建筑斗雨水排水系统分析及立管通水能力分析

屋面雨水从暴露在大气中的雨水斗进入雨水管道时，必然会挟带一部分空气进入雨水管道，所以，雨水管道中泄流的介质有水、气两种。随着降雨的开始，降落在屋面的雨水很快汇入天沟，汇水面积增加，使天沟中的水位逐渐升高，进入雨水斗的水量和掺气量（即进入雨水斗的空气量与雨水量的比值）不断发生变化，引起管道内压力变化。排水立管的过水能力，受天沟的汇水情况、位置高度（即立管高度）、悬吊管的管径、长度和坡度等因素的影响，其雨水斗泄流量Q和掺气比K、天沟水位h、雨水斗入口处压力P和流量递增时间t的关系曲线，如图6-5所示。

（1）泄流状态 从图6-5中可知，按降雨历时将单斗雨水泄流状态分成三个阶段：重力流阶段（0～t_A）、重力—压力流阶段（t_A～t_B）和压力流阶段（t≥t_B）。

在重力流阶段，由于降雨刚开始，只有少部分汇水面积上的雨水汇集到雨水斗，天沟中水位较低。随着降雨时间增加，汇水面积增加，天沟水位升高较快，雨水斗泄流量也增加较快。但因我国的暴雨强度类型是先大后小，所以泄流量和水位增长速度变缓。在这一阶段，因天沟水位较低，雨水斗大部分暴露在大气中，进气量较大，泄水量较少，所以掺气比急剧上升，到t_A时刻达到最大。在这一阶段，由于雨水泄流量较少，连接管内的雨水成附壁流或膜流状态，致使管中心空气畅通，管内压力约等于大气压力。随着雨水斗水位和泄流量的不断增加，掺气比增加，管内压力逐渐增加，但增加速度缓慢。立管中雨水主要靠重力沿管壁流动，所以这个阶段是水气两相重力流。

图6-5 雨水泄流量与各参数的关系曲线

在压力流阶段，随着汇水面积的不断增加，天沟水位逐渐升高，泄流量因水位升高而增加。但由于暴雨强度逐渐减小，所以这个阶段水位上升速度缓慢，近似成线性关系。泄流量的不断增加，导致管内充水率增加（即过水断面积与管道断面积之比），而管道断面积固定不变，所以，泄流量的增长速率越来越小。同时，因雨水斗水位升高，进气量减小，泄流量增加，所以掺气比急剧下降，到t_B时刻达到最小（K=0）。泄水量的增加和掺气量的减少，致使管内频繁形成水塞，产生较大抽吸力，管内压力增加较快，所以这个阶段属于水气两相重力—压力流。(www.xing528.com)

到达t_B时刻，天沟水位达到某一临界水深h_B，泄流进入压力流阶段，这时天沟水位彻底淹没了雨水斗，管中的泄流不掺气体，变成满流，此时的流量称为临界流量Q_B。当达到临界流量后，虽然天沟的水位不断增高，但泄流量几乎不再增加。因为雨水斗安装高度不变，天沟水位增加高度所产生的作用水头不足以克服因流量增加在管壁上产生的摩擦阻力。天沟水位急剧上升，泄水由抽力进行，所以这一阶段变为单相压力流。

（2）立管的压力变化 雨水立管中的压力是不断变化的，当天沟水位较低时（0～t_A），管道泄水能力小，立管内是附壁水膜重力流，立管泄水能力远大于悬吊管泄水能力的部分由空气流动来补充，整个管道系统中无压力的变化。

当天沟水位升高，泄水量增加时，管道系统压力发生变化。立管中形成水塞，空气不能补充。因悬吊管和雨水斗的泄水能力远小于立管的泄水能力，所以立管上部形成负压，对悬吊管有抽吸力，使立管上部水和气紊动混合，以平衡泄流量的差别。在立管的下半部，因排出管泄水能力小，水气进行剧烈的能量交换，形成完全混合的两相流，降低流速，使立管的下半部形成正压。由上而下的管内压力的负、正过渡，随着泄流量的增加，管内压力零点的位置逐渐上移，满流时的零点位置最高。

通过分析可知，天沟雨水经由雨水斗及整个管道系统排泄，其排泄能力取决于天沟位置高度、天沟水位、管道摩阻及雨水斗的局部阻力。其中主要取决于天沟位置高度。因立管的泄流能力远大于雨水斗和悬吊管的排水能力，所以雨水斗是在压力流动状态下工作。雨水斗离排出管的垂直距离越大，产生的抽吸力越大，管道系统的泄水能力就越大。