虹吸排水系统设计的基本原理

虹吸排水系统基本原理及设计基础

（Principle and design foundation）

1屋面虹吸排水系统的工作原理

（Principle of siphonic roof rainwater drainadge systems）1.1什么是虹吸排水

下面是一红虹吸过程示意图。

C

这是一个典型的2雨水斗虹吸排水系统。当然，这也可以是一个重力排水系统（gravity drainage systems）。

如果是重力排水系统，在管道中肯定是处于气水混合流(mixed stram of air-water)状态，而且可以认为整个系统从下到上气流贯贯通的，也就是说，管道内各点的压力都等于大气压。水流在这种状态下，只能靠重力的作用，从高向低流。

在连接管管和立管内，由于进出口高差的作用，水流自上而下流动不成问题。但是在水平管和过渡段，要使水流保持足够的流速，就必须使管道有一定坡度（gradient）。坡度的大小，自然和流量以及管道通流有效面积有关，一般可以用谢才公式（the Chezy formulas）计算流量：

Q=AR2/3J0.5/n （1）

式中，Q—管道流量（rate of flow），m3/s

A—有效过流面积（effective area），m2

R—管道水力半径（hydraulic radius）,m

J—管道坡度，无量纲

n—管道表面粗糙度（roughness），对塑料管道，n=0.009，对钢管，n=0.011

管道水力半径R=A/湿周长度，m

在实践中要使管道用小的坡度通过较大的流量，需要很大的管道直径，而且有坡度的管道在现代厂房中铺设也存在困难，因为其他管线都是水平铺设的。我们可以做一个简单的计算来说明重力排水在大屋面排水中有多大困难。

设排水管线长度为100米，如果保持J=1%=0.01的坡度，就意味着上下游有1m的高

差，这已经给管线铺设带来的许多不便。

假定屋面面积3000m2，大约有150L/s=0.15m3/s的雨水量。假如选用规格315的PE管，内径0.29m，截面积0.066m2,周长0.91m。设充满度（degree of fullness）0.6，湿周长（length of soak）约0.5m，

过流面积A=0.6*0.066=0.0396m2

水力半径R=0.0396/0.5=0.0792m

取n=0.009

Q=0.0396*0.07922/3*0.010.5/0.009

=0.081m3/s

这和要求的通流量0.15m3/s差的太远。

要通过150L/s的流量，坡度要达到3.4%，这在实践上是不可能的。另一个办法就是加大管道直径。如果保持1%的坡度，则过流面积要加大到1.85倍，管径要加大到原来的1.36倍，即使用直径450mm的管道。显然这样的管道成本也是很高，而且难以施工。

以上的计算想说明这样一个事实：重力排水的管道除了需要坡度，也需要很大的管径，这在许多建筑中是很难实施。

如果能够把管道内的重力流（gravity flow）变成压力流（pressure flow），管道就不再需要坡度。

回到前面的虹吸排水原理图上，当管道内充满水流时，从雨水斗开始到过渡段出口为止，水流的能量发生了一次转换：从总的势能（高度H所提供，potential energy）转换为过渡段出口的动能（kinetic energy），并克服了管道内各种阻力所造成的损失（resistance head）。阻力损失由管道内的各种管件形成的局部阻力（local resistance）以及管道的沿程阻力（on-way resistance）所产生。

从雨水斗到达管道的的任何一个截面，水流的能量都在不断发生变化和转换。能量的基本形式是势能，动能，压力能（pressure energy）。在没有阻力损失的情况下，三部分之和为常数，等于天沟（roof gutter）与系统出口高度差所具有的势能，这就是理想流体伯努利方程（Bernoulli equation）所描述的内容：

h1+p1/(ρg)+v12/(2g)= h2+p2/(ρg)+v22/(2g) (2)

作为一个特例，如果管道内的水流处于静止状态，则流速V=0。取H=h 1-h 2，并取p 1=0，则p 2=ρg H ，这说明势能全部转换成了下部的压力能。对水而言，水的密度(density )为1000kg/m3，取重力加速度(gravity acceleration )g=9.81m/s 2，则10米高度形成的压力为

