨鑄鐵管。不銹鋼管之間採用氬弧焊接，管道焊縫採用專用清洗膏體清洗，不銹鋼管與球墨鑄鐵管之間採用專用法蘭連線。
3.4 水力計算
虹吸雨水系統設計是建立在滿管流基礎上的，故而水力計算採用伯諾里方程式。水頭損失分為兩類：對於平順的邊界，水頭損失與流程成正比的稱為沿程水頭損失，用hf表示；由區域性邊界急劇改變導致水流結構改變、流速分布改變並產生旋渦區而引起的水頭損失稱為區域性水頭損失，用hj表示。
伯諾里方程:
水頭損失的計算方法：總水頭損失hw= ∑hf + ∑hj
∑hf=rl-沿程阻力損失，r-單位長度的阻力損失，l-管長
根據《給水排水設計規範》gb50015—2003壓力流方程式，採用海曾·威廉公式：
q- 流量， c-摩阻係數，dj-管道計算內徑，∑hj-區域性阻力損失
系統每一點的壓力計算公式：
3.5系統計算說明
3.5.1懸吊管與雨水鬥出口的高差應大於1m。
3.5.2懸吊管設計流速不宜小於1m/s，保證懸吊管內無淤泥。
3.5.3管道內最大負壓值應小於0.08mpa。
3.5.4各節點壓力差值不超過0.1mpa，能滿足壓力平衡要求。
3.5.5懸吊管的流速不小於1.0m/s,立管的流速不小於2.2m/s。排水管系出口流速不宜大於2.5 m/s。
4.工程施工
4.1對沉降問題的解決
a380機庫的整個網架是在地面上安裝完成之後整體吊裝而成，故虹吸雨水懸吊管也是在地面上安裝完成之後隨屋面網架一起吊裝，這就存在著乙個沉降問題，管道在地面上安裝完成之後，吊至屋面後由於管道本身的重力和網架下撓變形，懸吊管有些部位會出現倒坡現象，在施工之前，我司就提出了這個問題，並與設計院及甲方聯絡，取得各個吊點的沉降量後，經過計算，對各個吊點的支架長度進行調整，使得懸吊管在整體吊裝完成後能夠基本保持水平，達到更好的排水效果。
4.2 管道的焊接
a380機庫網架結構較複雜，網架面積較大，因此管道的焊接有著很大的難度，經過方案優化，最終選擇了在網架的一端設定乙個焊接臺，將兩根管道焊接好後，沿著支架方向向網架的另一端挪動，然後第三根管道與第二根管道焊接，依次而行，最終順利的完成了管道的焊接。
4.3管道的吊裝
3.3.1主懸吊管的懸吊方式採用下吊的方式，次懸吊管的懸吊方式採用上托的方式，如圖2和圖3所示。
圖2 水平懸吊管斷面圖圖3 雨水管道支架圖
由於專案工期較緊，在保證安全的前提下，本工程採用主懸吊管下吊的方式，使得專案如期完成。
4.3.2 dn300管道支架的加密
為了減輕吊點的荷載，對於dn300的管道，採取管道支架加密的方式，如圖4所示。採用圖示的加密懸吊方式在很大程度上減輕了吊點的荷載。
圖4 dn300管道支架加密圖
4.4螺紋牙的強度計算
4.4.1計算公式
外螺紋計算公式：
（公式1） （公式2）
內螺紋計算公式：
（公式3） （公式4）
其中：fw—最大軸向外載荷（n）；d1—外螺紋小徑（mm）；b—螺紋牙根部寬度（mm）
z—螺紋牙齒數；d—內螺紋大徑；
其中：p—螺距（mm）；h—螺紋牙的工作高度（mm）； kz—載荷不均係數
其中：—螺紋材料的許用切應力（mpa）—螺紋材料的許用彎曲應力（mpa）。
注：內外螺紋材料相同時，只校核外螺紋強度。
4.4.2計算過程
管卡材質引數的確定：虹吸雨水工程所用管卡鋼材材質為普通q235鋼，查表可知：
許用彎曲應力=158mpa ，許用剪下應力=98mpa ，許用擠壓應力[σ]p=240mpa
最大靜止荷載的確定：
取最不利情況，以3mφ273×3.5和3mφ325×3.5的管道為例（φ273管道支架間距為6m，φ325管道支架間距為3m，壁厚均為3.5mm）。
管道淨重：
273×3.5: 23.262kg/m； φ325×3.5：27.751kg/m
管內水重：
φ273管內每延公尺水重：3.14*(273/2)2/1000=58.51 kg/m
φ325管內每延公尺水重3.14*(325/2)2/1000=82.92 kg/m
故單個管卡的最大豎向靜止荷載為：
（23.262+27.751+58.51+82.92）*3*9.8=5657.84 n
管卡尺寸引數的確定
虹吸雨水工程φ159以上的管卡均採用φ14圓鋼，φ159及以下的管卡均採用φ12圓鋼，所有管卡均為工廠定製加工件。根據gb00196-2003可查的φ14圓鋼螺紋的引數如下：
大徑d=14mm，螺距p=1.5mm，小徑d1=12.376mm
可用螺紋長度取9mm，則可用螺紋牙次數z=9/1.5=6
d/p=14/1.5=9.333，載荷不均係數kz =1.5*5/14=0.5357
螺紋工作高度h=d-d1=1.624mm
螺紋根部寬度b=0.87p=1.305
代入計算
因為管卡的每個頭都接雙螺母固定，因此作用到每個螺母上的荷載為：
fw =5657.84/4=1414.46n
＜=98mpa
＜=158mpa
因此即使考到管道振動時荷載，螺紋牙的強度也足夠大，完全在安全範圍內。
5.結論
a380機庫屋面虹吸排水工程已完工，經過數次大雨的考驗，能將雨水及時、順暢的排出，為機庫的雨汛期安全提供了有效的保障。同時在採用虹吸排水時，本工程提供了一些經驗可在今後的工程中借鑑。
5.1大面積屋面雨水排水採用虹吸系統可以有效的較少排水系統的立管數，排水效果較好。
5.2虹吸雨水排水系統管道內水流速較快，對管道有較大的沖刷作用，對管道有較好的沖刷潔淨作用，但同時也對管道產生一定的振動力，管道要進行抗壓力設計。
5.3本工程雨水管道系統是隨屋面網架一道地面安裝整體提公升就位，因此在安裝過程中不僅是要考慮管道自身的重力變形，還必須考慮網架提公升過程的下撓。
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