1、 第6章 建筑屋面雨水排水系統6.2雨水內排水系統中的水氣流動規律6.2雨水內排水系統中的水氣流動規律6.2.1 單斗雨水系統 雨水從屋面流入雨水斗用管道輸送到雨水井或地面，其間沒有能量輸入，水體的這種流動通常稱為重力流動。屋面雨水進入雨水斗時，會挾帶一部分空氣進入雨水管道，所以，雨水管道中泄流的是水、氣兩種介質。 6.2雨水內排水系統中的水氣流動規律6.2.1 單斗雨水系統這些變化受到天溝距埋地管的位置高度H、天溝水深h、懸吊管的管徑、長度、坡度及立管管徑等諸多因素的影響。其變化規律是合理設計雨水排水系統的依據。 降雨歷時、匯水面積和天溝水深影響了雨水斗斗前的水面深度h，雨水斗斗前水面深度又

2、決定了進氣口的大小和進入雨水管道的相對空氣量的多少，進入雨水管道的相對空氣量的多少直接影響管道內的壓力波動和水流狀態，隨著雨水斗斗前水深h的不斷增加，輸水管道中會出現重力無壓流、重力半有壓流和壓力流（虹吸流）三種流態。 6.2雨水內排水系統中的水氣流動規律6.2.1 單斗雨水系統降雨開始后，降落到屋面的雨水沿屋面徑流到天溝，再沿天溝流到雨水斗。隨降雨歷時的延長，雨水斗斗前水深不斷增加，見圖6.2.1。圖6-6 雨水前水流狀態6.2雨水內排水系統中的水氣流動規律6.2.1 單斗雨水系統進氣口不斷減小，系統的泄流量Q、壓力P和摻氣比K隨之發生變化，見圖6-7。摻氣比是指進入雨水斗的空氣量與雨水量的

3、比值。圖6-76.2雨水內排水系統中的水氣流動規律6.2.1 單斗雨水系統 在初始階段，降雨剛剛開始，只有少部分匯水面積上的雨水匯集到雨水斗，天溝水深較淺。隨著匯水面積的增加，天溝水深增加較快，雨水斗泄流量也增加較快。但泄流量和水深的增長速度變緩。1. 初始階段（0ttA，1/3) 雨水斗和連接管按降雨歷時t，系統的泄流狀態可分為三個階段：降雨開始到摻氣比最大的初始階段（0ttA），摻氣比最大到摻氣比為零的過渡階段(tAttB）和不摻氣的飽和階段(t tB)。6.2雨水內排水系統中的水氣流動規律6.2.1 單斗雨水系統在這一階段，因天溝水深較淺，雨水斗大部分暴露在大氣中，雨水斗斗前水面穩定，進

4、氣面積大，而泄水量較小，所以摻氣比急劇上升，到tA時達到最大，見圖6-6.a.因泄水量較小，充水率1/3，雨水在連接管內呈附壁流或膜流，管中心空氣暢通，管內壓力很小且變化緩慢，約等于大氣壓力。 雨水由連接管進入懸吊管后，因泄水量較小，管內是充滿度很小（h/D0.37）的非滿流,呈現有自由水面的波浪流、脈動流、拉撥流,水面上的空氣經連接管和雨水斗與大氣自由流通，懸吊管內壓力變化很小。 懸吊管與立管6.2雨水內排水系統中的水氣流動規律6.2.1 單斗雨水系統 立管管徑與連接管管徑相同，立管內也是附壁水膜流。因立管內雨水流速大于懸吊管內的流速，雨水會挾帶一部分空氣向下流動，其空間會由經雨水斗、連接管

5、、懸吊管來的空氣來補充，所以，立管內壓力變化也很小。 因泄水量與懸吊管相同，排出管和埋地干管內的流態與懸吊管相似，也是充滿度很小有自由水面的波浪流、脈動流，系統內壓力變化很小。 埋地干管6.2雨水內排水系統中的水氣流動規律6.2.1 單斗雨水系統 由以上分析可以看出，單斗雨水系統的初始階段，雨水排水系統的泄流量小，管內氣流暢通，壓力穩定，雨水靠重力流動，是水氣兩相重力無壓流。 在過渡階段，隨著匯水面積增加，雨水斗斗前水深逐漸增加，因泄流量隨水深增加而加大，所以這個階段水深增加緩慢，近似呈線性關系。 2. 過渡階段（tAttB ，1/31） 雨水斗和連接管6.2雨水內排水系統中的水氣流動規律6.