p2=10*1000*9.8=98kN/m2=98kPa=0.0981MPa=981mbar=0.981bar。

反过来，如果是一个一端封闭灌满水的管道倒立在水中，此时封闭端的内部压力就和封闭端与水面的距离有关，设水面高度h2=0，压力p2=0（大气压力），则

ρg H+P1=0+0

P1=-ρg H

即封闭端内部表现为负压，和高度H成正比。

但这里有一个概念要清楚，绝对压力最低极限是0，不可能为负值。这里的负压仅仅是相对大气压力而言，所以负压的极小值就是一个大气压力的负值。

1个工程大气压（technical atmosphere）=1kgf/cm2=0.981巴（bar）

1个标准大气压（standard atmospheric pressure）=1.033工程大气压=0.1013MPa

我们常说一个大气压力等于10米水柱的压力，是一个近似值。

由于管道实际存在阻力损失，所以在前后两个截面上三部分能量之和会有差别，就是这段管道的阻力损失。实际流体的伯努利方程表述为：

h1+p1/(ρg)+v12/(2g)= h2+p2/(ρg)+v22/(2g)+ΣζV2/(2g)+ΣλLV2/(2gd)(2) 在弄清虹吸排水原理之前，我们先用伯努利方程分析一下立管顶端的压力和哪些因素有关。

取立管顶端为截面1，系统出口为截面2。立管顶端高度为H L,压力为Pc，速度为Vc，出口高度为零，压力为零，速度为Vg。设立管和过渡段的阻力损失总和为Hz，代入伯努利方程(2)，

H L+ p c/(ρg) +v c2/(2g)= v g2/(2g) +Hz

p c=ρg（Hz-H L +v g2/(2g) -v c2/(2g)）（3）实际系统中，v g<< v c，立管和过渡段的阻力损失Hz也都小于势头H L，所以p c都小于零，即立管顶端的表压（gage pressure）为负值。由式(3)可见，立管阻力Hz越小，即管径越大，p c也越低；流速v c越高，p c也越低。这个物理概念非常重要。

再回过头来看上游管道，即从雨水斗到立管顶端。由于雨水斗进口压力就是大气压力，表压为零，该点的势头比立管顶端高出一个尾管高度Hw，所以从雨水斗到立管顶端的压力差等于ρg Hw- p c，而由于p c <0，所以从雨水斗经水平管到立管的流动就成了有压流动，而不再是靠重力流动。如果在水平管两端有20kPa的压力差，就相当于上下游有2m的落差。显然，这非常有利于排水，也可以用较细的管道排放较大的流量，这就是虹吸排水的最基本的原理。

从以上分析我们可以看到，要加大虹吸排水系统的排水能力，有两个措施可以采取：

●降低立管顶端的压力，这样可以增大水平管段水流的驱动能力。但这种降低是有限

制的，即不能也不可能低于水的饱和蒸汽压力（Saturated water vapor pressure），否则水在常温下就会沸腾（ebullition）。一旦水中出现大量气泡，水的密度就会降低，排水能力也随之下降。在实践中是通过加大立管和过渡段直径降低立管顶端的压力。另外，当立管较短时，上端也不可能太低的压力。

●减小上游阻力，即加大悬吊管和尾管直径。在这方面的限制主要是材料成本和施工

难度。实践中水平管最好越细越好，这样既降低成本，也便于施工。315mm以上的管道在悬吊管上禁止使用。

总结以上内容，形成虹吸要满足以下条件：

●虹吸排水必须在管道内达到足够的充满度时，才可能实现，管道内一旦出现空气贯

通，虹吸现象即被破坏；

虹吸排水系统内的最低压力有限制，这样，雨水斗到立管顶端的压力差一般不会超过100kPa，也就是说虹吸排水尽管是有压排水，但是动力有限，设计者还必须尽可能减小管道阻力，如采用45斜三通，采用有较大转弯半径的弯头，也尽可能减少转弯点。

1.2虹吸的形成过程(siphonic growing process)

虹吸雨水排放系统有一个自动充满过程。

在雨量较小时，天沟内汇集的雨水很容易被排除，这时系统就相当于一个重力排放系统。

随着雨量（rainfall）加大，天沟水深上升，进入雨水斗的流速也逐步加快。当超过雨水斗喉部充满的临界流速（critical flow velocity）时，连接管的上部就会被充满，和天沟内的水流形成一个整体。这时有效的水深就不仅再是天沟水深，而是加上了连接管内充满的高度，水流的流速会急速上升；

只要天沟内有足够的水流，连接管很快就会被充满，这时的势头等于连接管高度加上天沟水深。显然，这时的流量要比只靠天沟水深形成的流量大得多。这个流量和连接管高度以及连接管直径有关；

连接管充满之后接着就是悬吊管充满。当悬吊管充满时，Q2会有所下降。

连接管充满所能形成的流量要能够超过立管充满临界流速所需要的流量，这样就可以把立管上部充满，使有效势头进一步加大，流量也进一步上升，最终使整个立管充满，流量达到最大值。

