1、回到本章目录回到总目录 第6章 建筑屋面雨水排水系统 6.2雨水内排水系统中的水气流动规律雨水内排水系统中的水气流动规律 回到本章目录回到总目录 6.2雨水内排水系统中的水气流动规律 6.2.1 单斗雨水系统 雨水从屋面流入雨水斗用管道输送到雨水井或地面， 其间没有能量输入，水体的这种流动通常称为重力流动重力流动。 屋面雨水进入雨水斗时，会挟带一部分空气进入雨水 管道，所以，雨水管道中泄流的是水水、气气两种介质。 回到本章目录回到总目录 6.2雨水内排水系统中的水气流动规律 6.2.1 单斗雨水系统 这些变化受到天沟距埋地管的位置高度位置高度H、天沟水深天沟水深h、悬吊管悬吊管 的管径的管径、
2、长度长度、坡度坡度及立管管径立管管径等诸多因素的影响。其变化规律是 合理设计雨水排水系统的依据。 降雨历时、汇水面积降雨历时、汇水面积和天沟水深天沟水深影响了雨水斗斗前的水面深度 h，雨水斗斗前水面深度又决定了进气口的大小和进入雨水管道的 相对空气量的多少，进入雨水管道的相对空气量的多少直接影响管 道内的压力波动和水流状态，随着雨水斗斗前水深h的不断增加， 输水管道中会出现重力无压流重力无压流、重力半有压流重力半有压流和压力流（虹吸流）压力流（虹吸流） 三种流态。 回到本章目录回到总目录 6.2雨水内排水系统中的水气流动规律 6.2.1 单斗雨水系统 降雨开始后，降落到屋面的雨水沿屋面径流到天
3、沟，再沿天沟流 到雨水斗。随降雨历时的延长，雨水斗斗前水深不断增加，见图6.2.1。 图6-6“” 雨 雨水斗前水流状态 图6-6 雨水前水流状态 回到本章目录回到总目录 6.2雨水内排水系统中的水气流动规律 6.2.1 单斗雨水系统 进气口不断减小，系 统的泄流量Q、压力P和掺 气比K随之发生变化，见 图6-7。 掺气比是指进入雨水 斗的空气量与雨水量的比 值。 图6-7图6-7 回到本章目录回到总目录 6.2雨水内排水系统中的水气流动规律 6.2.1 单斗雨水系统 在初始阶段，降雨刚刚开始，只有少部分汇水面积上的雨水汇 集到雨水斗，天沟水深较浅。随着汇水面积的增加，天沟水深增加较 快，雨水
4、斗泄流量也增加较快。但泄流量和水深的增长速度变缓。 雨水斗和连接管雨水斗和连接管 按降雨历时t，系统的泄流状态可分为三个阶段：降雨开始到掺气降雨开始到掺气 比最大的初始阶段比最大的初始阶段（0ttA），掺气比最大到掺气比为零的过渡阶段掺气比最大到掺气比为零的过渡阶段 (tAttB）和不掺气的饱和阶段不掺气的饱和阶段(t tB)。 回到本章目录回到总目录 6.2雨水内排水系统中的水气流动规律 6.2.1 单斗雨水系统 在这一阶段，因天沟水深较浅，雨水斗大部分暴露在大气中，雨 水斗斗前水面稳定，进气面积大，而泄水量较小，所以掺气比急剧上 升，到tA时达到最大，见图6-6.a.因泄水量较小，充水率1
5、/3，雨水 在连接管内呈附壁流或膜流，管中心空气畅通，管内压力很小且变化 缓慢，约等于大气压力。 雨水由连接管进入悬吊管后，因泄水量较小，管内是充满度很小 （h/D0.37）的非满流,呈现有自由水面的波浪流、脉动流、拉拨流,水 面上的空气经连接管和雨水斗与大气自由流通，悬吊管内压力变化很 小。 悬吊管与立管悬吊管与立管 回到本章目录回到总目录 6.2雨水内排水系统中的水气流动规律 6.2.1 单斗雨水系统 立管管径与连接管管径相同，立管内也是附壁水膜流。因 立管内雨水流速大于悬吊管内的流速，雨水会挟带一部分空气 向下流动，其空间会由经雨水斗、连接管、悬吊管来的空气来 补充，所以，立管内压力变化
