（嘉兴学院 浙江 嘉兴 314001）
【摘 要】大型体育场在建设中采用特殊材料（如彩钢板等）进行屋面建造，且屋面跨度较大，结构脆弱，因此传统的重力排水方式可能导致这些特殊材料受力作用出现结构性损伤，因此需改变其排水方式，采用虹吸式排水系统。虹吸式排水系统主要指利用虹吸原理进行排水，工程施工规模小、施工方便、安全高效等。本文就大型体育场馆虹吸雨水技术应用展开研究。
【关键词】大型体育场馆；虹吸雨水技术；雨水斗
Study on Application of Siphon Rainwater Technology in Large Stadium
Chen Bo-song
【Abstract】In the construction of large-scale stadiums, special materials (such as color steel plates) are used to construct roofs with large span and fragile structure. Change its drainage, the use of siphon drainage system. Siphon drainage system mainly refers to the principle of using siphon drainage, construction of small scale, convenient construction, safe and efficient. This paper studies the application of siphon rainwater technology in large stadiums.
【Keywords】Large stadium; Siphon rainwater; Technology
【中图分类号】TU823 【文献标识码】A 【文章编号】1002-8544（2016）24-0048-03
随着建筑技术不断发展，各种大型体育场馆出现在人们生活中，其中不乏大跨度屋面，这些屋面排水形式成为建筑难点之一。大型体育场馆的具有大跨度、大面积屋面，屋面在降雨时需承受雨水重量造成的应力作用，若不及时排除极易造成雨水积累，影响大型体育场馆结构性能。虹吸雨水方式不仅能够及时排除屋面雨水，还可从根本上提高结构性能。
1.虹吸式雨水排水系统
1.1 虹吸式排水系统组成
虹吸排水系统组成部分主要有防旋涡虹吸雨水斗、乙烯管、立管、悬吊配件等。虹吸式排水系统关键之处在于使用不泄气的防旋涡虹吸雨水斗，该雨水斗排水性能是整个排水系统的关键所在，决定排水系统的整体性能。
1.2 虹吸排水系统形成过程及其工作原理
虹吸排水系统工作过程主要有以下几个阶段。
（1）降雨初期雨水流量较小，虹吸雨水斗前水位较低，雨水经由导流管进入悬吊管内部，此时水流较为平稳，属重力流。雨水进入立管沿着管壁流下。虹吸排水系统内部气压为正常大气压；
（2）当雨量开始逐渐增加，虹吸雨水斗前水位逐渐增高，虹吸排水系统内部出现水流波动，流速不断加快，流进立管后流层增厚并开始脱离立管壁靠重力自行下落。
（3）随着降雨量不断增加，虹吸雨水斗前水位持续增高，屋面雨水面出现旋涡，立管内部上为负压，下为正压，上下交替之处为大气压，此即压力零点，出户管流速降低，即为拉拔流；
（4）随着雨水流量持续增加，虹吸雨水斗前水位上升速度加快，立管内部雨水流速继续加快，负压增大，水流中出现大量小气泡。观察来看水流呈现乳白色，此即乳化流；
降雨末期雨量减少，虹吸雨水斗前水位开始下降至某一值，管内开始有空气进入，影响虹吸作用，虹吸排水系统恢复到重力流状态。综合虹吸过程中雨水液体的粘滞性，虹吸系统工作原理符合伯努利方程。虹吸排水系统水力分析图见图1。
上式是大型体育馆虹吸雨水管道任意断面处压力水头计算公式。通过上式可以看出虹吸雨水斗局部能量损失较大，再加上虹吸雨水斗连接管道直径较小，流水能量损失较大。虹吸雨水斗连接管道出现较小负压或正压。随着X-X断面由悬吊管最远端移动至另一侧，管内水头损失迅速增加，其可利用的水头并未有增减。根据以上公式计算结果来看，当管道内呈现不断增加的负压，与立管交叉处负压最大。之后立管与悬吊管交叉点向下，该结构可利用水头迅速增加，远超出因为管道长度增加而造成的水头损失，里管内部压力值立即降低至0，之后逐渐出现正压。立管底部正压会经历达到最大值后逐渐降低的过程，正压被逐渐消耗，在雨水井处与外部大气连接，管道中压力转变为0，虹吸雨水都处进水面标高到排水口总高度差为有效作用水头，全部用尽。以上整个过程即为虹吸系统工作原理。