有没有可能充满过程自下而上呢？如果是这样，说明上游阻力小于下游阻力。以尾管为例，如果从尾管下端开始充满，说明靠斗前水深形成的流量在尾管下端都不能顺畅排出，这明显不合逻辑。同样在立管上也是如此。如果尾管充满形成的流量会积累在立管下端，说明过渡段的阻力是非常大，实践上也不可行。

当雨量下降时，系统排水能力超过汇水量，开始有部分空气进入系统，形成气水混合流，脉冲流（stream of pulses），最终转换成重力流。

实际排水系统不可能稳定保持在满管流（full-bore flow）状态，因为满管流就意味着饱和状态(saturation)，任何超出的雨量都会在天沟内不断累积，造成溢流（overflow）或者泛水（flashing）。实际系统设计总是让最大可能雨量小于系统的最大排水能力。

这里我们需要注意系统形成虹吸的基本条件—立管能够被充满。如果连接管过短，悬吊管过长或过细，立管太粗，都有可能使虹吸无法生成。如果这样，系统的最大排水能力就不是水力计算书（HYDRAULIC PERFORMANCE CALCULATION SHEETS）提供的流量，而是仅靠连接管所能形成的流量，它会远远小于系统的设计流量。出现这种情况的根本原因是由连接管和悬吊管构成管组所能形成的满管流流量达不到充满立管所需要的临界流量，其中最主要的因素是尾管的长度。设计规程《Technical specification siphnic drainage system of roof》CECS 183:2005建议连接管不短于1000mm

在设计规程中提出了一种进行尾管长度的验算方法，但是这种方法是有缺陷的，因为它没有考虑到水平管的长度和立管的直径。

能够使立管充满的最小流量见下表。

1.3虹吸排水主要解决的问题

尽管有多种多样都会用到虹吸排水系统，但推出屋面虹吸排水系统的最主要目的是解决汇水点远离落水点系统的排水困难。

现代公共建筑或现代化厂房有一个共同的特点就是大屋面而又落水点集中。大屋面形成的大流量需要经过很长的流程才能到达指定的检查井（inspection well）。如果采用地下输水管道（一般重力方式排水采用），则要求在地面开挖，管道尺寸很大，也需要布置许多立管，这是许多建筑所不允许的。如果采用悬挂管道，前面已经证明许多场合是不现实的。

利用立管顶端的负压在水平管内形成有压流，能够用相对较小的管径在没有坡度的条件下输送很大的雨水流量，这是虹吸排水的最主要用途，而且也是这种情况下最理想的解决途径。

但是这种有压排水的压力是有限的，它最终所靠的是大气压力相对于管内低压形成的压力差，这个差值永远也不会大于一个大气压力。所以，当水平管过长，流量过大时，虹吸排水也不能解决问题。当流量过大时一般会把一个大的系统拆分成两个较小的系统，从而限制水平管的直径。

由前面的分析可知，立管顶端的负压是靠立管的高度形成的，所以当立管太低时，使用虹吸排水就没有实际的意义了。建议总高在5米以上的的情况下才考虑使用虹吸排水技术。

1.4虹吸排水原理的特殊应用

虹吸排水的特点是满管流。只要排水管道进入了满管流状态，就都可以用虹吸排水的理论对系统进行分析设计。

1.4.1短水平管排水系统

包括短水平管，集水井式，单斗直排式排水系统。

对这三类系统，我们都可以把他们当成没有水平管的系统来分析。由于没有水平管，所以在立管上端形成的负压都集中到了雨水斗附近，或者就是集中到了雨水斗喉部。雨水斗喉部的负压使雨水斗边缘到中心的压力差很大，能够使水流从雨水斗边缘到中心迅速加速，形成很大的流量，而又保持较低的斗前水深。

这种形式的虹吸排水系统主要的作用是以较低的斗前水深和较小的雨水斗实现较大的排水能力。它和普通单斗重力排水系统相比根本的不同点是使用了虹吸雨水斗，并且不使用PVC排水管道。

虹吸雨水斗的结构特点使它能够在低得多的斗前水深下获得很大的进水量，也就是通常说的限制天沟水深；另一方面采用HDPE或其他金属管道能够使系统承受负压，也保证了系统的正常工作。