6、也很小。 因泄水量与悬吊管相同，排出管和埋地干管内的流态与悬 吊管相似，也是充满度很小有自由水面的波浪流、脉动流，系 统内压力变化很小。 埋地干管埋地干管 回到本章目录回到总目录 6.2雨水内排水系统中的水气流动规律 6.2.1 单斗雨水系统 由以上分析可以看出，单斗雨水系统的初始阶段，雨水排水系 统的泄流量小，管内气流畅通，压力稳定，雨水靠重力流动，是水 气两相重力无压流。 在过渡阶段，随着汇水面积增加，雨水斗斗前水深逐渐增加， 因泄流量随水深增加而加大，所以这个阶段水深增加缓慢，近似呈 线性关系。 雨水斗和连接管雨水斗和连接管 回到本章目录回到总目录 6.2雨水内排水系统中的水气流动规律
7、6.2.1 单斗雨水系统 因泄流量逐渐增加，管内充水率增加，而管道断面积固定不变， 所以，泄流量的增长速率越来越小。因大气压力、地球引力和地球自 转切力的共同作用，当天沟的水深达到一定高度时，在雨水斗上方， 会自然生成漏斗状的立轴旋涡，雨水斗斗前水面波动大。见图6-6b。 随着雨水斗前水位的上升，漏斗逐渐变浅，旋涡逐渐收缩，雨水 斗进气面积和掺气量逐渐减小，而泄流量增加，所以掺气比急剧下降， 到tB时掺气比为零。因泄水量增加和掺气量减少，管内频繁形成水塞， 出现负压抽力，管内压力增加较快。 回到本章目录回到总目录 6.2雨水内排水系统中的水气流动规律 6.2.1 单斗雨水系统 连接管内频繁形成
8、水塞的气水混合流进入悬吊管后流速减小， 雨水与挟带的空气充分混合，形成没有自由水面的满管气泡流、 满管气水乳化流，管内压力波动大。 悬吊管与立管悬吊管与立管 悬吊管的水头损失迅速增加，因可利用的水头几乎不变，所 以，管内负压不断增大。由单斗雨水系统压力实测资料可得单斗 雨水排水系统管内压力分布示意图。见图6-8。 回到本章目录回到总目录 6.2雨水内排水系统中的水气流动规律 6.2.1 单斗雨水系统 从中可以得出， 悬吊管起端呈正压， 悬吊管末端和立管的 上部呈负压，在悬吊 管末端与立管连接处 负压最大。 上部形成负压上部形成负压 图6-8 单斗系统管内压力分布示意图 下部形成正压下部形成正压
9、 回到本章目录回到总目录 6.2雨水内排水系统中的水气流动规律 6.2.1 单斗雨水系统 气水混合物流入立管后，由横向流动变成竖向流动，流速增 加，但不足部分不能由空气来补充。 为达到平衡，抽吸悬吊管内的水流，水气紊流混合。形成水 塞流、气泡流、气水乳化流。 随着水流沿立管向下流动，可利用的水头迅速增加，立管内 的负压值迅速减小，至某一高度时压力为零。再向下管内压力为 正，压力变化曲线近似呈线性关系，其斜率随泄流量增加而减小， 零压点随泄流量增加而上移，满流时零压点的位置最高。 回到本章目录回到总目录 高速挟气水流进入密闭系统的埋地管后，流速急骤减小，其 动能大部分用于克服水流沿程阻力、转变为
10、水壅，形成水跃，水 流波动剧烈，是使立管下半部产生正压的主要原因。水中挟带的 气体随水流向前运动的同时，受浮力作用作垂直运动扰动水流， 使水流掺气现象激烈，形成满管的气水乳化流，导致水流阻力和 能量损失增加。 6.2雨水内排水系统中的水气流动规律 6.2.1 单斗雨水系统 埋地干管埋地干管 因横干管内的流速比立管流速小，水气在立管下部进行剧烈的 能量交换，水气完全混合，所以立管底部正压力达到最大值。 回到本章目录回到总目录 6.2雨水内排水系统中的水气流动规律 6.2.1 单斗雨水系统 水流在埋地横管内向前流动过程中，水中气泡的能量减小， 逐渐从水中分离出来，聚积在管道断面上部形成气室，并具有