1.3 虹吸雨水排水系统计算原理及步骤
虹吸雨水排水系统计算原理：计算基础公式为伯努利方程，虹吸雨水排水系统满足单向流满流原理，因此可采用伯努利方程进行计算；
虹吸设计计算步骤：
（1）收集当地气象数据，对每年的降雨量进行评估，确定虹吸排水系统设计排水参数，确保虹吸参数可满足大型体育场馆屋面排水需求；
（2）设计虹吸排水工程设计范围，并划分汇水面积；
（3）根据（1）、（2）两步骤结果计算汇水面积内降雨量；
（4）选择虹吸雨水额定流量（最大流量），计算雨水虹吸系统所需虹吸排水斗需求数量；
（5）确定相邻雨水斗间距，设定横管、立管、排出管位置；
（6）绘制虹吸雨水系统设计图；
（7）对设计图中关键部位进行标注，设定基准，计算虹吸各管道直径，并对各管道进行编号；
（8）对设计情况进行水力计算，并对计算结果进行验证，若计算结果符合设计规范要求即可进行下一步工作。若不符合要求则需对系统重新设计计算，直至计算结果满足虹吸雨水设计需求。
1.4 虹吸排水系统利弊
1.4.1 虹吸排水系统优点
结合虹吸排水系统的设计原理及工作原理可知，相比于传统重力式排水系统，虹吸排水具有以下优点：
（1）虹吸系统所采取的材料性能稳定，具有良好的抗腐蚀性及耐氧化性，结构密封性能好，可在雨水环境中使用较长时间；
（2）虹吸雨水系统可适用于多种建筑，排水管道结构较为简单，占据空间小，施工难度低，尤其是对已建成建筑的再次布管较为适用；
（3）虹吸排水管道流速较快，即使水中具有较多的浑浊物也不会出现堵塞，水流速度较快还具有较好的自清效果，清洁效果良好；
（4）系统悬吊管可接入更多数量雨水斗，统计表明虹吸排水系统悬吊管最长可达到160米，基于此虹吸系统将减少立管及室外管道数量，减少虹吸系统配件数量，整个工程施工量明显降低，节约大量人力物力。
1.4.2 虹吸排水系统材料
虹吸排水系统最主要的组成部分是管道，排水过程中管道质量直接决定整个系统是否安全可靠。排水管道质量与其材料有重要关联。虹吸排水系统利用压力系统进行排水，因此管道需要具有良好密封性，同时要求在排水中振动较小，无噪声，遇到较大降雨量时可承受较大水压。其次虹吸排水系统需承受自然环境影响，因此需要具有一定强度和耐腐蚀性。基于此虹吸排水系统采用HDPE高密度聚乙烯管，该种材料管道具有较强抗冲击力，管材柔性较强，受到外力作用不会出现应力损伤，且具有较强的耐腐蚀性，承受温度范围较广。该种材料密度较精确，施工容易，施工中管道连接方式多种多样，因此可根据实际需要选择恰当连接方式。
1.4.3 虹吸排水系统的缺点
虹吸排水系统具有较多优点，但在实际施工中发现该种方法并非毫无缺点，其缺点如下：
（1）虹吸排水系统在建造中需精确计算其水力，当前国内缺少准确的计算方法和计算软件，计算结果误差较大，因此在建造中会尽量提高其水力导致建造成本提升。若水力较小则无法达到预期排水效果，对体育馆屋面结构造成严重影响；
（2）虹吸排水系统悬吊在室内的管道一旦出现破裂便会影响整个虹吸排水系统失去排水性能，造成严重后果，基于此需定期对虹吸系统悬吊部分进行检查，维护工作量较大；
（3）虹吸排水系统工作过程中所需要天沟壅水高度较大，虹吸雨水斗安装下沉深度较大；
（4）大量工程施工经验表明当悬吊管长度为有效高度差10倍之内时该系统经济性最高，其他情况下经济性并非最高，可能存在一定浪费。
2.工程案例
2.1 工程概况
本工程为嘉兴体育馆。嘉兴体育馆位于嘉兴市桐乡大道南侧，昌盛南路西侧，用地面积4.81公顷。由比赛馆、训练馆和游泳馆组成。采用了矩形对称平面形态，比赛馆部分一层中心为赛场，周边为辅助用房。嘉兴体育馆主楼部分采用框架结构，屋架为钢管桁架结构。主楼顶层以上至屋顶部分上部分采用钢管桁架天棚以及玻璃采光窗。本项目在经过反复研究和方案优化，最终选取同济大学建筑设计研究院设计的虹吸排水方式进行嘉兴体育馆排水系统施工。
2.2 施工设计方案
本工程屋面汇水面积约为10060平方米，屋面雨水采用5个虹吸雨水收集系统，总流量为541.68L/S，系统共使用Primo75雨水斗24个，设5个虹吸溢流系统，总溢流量为153.93L/S，共使用Primo100雨水斗2个，Primo75雨水斗1个，Primo50雨水斗2个。其中比赛馆汇水面积约为6180平方米，沿轴设置2个虹吸雨水收集系统，共使用Primo75雨水斗14个，训练馆汇水面积约为1460平方米沿轴设置1个虹吸雨水收集系统，共使用Primo75雨水斗4个，游泳馆汇水面积约为2420平方米沿轴设置2个虹吸雨水收集系统，共使用Primo75雨水斗6个，虹吸雨水斗被均匀分布在各天沟内，采用氩弧焊连接方式焊接于镀锌天沟内。