斗间距30m，单斗流量50L/s

单侧流量45L/s，天沟宽度600mm，水深0.1m，过流面积A=0.1*0.6=0.06m2，

流速V=0.045/0.06=0.75m/s,R=0.06/0.8=0.075

斗前坡度=(0.75*0.011/0.0752/3)2=0.00215

水面平均坡度按最大坡度的1/3计算，流程长度为15*0.9=12.5m，水面理论上升量为

12.5*0.00215/3=0.0089m。即水深的上升量不到10mm。即使考虑到水面波动，上游水深增加也不会超过30mm，对250mm的天沟没有实际影响。

如果均匀布斗，单侧流量25L/s=0.025m3/s，流速0.417m/s，

斗前坡度=(0.417*0.011/0.0752/3)2=0.000665

水面理论上升量为

7.5*0.000665/3=0.0017m。

如果天沟宽度为500mm，过流面积A=0.1*0.5=0.05m2

流速V=0.045/0.05=0.9m/s,R=0.05/0.7=0.07

斗前坡度=(0.9*0.011/0.072/3)2=0.0034

水面理论上升量为

12.5*0.0034/3=0.014m。

1.4.2水平管埋地式排水系统

典型的虹吸排水系统是用悬吊的水平管将汇水输送到远处，而且有人会误认为这才是唯一的方式。由于许多建筑都不允许在地下开挖排水沟，所以也会误认为将水平管埋地就是重力排水系统。

某些建筑如果允许在地下铺设封闭的排水管道系统，则在管道内出现满管流时，埋地管内就呈现有压流动状态。每根汇集在埋地管上的立管实际上是虹吸系统被加长的尾管。和重力排水系统相比，这种系统有以下几个优点：

●管道尺寸要小得多；

●不需要开挖很深很宽的排水地沟；

●埋地管水平铺设，能够明显抬高管道下游的出口高度，有利于进入市政管道；

●长尾管有助于迅速形成虹吸，可以减小天沟容积；

●几乎不需要限制管道负压，因为不需要太低的负压就足以满足雨水斗进水需要。

●不需要二次悬吊系统，能明显节约费用。

对某些大型建筑的边天沟，或者特别长的厂房，使用这种排水方式非常有效。

1.4.3长连接管排水系统

由于系统内最低压力的限制，从雨水斗到立管顶端的最大压力差不会超过一个大气压力，这明显限制了虹吸系统的排水能力。

如果在许可的条件下降低悬吊管高度，也就是加长连接管，则能明显加大雨水斗到立管顶端的压力差。这对某些有超长水平管的系统，能有效地减小悬吊管直径。降低悬吊管的前提是立管有很高的高度，势能因负压限制而不能得到充分的利用。加长连接管降低悬吊管的限制仅仅来自于建筑结构而没有技术方面的问题。

上面这个例子，将尾管从1米加长到10米，相应缩短立管。设计结果是水平管从250mm 减为200mm。在更大流量情况下，能够将无法设计的系统问题解决。如本例，如果每斗流量为50L/s，则使用1米尾管即便水平管用到315mm，也无法实现此流量，改用10米尾管后，水平管使用250mm就可以了，因为从雨水斗到立管顶端的压力差能够达到180kPa 以上，而不是限于100kPa。

1.4.4雨水斗(outlet)的作用原理

虹吸雨水斗有三个作用：

●使水流从边缘到中心迅速加速，这要靠盖板能够保持雨水斗喉部处于负压状态；

●防止在雨水斗中心形成漩涡；

●防止外部杂物堵塞雨水斗。

第一个作用靠盖板有适当的直径和通道缝隙高度实现，第二个作用靠盖板上的防漩涡挡板实现，而周边上的格栅以及上部的翅片都有助于防止堵塞。第一个作用是雨水斗的核心作用。

普通重力雨水斗，在没有盖板而且喉管为被充满的情况下，水流以流速V进入雨水斗喉管，其动力来自于天沟内的斗前水深。流量可按下式计算:

Q=0.45πdh(2gh)0.5（4）

式中，d—雨水斗进口直径，m

h—斗前水深,m

g—重力加速度

当雨水斗加了盖板时，雨水斗喉部会产生一个低压区，喉部进口流速就不仅仅靠天沟水深，更重要是靠雨水斗边缘到中心的压力差。但是水流进入雨水斗边缘盖板与底盘之间的缝隙，仍然需要斗前水深所形成的势头，因为在雨水斗的边缘处不可能形成低压区。

设盖板与底盘间距为b，盖板边缘直径D,忽略翅片影响，通流面积为A=πdb。进口流量为Q，流速V=Q/A，此流速与斗前水深的关系为

V=（2gh)0.5

显然，同一规格的雨水斗，排水量越大，对应的斗前水深也越高。要想降低雨水斗额定流量下的斗前水深，最有效的手段就是加大雨水斗盖板直径。虽然加大间距b也有效果，但显然斗前水深至少要大于间距b。事实上间距b和雨水斗盖板半径之间也必须保持一个适当的比

