虹吸排水系統在鐵路站房中的應用

陳文通 中國鐵路上海局集團有限公司杭州房建公寓段

交通強國，鐵路先行，伴隨著長三角地區鐵路基礎建設的不斷加碼，近幾年正式開通運營的新線、新站房數量日趨增多。鐵路站房作為典型的高大空間建筑，其屋面排水系統也越來越多采用虹吸排水系統，而房寓段作為房建專業的設備管理單位，承接了越來越多的鐵路站房的維修任務。為了確保后期車站開通運營期間屋面虹吸排水系統的便捷維修、運行可靠，實現車站運營期間的穩定和安全，房寓段必須提前介入該系統的設計，嚴格監督施工過程質量，主動配合完成后期竣工資料的移交。本文就虹吸排水在鐵路站房中的應用作一探討，希望能對鐵路房建專業有所幫助。

1 虹吸排水系統的概念和水流特點

虹吸排水系統是利用建筑物的自身高差位置勢能，克服管道的局部和沿程阻力，實現提高管道通水效率和快速排放屋面雨水的功能。鐵路車站屋面虹吸排水系統一般由壓力流雨水斗、連接管、懸吊管、立管、出戶管組成，如圖1所示，屋面雨水排放過程如圖2所示。

圖1 虹吸雨水系統組成部分

圖2 屋面雨水排放過程

在排水過程中，對于管道任一截面，水力學性質均能滿足經典伯努利方程：

根據圖1 可得，虹吸系統是通過設計使雨水懸吊管內壓力小于大氣壓，懸吊管形成負壓區狀態，管道中形成局部真空，大氣壓將屋面雨水擠入管道，從而產生懸吊管的抽吸作用；同時立管底部和末端出現正壓區，加速末端出流效果，系統整體產生虹吸效果。

利用虹吸原理須滿足三個條件:

（1）管道流態為滿管流

虹吸排水系統要形成虹吸現象，第一要素是虹吸雨水斗必需要有足夠的斗前水深；由于虹吸雨水斗特殊的制造工藝，使其具有氣水分離、防渦流的功能，可有效隔絕空氣的進入，當檐溝內雨水液面滿足斗前水深要求時，排水管內充滿雨水，形成封閉的空間，產生虹吸效應。經調查可得，每個廠家的雨水斗的排水量和高度均不相同，因此在設計階段就要求實現檐溝深度、寬度與虹吸雨水斗的完美配合。

（2）雨水斗與懸吊管安裝高度差值需滿足要求

當雨水斗出口與懸吊管高差過小時，會影響懸吊管虹吸的形成，當高差小于0.8 m 時，無法保證懸吊管內的虹吸形成。故懸吊管中心線與雨水斗出口應有一定的高差[1]，根據《建筑給水排水設計標準》（GB50015-2019）第5.2.3 條中規定，“懸吊管中心線與雨水斗出口的高差宜大于1.0 m”。

（3）系統整體高程差的應用

虹吸式屋面雨水排水系統是利用建筑物檐溝與地面的高程差值所產生的水頭，經過嚴格的計算來調節管道的配置，鋪以平衡管網壓力及流速，使管道中充滿水進而產生虹吸現象，最終實現快速排放屋面雨水的目的，其實質是一種多斗壓力流雨水排水系統，遵循經典伯努利方程。

根據收集資料可得，虹吸排水系統在形成的過程中分別依次形成波浪流、脈沖流、活塞流、泡沫流、滿管壓力流等五個階段，水流形成過程如圖3所示。

圖3 虹吸管道內水流各狀態

降雨初期階段，屋面檐溝內儲存水量未達到形成斗前水深要求的條件，即此時雨量不足以形成虹吸效應，因而初期降雨水量較小，雨水斗未能有效阻止空氣的進入，氣水逆向流動，管道內為波浪流和脈沖流，此時系統整體處于重力流排水狀態；當雨量逐步增加，同時斗前水深逐漸加大，摻氣量進而減少，形成活塞流或泡沫流，此時系統整體仍舊處于重力流排水狀態；待后期降雨強度大于末端管道的重力流排放能力時，屋面檐溝內水位不斷抬高至所需斗前水深要求時，整個系統均被水充滿，系統開始形成虹吸，迅速排放屋面雨水。

2 虹吸排水系統的優缺點

2.1 虹吸排水系統的優點

（1）單斗排水量大

相比于重力排水系統，虹吸雨水斗單斗排水量大的特點使鐵路站房屋面安裝的雨水斗數量大大減少，更加適宜鐵路站房屋面結構形式復雜、面積大的特點。

（2）管道通水效率高

虹吸式排水管道內為滿流狀態，重力式排水管道內為氣液混合狀態，前者泄流能力更強；因此在高鐵車站中采用虹吸排水系統時所需管道較少，管徑較小，安裝靈活，降低施工作業難度，可節省工程整體造價。

（3）懸吊管水平安裝

無需做坡度（但不能倒坡），布置靈活、施工方便，為鐵路車站提供更多的自由空間。

（4）自清潔能力

由于管道系統內雨水流速很快，雨水管道具有很強的自我清潔能力，管內不易結垢，便于后期維修管理。

（5）使用壽命長

虹吸雨水管常常采用如PE 管、HDPE 管、鑄鐵管、不銹鋼管、鍍鋅管等壽命較長的管材，正好匹配鐵路車站作為長久使用建筑的特點。

2.2 虹吸排水系統的缺點

（1）虹吸系統需要特制的雨水斗

單只雨水斗造價高于普通重力式雨水斗，后期更換維修費用較高。

（2）設備日常檢查維保難度大

虹吸雨水斗、管道損壞時若不及時更換，則系統隔阻空氣能力減弱，鄰近雨水斗負壓不易形成，管道內出現氣團狀態，破壞虹吸的能力，大大降低系統排水能力；同時系統具有“養兵千日、用兵一時”的性質，若等到發現系統未按虹吸狀態運行時，已對鐵路站房的使用積累了嚴重的安全隱患，因此會額外增加日常巡檢工作量。