2.3 施工流程
虹吸排水系统施工建设流程如下：施工前期准备——安装虹吸排水固定系统——安装雨水斗——安装排水管道——建造施工消能井——模拟排水测试——验收。
2.4 施工
（1）前期准备。施工前需对设计图纸进行仔细审查，针对虹吸雨水系统在体育馆的分布，充分领会设计方案意图。并在施工前进行现场考察，观察穿墙孔等是否预留。进行屋顶结构部分施工时需将施工图纸与虹吸排水系统联系起来，实地对需安装的雨水斗的图纸位置与实际位置、雨水斗大小及预留安装孔洞等进行核对，便于施工过程有效展开。
（2）排水管件。排水管紧固件及其固定系统构成主要包括排水支架、吊杆、管道连接件、锚固管卡、三角楔等管件。布置排水管前需先建设好支架基础。将排水支架固定于承重钢梁、柱子等承重结构上，之后进行支架焊接，并将焊接完毕的支架进行防锈处理。支架基础建设完成后开始布置排水管件，在布置管件前需做到方向准确，结合水平及垂直布管及时，降低初次安放位置偏差。其次管件间间距需满足最小间距要求。
钢支架结构一定要焊接于建筑承重结构上，吊杆需连接于屋面支架上，并将其下方与方钢相连。HDPE管道应适应固定卡固定于方钢，当管道直径超过DN250时，应该对每个固定点至少适应两个管卡，提高其稳定性和可靠性。HDPE管路需合理控制横向和竖向间距，如横向导向管管卡最大间距不可超过2m，竖向导向管管卡最大间距不可超过15倍管外径。若雨水斗下部与横管间距超出750mm时需另外增两个侧向管卡，横向管卡间距小于10倍管直径，竖向管卡间距不可超过15倍管外径。固定系统悬挂安装间距在2.5m之内。
（3）雨水斗安装。虹吸式排水系统的核心部件，当天沟收集雨水高度超出斗高，雨水斗便可降低雨水空气夹带量，从而促使雨水由随壁流变为气水混合流，最终形成水一相流下的虹吸状态。嘉兴体育馆使用的虹吸雨水斗组成部分为：雨水斗主体部分、安片状、防叶罩盖、反旋涡装置等。雨水斗安装前需结合设计规划图对各部件尺寸、型号、规格、安装位置等进行核对，确认无误后展开安装作业。雨水斗安装工艺流程为斗体——反旋涡装置——防叶罩盖——辅件安装。为保证斗体安装密封性，在焊接时采用氩弧焊焊接方式。安装完成后进行闭水试验，测试防水效果良好后安装作业全部完成。
2.5 节点防水
虹吸雨水结构较为复杂，由多个部件结构连接而成。从工程施工角度而言，任何形状压型金属板在檐口板肋下必然存在缝隙，且檐口处结构较为脆弱，容易在较大风力作用下被掀开。滴水角与屋面板角需使用泡沫封条进行密封处理，消除结构缝隙，防止雨水灌入。密封件需通过防水铆钉与屋面板板肋固定，并在密封后使用泡沫密封条密封，之后使用防水铆钉将密件与屋脊盖板固定。在此结构下即使屋脊盖板上外露铆钉出现漏水情况，雨水也不会进入室内。屋脊处U形密封件及泡沫密封条是结构防水重要部分，通过屋脊处U形密封件及泡沫密封条雨水可被引导至室外，且屋脊板端向上翘起，可作为阻止雨水流入室内的另一道屏障。虹吸排水结构设计对体育场屋面排水尤为重要，虽然跨度大，但雨水在多种结构作用下被阻止流入室内，通过特有方式被及时排除，降低结构重力承载，提高性能稳定性。
2.6 雨季施工措施
体育场屋面虹吸排水系统施工周期较长，期间可能会面临短期雨季天气。一般情况下雨天应避免施工，避免雨水对板块防水性及金属结构的腐蚀性。若无法避免在雨天施工应做好防护工作，降低雨水对施工材料及施工部分的伤害。若受到雨水影响则应在雨水停止后立即采取补救措施。下雨过后需检查排架下部是否下沉，若出现下沉则应立即进行加固处理。
3.结语
虹吸排水系统是当前大型体育馆常用排水系统。从经济角度而言虹吸排水系统成本比传统排水系统高，但在大型体育馆中虹吸排水系统更为实用，可提升体育馆使用年限，提高安全性和稳定性。虹吸排水系统不仅可及时排除体育馆屋面径流，降低屋面承重，还减少室内钢柱设计高度及屋盖设计尺寸，促进整个工程施工成本。总结来看虹吸排水系统性能良好，施工工艺成熟，总体性价比较高，必将在未来大型体育馆建设中有重要应用。
参考文献
[1]殷敏,王磊刚，袁毅宏,等.虹吸式屋面雨水排水系统设计[J].中国建筑防水.2011(7):37-41.
[2]徐景昌.虹吸式排水在大型场馆屋面工程中的应用[J].福建建材.2010(4):82-83.
作者简介：陈伯松（1965-），男，浙江嘉兴人，工程师，主要从事给水排水工程管理工作。
论文作者:陈伯松
论文发表刊物:《建筑知识》2016年24期
论文发表时间:2017/6/9
标签：雨水论文; 排水系统论文; 屋面论文; 系统论文; 结构论文; 管道论文; 体育馆论文; 《建筑知识》2016年24期论文;