例，否则无法维持雨水斗喉部的负压。

如果没有雨水斗喉部存在的负压，雨水斗喉部的流速只能靠斗前水深形成，设雨水斗的局部阻力系数为ζ=0.3,斗前水深能形成的流量为

Q=aV=0.7854d2(2gh/(1+0.3))0.5

以90雨水斗为例，d=0.083m，取斗前水深h=0.07m，则

Q=0.7854*0.0832*（2*9.81*0.07/1.3）0.5

=0.00556m3/s

即单个的90雨水斗不加尾管，只能形成5.56L/s的流量。这说明虹吸系统的排水能力是来自于系统结构，雨水斗的作用在于限制天沟水深。

2水头损失(loss of waterhead)计算

水头损失计算是虹吸系统设计的基础。

虹吸系统中包含了两类水头损失：局部损失和沿程损失。

局部损失是发生在一个相对小的区域内，如雨水斗，弯头，变径，三通，法兰接头以及管道出口处。而沿程损失则是一种和管道长度成正比的阻力损失。

在系统计算中，都把局部损失的局域简化成一个点，即没有长度概念，而沿程损失计算时则把两个节点之间的距离当成管道长度，而不计管件所占有的尺寸。

2.1 沿程损失

采用达西（Dacy）公式计算：

h y=λ(L/d)V2/(2g)(m) （5）

λ—沿程阻力系数，采用巴尔（Barr）公式计算：

λ=（1/(-2lg(Δ/3.7d+5.1286/Re0.89))2（6）

式中，Δ—管道的表面平均粗糙度，对塑料管道，Δ=0.00001m

d—管道内径，m

Re—雷诺数，Re=Vd/ν

V—平均流速，m/s

ν—水的运动粘度，取ν=1*10-6m2/s

L—管道长度，m

将流速转换成流量，便于进行计算，

V=Q/A=Q/(πd2/4)

V2/(2g)=0.08263 Q2/d4

这样，沿程阻力损失表达为

h y=0.08263λLQ2/d5(m)

换算成压力，每米水头等于9810Pa，

h y=810.57λLQ2/d5(Pa)

举例：110PE管道，长10m，流量40L/s,计算阻力损失。

管道内径d=0.101m

V=0.04/(0.7854*0.1012)=4.993m/s

Re=Vd/ν=4.993*0.101/1010-6=504293

λ=（1/(-2lg(Δ/3.7d+5.1286/Re0.89))2

=(1/(-2lg(0.00001/3.7/0.101+5.1286/5042930.89))2

=0.0131

h y=810.57*0.0131*10*0.042/0.1015

=10165Pa=10.165kPa=101.65mbar

2.2 局部阻力损失

采用下式计算局部损失：

hj=ζV2/2g （m）（7）式中，ζ—局部阻力系数。不同的管件有不同的局部阻力系数，而且局部阻力系数基本上都是通过实验获得，而没有解析算法(analysis solution )。

还有一种计算局部损失的方法是采用等效管长，用计算沿程阻力的方法计算局部阻力。

式（7）可以变形为

hj=λL/d*V2/2g

和式（7）相比，ζ=λL/d，如取λ=0.015,则有L=ζd/0.015。如局部阻力系数0.55的110mm90度弯头，等效于管长L=0.55*0.101/0.015=3.67m。在水力计算中，可以用3.67m 米长的110管道代替。

本公司采用局部阻力系数算法计算管件的阻力损失：

hj=810.57ζQ2/d4(Pa)

举例：110mm90度弯头，流量40L/s,计算阻力损失。已知局部阻力系数ζ=0.55

hj=810.57*0.55*0.042/0.1014=6854.7Pa=6.8547kPa=68.547毫巴

3虹吸排水系统的设计指标

3.1排水能力

满足系统的排水能力无疑是第一目标。在系统图上都会标出根据设计暴雨重现期（recurrence period of design）和汇水面积(collect area)计算得到的排水量，一般都是按均匀布斗标示平均流量。

虹吸系统水力分析时按照理想满管流状态计算系统的最大排量，最大排量也就是系统的饱和流量。超过此流量时，在天沟内必然形成流量累积，并最终形成溢流或泛水。尽管我们可以设想系统在某一时刻处于非满管流状态，甚至按照含气模型计算流量，但没有实际意义，因为我们关注的是系统的最大排水能力。