11、压 力作用在管道内雨水液面上。 虽然气室占据了一定的管道断面积，使管道过水断面减小， 但同时有压力作用在水面上，水力坡度不再仅是管道坡度一项， 还有液面压力产生的水力坡度，这又增加了埋地管的排水能力。 回到本章目录回到总目录 6.2雨水内排水系统中的水气流动规律 6.2.1 单斗雨水系统 对于敞开式内排水系统，立管或排出管中的高速水流冲入检 查井，流速骤减，动能转化成位能，使检查井内水位上升。同时， 挟气水流在检查井内上下翻滚，使井内水流旋转紊乱，阻扰水流 进人下游埋地管。水中挟带的气体与水分离，在井内产生压力。 在埋地管起端，因管径小，检查井内的雨水极易从井口冒出，造 成危害。 由以上分析可
12、以看出，单斗雨水系统的过渡阶段的泄流量较大， 管内气流不畅通，管内压力不稳定，变化大，雨水靠重力和负压 抽吸流动，是水气两相重力半有压流。 回到本章目录回到总目录 6.2雨水内排水系统中的水气流动规律 6.2.1 单斗雨水系统 到达tB时刻，变成饱和阶段。这时天沟水深淹没雨水斗，雨水 斗上的漏斗和旋涡消失，见图6-6c。 雨水斗和连接管雨水斗和连接管 不掺气，管内满流。因雨水斗安装高度不变，天沟水深增加所 产生的水头不足以克服因流量增加在管壁上产生的摩擦阻力，泄 流量达到最大，基本不再增加。所以天沟水深急剧上升，泄水主 要靠负压抽力，所以雨水斗和连接管内为负压。 回到本章目录回到总目录 6.2
13、雨水内排水系统中的水气流动规律 6.2.1 单斗雨水系统 因雨水斗完全淹没不进气，所以悬吊管、立管和埋地横干管 内都是水单相流，受位能和系统管路压力损失的制约，悬吊管起 端管内压力可能是负压也可能是正压。 悬吊管与立管悬吊管与立管 随悬吊管的延伸,管内压力逐渐减小，负压值增大，至悬吊管 与立管的连接处负压值最大，形成虹吸。立管内的压力变化规律 与过渡阶段末端相似，由负压逐渐增加到正压。在立管与埋地管 连接处达到最大正压。 回到本章目录回到总目录 6.2雨水内排水系统中的水气流动规律 6.2.1 单斗雨水系统 雨水进入埋地干管向前流动过程中，水头损失不断增加，而 可利用水头H不变，所以，埋地干管
14、正压值逐渐减少，至室外雨 水检查井处压力减为零，从屋面雨水斗斗前的进水水面至埋地干 管排出口的总高度差，即有效作用水头H，全部用尽。 埋地干管埋地干管 由以上分析可以看出，单斗雨水系统饱和阶段的雨水斗完全 淹没，不掺气，管内满流不掺气，雨水排水系统的泄流量达到最 大，雨水主要靠负压抽吸流动，是水单相压力流。 回到本章目录回到总目录 6.2雨水内排水系统中的水气流动规律 6.2.1 单斗雨水系统 通过以上对单斗雨水排水系统各个组成部分的水流状态、 压力变化规律和泄水量大小的分析，压力流状态下系统的泄流 量最大，重力流时泄流量最小。在重力半有压流和压力流状态 下，雨水排水系统的泄水能力取决于天沟位
15、置高度、天沟水深、 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天沟位置高度。 雨水斗离排出管的垂直距离越大，产生的抽力越大，泄水能 力也就越大。系统最大负压在悬吊管与立管的连接处，最大正压 在立管与埋地横干管的连接处。 回到本章目录回到总目录 6.2雨水内排水系统中的水气流动规律 6.2.2 多斗雨水排水系统 一根悬吊管上连接2个或2个以上雨水斗的雨水排水系统 为多斗雨水系统，这些雨水斗都与大气相通，当雨水斗斗 前水深较浅时，从连接管落入悬吊管的雨水，产生向下冲 击力，在连接管与悬吊管的连接处，水流呈八字形，向上 游产生回水壅高，对上游雨水的排放产生阻隔和干扰作用， 使上游雨水斗的
16、泄水能力减小。 6.2.2 6.2.2 多斗雨水排水系统多斗雨水排水系统 回到本章目录回到总目录 6.2雨水内排水系统中的水气流动规律 6.2.2 多斗雨水排水系统 在初始和过渡阶段，多斗雨水系统中雨水斗之间相互干 扰的大小与悬吊管上雨水斗的个数、互相之间的间距及雨水 斗离排水立管的远近有关。即使每个雨水斗的直径和汇水面 积都相同，其泄流量也是不同的。 回水线长度与管径、坡度、泄流量及管内压力有关。初 始阶段泄流量小，管内空气流通，气压稳定，回水线长，随 泄流量的增加，管内产生负压抽吸，雨水在重力半有压流状 态下流动时，则回水线缩短。 回到本章目录回到总目录 6.2雨水内排水系统中的水气流动规