（3）工程質量需嚴格把控

虹吸排水系統部分管道是處于負壓狀態，對負壓形成的前提條件要求較多；但在工程建設過程中破壞真空穩定形成的因素較廣，若系統一旦未形成有效的虹吸狀態，其排水能力驟減，進而影響系統的可靠性，危及建筑物的安全與穩定，因此需嚴控設計、施工、日常運營等各階段的工作質量。

（4）噪音問題

管道排水時，因為流速較大，會產生比較大的噪音，若管道未結合車站裝修設計或懸吊支架安裝不合格，會產生嚴重的噪音問題。

3 虹吸排水系統在鐵路站房中的應用注意事項

（1）嚴控管材質量

虹吸系統部分管道采用負壓形式，因此虹吸排水管道應能滿足在負壓狀態下保持足夠的剛度的要求，普通市面上的管材一般標稱的是正向壓力，管道負壓承載能力易被忽視。因此在設計階段應對管材的負壓承載力提出要求，在施工過程中必須出具供應商提供管材耐正壓和負壓的檢測報告，確保虹吸排水系統的安全，后期工程移交階段保存好各類資料，便于后期維保。

（2）嚴控施工質量

首先系統所需支、吊架與土建結構固定如果不牢固，由于雨水流動時虹吸系統產生的震動較大，這將會造成支、吊架的脫落，發現不及時可能會造成嚴重后果。其次，嚴格控制連接管的高度，若現場條件不允許做到雨水斗頂面與懸吊管中心高差1 m以上時，應控制好虹吸雨水口的負壓，設計應做好水力計算工作，施工應嚴格按照設計要求，保證連接管的高度。

（3）虹吸排水系統安全可靠性比重力流排水要小

近年來，惡劣極端的天氣頻頻出現，導致站房出現嚴重漏雨故障，影響旅客出行體驗，如紹興北站多次出現站房內漏雨現象，給鐵路形象帶來了負面影響。所以應提高對高鐵站房屋面排水重要性的認識，充分考慮系統運行的安全可靠性，在規范要求的基礎上（虹吸排水系統和溢水系統的總排水能力，不宜小于重現期50年、降雨歷時5 min時的設計雨水流量），增加重現期的年限，以避免出現雨水漫灌進站房的事件，特別是站房采用內檐溝結構的，更應考慮增加重現期年限。

（4）虹吸排水系統不適用于虹吸雨水口標高不在一個平面的屋面

雨水口標高不在同一水平面，會導致高位的虹吸雨水斗吸入空氣，破壞系統虹吸，當低位雨水口已滿足斗前水深要求，將形成虹吸狀態時，高位的雨水斗會將空氣帶入管道，嚴重影響系統的排水能力。

（5）管道的連接必須安全可靠

目前我局管內高鐵站房虹吸排水系統使用最多的是普通PE 管（如寧波站等站），普通PE 管受施工條件和連接形式的制約，其管道連接強度質量不易把控，在前期介入過程中，已多次發現采用這種材質及連接形式的管道出現施工質量問題，建議在高鐵站房中采用鋼絲網骨架PE 管，并采用電熔接頭，以保證施工質量。

（6）防止溢流口設計遺漏

重點強調溢流系統不得與虹吸系統共用。溢流系統往往采用重力流的方式，當與虹吸系統共用時，會占用虹吸系統的排水能力，阻礙系統的虹吸狀態的產生。根據調查可得，設計院在進行虹吸系統設計時常依賴于專業虹吸雨水公司，專業公司設計完成返回設計院進行會簽時可能漏掉溢流口。后期建設單位、施工單位、監理單位在進行圖紙會審工作時，應重點留意溢流設施是否到位，可避免后期二次施工對結構及防水層的破壞。

（7）選擇匹配合適的管件

為提高水流的水力條件，選用配件不得使用直角三通、直彎。管道在虹吸狀態下，流速較快，為提高水力條件，連接管與懸吊管的連接應采用45°的三通，懸吊管與立管、立管與排出管的連接應采用兩個45°的彎頭進行連接。其他有關管道的安裝注意事項可參照管道安裝的有關施工標準，本文不再贅述。

（8）應增加對管道負壓承載能力的試驗

《虹吸式屋面雨水排水系統技術規程》規定，在設計階段應對管道負壓進行了計算，但施工完成后，如何進行管道負壓承載力的驗收，未做出具體的規定，建議應按設計的雨水量，對虹吸系統進行模擬試驗，以確保實際運行工況與設計基本一致。

（9）日常清潔工作

雨水斗管徑小、屋面固體物多，且入水口裸露，很容易出現堵塞，因此必須做好維護管理。每年雨季到來之前或雨季期間，應重點做好屋面的清潔工作。

4 結束語

虹吸式雨水系統因其具有節省安裝空間、懸吊管無需坡度、管徑流量大等優點更適合于匯水面積大、結構跨度大的屋面排水系統，最大限度解決了站房大面積屋面雨水排放的困難，在整體建筑美觀、節約空間、施工便利等方面有著種種優勢；但我們也應看到虹吸排水系統的缺點，在實際站房中辯證地使用該技術，為鐵路建設帶來更好的經濟效益和社會效益。