在达到满管流的状态下，一个系统各个雨水斗的实际排量存在差异，这种差异在一定范围内可以通过天沟自身得到调整，并不会出现某些斗排不掉，另一些斗又进气的现象。均匀布斗是一种工程上便于表达，也便于施工的方式，但绝对不是说非均匀布斗就不可行。实际在雨水斗开孔时，如果特别需要，可以在一定范围调整雨水斗沿天沟轴向的位置。比如，对斗间距10到15米的情况，雨水斗轴线方向移动1米就不会有任何实际影响。

设计院在排水量要求上经常会说按P年暴雨重现期计算，又按50年或100年暴雨重现期校核。这种表述方式可以理解为虹吸系统的最大排量符合P年暴雨重现期降雨强度要求，而溢流系统（over flow system）则要解决在50或100年暴雨重现期降雨强度下多出的流量。要校核的是天沟或溢流系统是否具备这样的溢流能力。

虹吸系统设计师需要确认采用的溢流方法，并证实这种方法能够满足系统溢流的要求。在计算系统汇水量时，用到以下几个参数：暴雨重现期，降雨历时和迳流系数。

暴雨重现期：在一定长的统计期间（statistics period）内，等于或大于某暴雨强度的降雨平均多少年可能重现或遇到一次。其计量单位通常以年表示。它只有统计学上的意义，或者说是一种可能性大小的表示。此值越大，说明对排水能力的安全性要求越高。不要误解为P年一遇。

降雨历时（rainfall time interval）：降雨过程中的任意连续时段。其计量单位通常以min 表示。计算降雨强度总是用采集的雨水体积量(volume)除以雨水采集时间(collect time)，即V/t，这是一个时间段内降雨强度的平均值。显然，采集时间越长，得到的降雨强度就越小。由于虹吸排水的雨水缓冲空间（buffer space）（天沟容积roof gutter volume）很小，所以也就必须慎重选取降雨历时的长短。

举例：天沟宽400mm，有效深度200mm，屋面宽度50m，降雨强度6L/100m2.s。每米长天沟每秒汇水3L，每米天沟有效容积80L。天沟正常水深60mm，每米最大缓冲容积64L。南京市，P=50年，5分钟降雨历时，径流系数1，每米天沟的汇水量是3.13L/s。如果按这个雨量计算系统的排水能力，则当降雨历时为2分钟时，每米天沟的汇水量时3.61L/s，相差0.48L/s。降雨持续2分钟，就意味着天沟内被积存了120*0.48=57.6L的水，已经接近了天沟的最大缓冲能力。如果屋面宽度时60米，则二者之差就达到69.12L。也就是说在短时间内天沟可能出现溢流或泛水，这在设计中常常不被注意，但却说明天沟容积的重要性。

迳流系数：一定汇水面积迳流水量与降雨量的比值。

对屋面排水来说，长期看，这个系数毫无异议都应该取1，因为任何屋面都不可能长期积留雨水而不流走。任何屋面，不管材质或坡度，也不可能使汇水量大于降雨量，所以也不应当大于1。但不同材质或粗糙度的屋面的确会在降雨历时时段内使汇水流量有不同程度的减小，这也就是我们对不同屋面采取不同迳流系数的原因。一般取0.9~1。

3.2系统出口流速

指过渡段出口在最大流量时的平均流速，按设计规程要求应不大于 2.5m/s。大于这一流速需要设置消能井（disappear energy well）。

降低流速的手段自然是加大系统出口管径。目前我们使用的最大管径为315mm，个别系统也有使用400mm的。流速过高会对检查井（inspection well）产生剧烈的冲刷，所以虹吸排水检查井都采用钢筋混凝土（reinforced concrete）结构。

降低流速的另一个作用是提高排水能力，尤其在建筑高度较低的情况下有明显的效果。因为1m/s流速的速度水头是0.05m，2.5m/s流速的速度水头是0.32m，对一个总高6米的系统，增大0.3m的有效高度，能提高约2.5%的排水能力。

关于消能井，后面单独叙述。

3.3系统最低流速（lowest flow velocity）

由于水平管一般没有坡度，容易形成脏污沉积，限制满管流时的最低流速是为了保证系统有自清的机会。实际规程要求最低流速不低于1m/s。实际设计中最低流速一般发生在第一个三通顺向进口位置，此处管径突然放大，但进入三通只有一个雨水斗的流量。对这种局部流速偏低的情况可以不计。

3.4系统最低压力(lowest pressure)