17、律 6.2.2 多斗雨水排水系统 图6-9 多斗系统雨水泄流规律 图6-9是立管 高度为4.2m，天 沟水深为40mm时 多斗雨水排水系 统泄流量的实测 资料，图中数据 为泄流量，单位 为Ls。 回到本章目录回到总目录 6.2雨水内排水系统中的水气流动规律 6.2.2 多斗雨水排水系统 由图中的数据可以看出，离立管近的雨水斗泄水能力大；离立 管远，则泄水能力小。这是因为沿水流方向悬吊管内的负压值逐渐 增大，离立管近的雨水斗受到的负压抽吸作用大，由雨水斗流到立 管的水头损失小，所以泄流能力大；而离立管远的雨水斗受到的负 压抽吸作用小，且排水流程长，水流阻力大，还受到近立管处的雨 水斗排泄流量的阻
18、挡和干扰，泄流能力小。 因离立管远的雨水斗泄水能力小，该雨水斗处天沟水位上升快， 雨水斗可能淹没。为防止屋顶溢水，天沟水深不可能无限增高，所 以近立管雨水斗不可能淹没。这样近立管雨水斗泄水时总要掺气， 立管内呈水气两相流。 回到本章目录回到总目录 6.2雨水内排水系统中的水气流动规律 6.2.2 多斗雨水排水系统 在设两个雨水斗，且近立管雨水斗至立管距离相等的情况下（图6- 9中的b、c、d、e），总泄流量基本相同。随着2个雨水斗间距的增加， 近立管雨水斗泄流量逐渐增加，远离立管雨水斗泄流量逐渐减小，但变 化幅度不大。 当两个雨水斗间距相同(图6-9中的a和c)，距离立管不同时，两个雨水 斗泄
19、流量的比值基本相同(18.99.052.09，21.6210.302.10)。但 两种情况总泄流量不同，离立管越近，总泄流量越大。 回到本章目录回到总目录 6.2雨水内排水系统中的水气流动规律 6.2.2 多斗雨水排水系统 若1根悬吊管上连接5个雨水斗时（图6-9中的f），各个雨水斗泄 流量变化很大。离立管越远，泄流量越小，5个雨水斗泄流量之比为1 152280196。距离立管最近的两个雨水斗泄流量之和已占总 泄流量的87.8，第3个及其以后的雨水斗形同虚设。 比较图6-9中的b与f两种情况还可以看出，近立管雨水斗泄流量和 总泄流量基本相同，f中其余4个雨水斗泄流量之和(11.82Ls)比b中
20、离 立管较远的一个雨水斗的泄流量(12Ls)还小。 回到本章目录回到总目录 6.2雨水内排水系统中的水气流动规律 6.2.2 多斗雨水排水系统 重力半有压流的多斗雨水排水系统中，一根悬吊管连接的雨 水斗不宜过多，雨水斗之间的距离不宜过大，雨水斗应尽量靠 近立管。 在饱和阶段，多斗雨水排水系统的每个雨水斗都被淹没，空气 不会进入系统，系统内为水一相流，悬吊管和立管上部负压值达到 最大，抽吸作用大，下游雨水斗的泄流不会向上游回水，对上游雨 水斗排水产生的阻隔和干扰很小，各雨水斗得泄流量相差不多。 通过以上分析，可以得出下列结论： 回到本章目录回到总目录 6.2雨水内排水系统中的水气流动规律 6.2.2 多斗雨水排水系统 系统内水流速度大，泄流量远大于初始和过渡阶段的重力流 和重力半有压流。 下游某雨水斗到悬吊管的距离小于上游雨水斗到 这一点的距离，为保持该处压力平衡，应增加下游雨 水斗到悬吊管的水头损失。 因悬吊管和立管上部负压值很大，为保证安全，为保证安全， 防止管道损坏，应选用铸铁管或承压塑料管。防止管道损坏，应选用铸铁管或承压塑料管。 回到本章目录回到总目录 6.3 6.3 雨水排水系统的水力计算雨水排水系统的水力计算