系统内的最低压力一般出现在立管顶端，但如果在立管中部有很长的盘旋水平管，也会在水平管的末端出现过低压力。

在计算中出现过低压力，说明此点之前的管道存在过大的阻力。

设计规程规定系统最低压力不小于-90kPa，这大约相当于-9米的水头（water head）。

3.5剩余水头（residual head）及最大剩余水头偏差（maximum deviation）

剩余水头是指当系统内每个雨水斗都通过设计流量时，从每个雨水斗算起，到达系统出口的总水头损失加上系统出口的速度水头（velocity head）应小于等于系统的总势头（从天沟到系统出口），二者之差称为该雨水斗子系统的剩余水头。同一系统内个雨水斗子系统剩余水头的最大差值称剩余水头偏差，设计规程要求剩余水头偏差不大于10kPa。

当水力计算结果最大流量大于设计流量时，剩余水头肯定大于零。但是如果总流量与设计总流量比较接近时，尽管剩余水头偏差也符合要求，但很可能出现单个雨水斗剩余水头小于零的情况。这就说明设计规程的规定太过于死板，而不是从全盘角度去评价系统。

设置最大剩余水头偏差指标的本意是为了防止偏差过大会影响正常的虹吸过程，尤其是出现有的斗雨水排不掉，有的斗又进气的情况。但事实上只要天沟是正常贯通，就能够自动实现流量适应，因而没有必要过分计较剩余水头偏差。当然，在允许的情况下，还是尽量实现各雨水斗流量的均衡。

4虹吸系统的构成

虹吸系统一般包括如下几部分：

雨水斗，有多种规格，多种结构和不同材质；

管道—包括连接管，悬吊管，立管，过渡段。材质以HDPE为主，特殊情况会采用铸铁管或不锈钢管；

管件—包括

三通接头（Tee）

变径接头（Reducer，bushing）

弯头（bend）（45°，90°）等；

悬吊固定件—包括

方钢管（square steel tube）

C型钢（C section steel）

方钢连接套件（connection kit for square steel tube）

C型钢连接套件（connection kit for C section steel）

方钢过桥（bridge joint for steel tube）

骑卡（U- fastener）

固定管卡（slide pipe clamp）

可调管卡（adjustable pipe clamp）

螺杆（screw）

安装片（supports）

锚固管（anchoring tube）

插销（bolt）

5虹吸排水系统的基本设计方法

在这里我们只讨论水力计算的方法。

水力计算的前提是已经知道如下条件：

●排水系统的管道走向以及各管段长度；

●雨水斗个数以及各雨水斗设计流量；

●所有的弯头和三通的位置。

水力分析的目标是在满足前述设计指标前提下，确定各个管段的直径。

这里用一个典型的二叉结构系统说明水力分析的基本方法。

5.1 系统结构定义

这里采用的是表格方法描述被分析的系统。首先做一下的些定义：

●含有雨水斗的管组：由一个雨水斗和串联的若干管件构成一个管组，管组不存在

分支，也没有汇入点。一般雨水斗管组从雨水斗开始，到水平管末端的弯头为止，或到三通侧向入口为止；

●由若干个管件、管段串联构成的管组，比如三通之间的水平管段，立管和过渡段

组成的管组；

●三通汇入点：通过三通的顺向入口和侧向入口将两个管组汇入一个管组；

●主干管路：一个最远的雨水斗经过（或不经过）一个个三通顺向入口而不经过任

何三通侧向入口到达系统出口所经过的管路；

●分支管路：由一个或一个以上的雨水斗汇合而成，经三通侧向入口汇入主管路的

管路；

●尾管：由雨水斗垂直向下到达第一个90度弯头所经过的管道；

●小横管：尾管下端和水平管连接的管道。在某些系统内会不设小横管；

尾管和小横管统称为连接管。

●水平管：又称悬吊管。末端雨水斗小横管之后到达立管顶端的水平管段。在水平

管上可能设有若干个三通，以汇入单个的雨水斗管组或分支管路；

●立管：由水平管末端垂直（或倾斜）向下，直到第一个系统最低点（或标高正负

零以下点）所经由的管路。立管内可能包含部分水平铺设的管段；

●过渡段（埋地管）：从立管最下端的弯头之后的管组。过渡段一般埋入地下，但在

某些建筑中也可能悬挂在地下室天花板下方。个别系统也允许没有过渡段。

5.2 系统描述

在系统图内，用结构代码描述管路和管组以及管组内管件的顺序。

结构代码由三位组成：

第一位是管路代码，主干管路代码为0，由远而近在主管路上出现的第一个分支管路代码为1。如果在第一个分支管路内又出现二级分支管路，则该二级分支管路代码加1，依此类推。

第二位代码是管组代码。管组按以下原则划分：从雨水斗到小横管末端（包括弯头）为一个管组；雨水斗之间的水平管，包括变径以及三通顺向入口为一个管组；雨水斗到三通侧向入口为一个管组；最后一个三通到立管顶端为一个管组；立管和过渡段为一个管组。典型的管组划分见下图。

第三位代码是管组内管件的顺序号，从0开始，自动生成。

为了正确填写系统数据表，减少可能的差错，应当在系统图上正确标出管组的代码。

系统由以下管件构成：

雨水斗—用规格、设计流量和标高描述，内部名称“雨水斗”；

45度弯头—用公称外径描述，内部计算按相应公称外径对应的公称内径，内部名称“弯头45”；

90度弯头—用公称外径描述，内部计算按相应公称外径对应的公称内径，内部名称“弯头90”；

三通—用两个规格描述：主管道公称外径和分岔管公称外径，内部计算按相应公称外径对应的公称内径；

变径—用两个规格描述：进口公称外径和出口公称外径，内部计算按相应公称外径对应的公称内径，内部名称“变径”；

管道—系统允许使用HDPE管道和不锈钢（或其他非HDPE）管道，HDPE 管道的内径按CJ/T 250-2007表2的名义值，其它管道规格可自定，内部名称统称“管道”。公称外径50,63,75,90,110,125,160,200,250,315,400的管道被默认为HDPE管道。

用一张固定格式的Excel表描述系统。Excel表包含7列，内容为：管路代码，管组代码，管件名称，管件规格，设计流量（只对雨水斗），长度（只对管道），标高（单位m）。表格的前三行为标题栏，从第4行开始为有效数据。

由于HDPE管和不锈钢管在直径系列上基本不重合，所以选用相应的管径就可以自动区分管道材质。不锈钢管和PE管的沿程阻力系数选用不同的值，由系统根据管道材质自动选定。

在自动调整管径时默认为HDPE管道，但在系统验算时，则可以根据数据表内所填管道的实际直径进行验算。

5.3 填写系统数据表

系统数据表是描述原始系统和调整完成系统详细结构的文件，是一张标准的Excel表。这个表格可以用基本数据模板逐项填写，也可以套用标准模板进行必要的修改后生成。数据模板中的前三行是固定格式

为了模板管理方便，虹吸系统结构按雨水斗个数以及主管道最后汇合点的分支状态进行划分。如果在最后汇合点没有分支管组，则该系统为X-0型，X为雨水斗个数；如果在最后汇合点有分支管组，且分支管组包含Y个雨水斗，则该系统为(X-Y)-Y型。目前本软件只能对X-0型和(X-Y)-Y型系统进行自动调整。对含有多个分支管道的系统，本软件暂不提供自动调整功能。

根据待设计的系统类型直接套用现成的标准模板可以快速生成数据表。

本软件对管道、管件直径是通过变径调整，原始数据表内只有雨水斗出口管径是已知的。每当遇到变径，变径进口直径和之前的管径相同，而之后的管径则和变径出口直径相等。为了自动调整，标准数据模板中在尾管，小横管和水平管段可能进行调整管径的位置已经预设了变径。如果在立管上需要进行分段管径调整，则需要人工设置变径。所有预设的变径在最后调整完成时如果发现进出口直径相等，则说明此变径未发生作用，在统计材料时会被自动删除。其它弯头，三通以及管道的直径则通过变径或前一管件的直径承袭而来，不需要人工填写。

对标准数据模板修改量最大的部分是立管和过渡段。在这里可能需要增添很多管段，弯头以及变径。

数据表内另一组重要的参数是标高。标高是伯努利方程中计算压力的关键参数，中间点标高填写错误，会造成该点的压力计算错误，但对流量计算不产生影响。雨水斗起点和末端出口标高如填写错误则直接影响总势头的大小，造成流量计算错误。

本软件中的标高只在标高变化处填写：雨水斗标高，竖直管道末端的弯头

或变径标高，以及过渡段出口的标高（最后一个管段非水平铺设时用），其余管件的标高则自动承袭前一管件的标高。

下图是一个典型的二叉结构（3_1）系统，其中只有雨水斗规格，雨水斗设计流量，各管段长度以及存在的弯头和三通。对应的系统数据表见表3_1。

表5_1 二叉虹吸排水系统示例数据表