6、2.1 單斗雨水系統 因泄流量逐漸增加，管內充水率增加，而管道斷面積固定不變，所以，泄流量的增長速率越來越小。因大氣壓力、地球引力和地球自轉切力的共同作用，當天溝的水深達到一定高度時，在雨水斗上方，會自然生成漏斗狀的立軸旋渦，雨水斗斗前水面波動大。見圖6-6b。 隨著雨水斗前水位的上升，漏斗逐漸變淺，旋渦逐漸收縮，雨水斗進氣面積和摻氣量逐漸減小，而泄流量增加，所以摻氣比急劇下降，到tB時摻氣比為零。因泄水量增加和摻氣量減少，管內頻繁形成水塞，出現負壓抽力，管內壓力增加較快。6.2雨水內排水系統中的水氣流動規律6.2.1 單斗雨水系統 連接管內頻繁形成水塞的氣水混合流進入懸吊管后流速減小，雨水與

7、挾帶的空氣充分混合，形成沒有自由水面的滿管氣泡流、滿管氣水乳化流，管內壓力波動大。 懸吊管與立管 懸吊管的水頭損失迅速增加，因可利用的水頭幾乎不變，所以，管內負壓不斷增大。由單斗雨水系統壓力實測資料可得單斗雨水排水系統管內壓力分布示意圖。見圖6-8。6.2雨水內排水系統中的水氣流動規律6.2.1 單斗雨水系統 從中可以得出，懸吊管起端呈正壓，懸吊管末端和立管的上部呈負壓，在懸吊管末端與立管連接處負壓最大。 上部形成負壓圖6-8 單斗系統管內壓力分布示意圖 下部形成正壓6.2雨水內排水系統中的水氣流動規律6.2.1 單斗雨水系統 氣水混合物流入立管后，由橫向流動變成豎向流動，流速增加，但不足部分

8、不能由空氣來補充。 為達到平衡，抽吸懸吊管內的水流，水氣紊流混合。形成水塞流、氣泡流、氣水乳化流。 隨著水流沿立管向下流動，可利用的水頭迅速增加，立管內的負壓值迅速減小，至某一高度時壓力為零。再向下管內壓力為正，壓力變化曲線近似呈線性關系，其斜率隨泄流量增加而減小，零壓點隨泄流量增加而上移，滿流時零壓點的位置最高。 高速挾氣水流進入密閉系統的埋地管后，流速急驟減小，其動能大部分用于克服水流沿程阻力、轉變為水壅，形成水躍，水流波動劇烈，是使立管下半部產生正壓的主要原因。水中挾帶的氣體隨水流向前運動的同時，受浮力作用作垂直運動擾動水流，使水流摻氣現象激烈，形成滿管的氣水乳化流，導致水流阻力和能量損

9、失增加。6.2雨水內排水系統中的水氣流動規律6.2.1 單斗雨水系統 埋地干管 因橫干管內的流速比立管流速小，水氣在立管下部進行劇烈的能量交換，水氣完全混合，所以立管底部正壓力達到最大值。6.2雨水內排水系統中的水氣流動規律6.2.1 單斗雨水系統 水流在埋地橫管內向前流動過程中，水中氣泡的能量減小，逐漸從水中分離出來，聚積在管道斷面上部形成氣室，并具有壓力作用在管道內雨水液面上。 雖然氣室占據了一定的管道斷面積，使管道過水斷面減小，但同時有壓力作用在水面上，水力坡度不再僅是管道坡度一項，還有液面壓力產生的水力坡度，這又增加了埋地管的排水能力。6.2雨水內排水系統中的水氣流動規律6.2.1 單

10、斗雨水系統 對于敞開式內排水系統，立管或排出管中的高速水流沖入檢查井，流速驟減，動能轉化成位能，使檢查井內水位上升。同時，挾氣水流在檢查井內上下翻滾，使井內水流旋轉紊亂，阻擾水流進人下游埋地管。水中挾帶的氣體與水分離，在井內產生壓力。在埋地管起端，因管徑小，檢查井內的雨水極易從井口冒出，造成危害。 由以上分析可以看出，單斗雨水系統的過渡階段的泄流量較大，管內氣流不暢通，管內壓力不穩定，變化大，雨水靠重力和負壓抽吸流動，是水氣兩相重力半有壓流。6.2雨水內排水系統中的水氣流動規律6.2.1 單斗雨水系統 到達tB時刻，變成飽和階段。這時天溝水深淹沒雨水斗，雨水斗上的漏斗和旋渦消失，見圖6-6c。

11、3. 飽和階段（t tB，1） 雨水斗和連接管 不摻氣，管內滿流。因雨水斗安裝高度不變，天溝水深增加所產生的水頭不足以克服因流量增加在管壁上產生的摩擦阻力，泄流量達到最大，基本不再增加。所以天溝水深急劇上升，泄水主要靠負壓抽力，所以雨水斗和連接管內為負壓。6.2雨水內排水系統中的水氣流動規律6.2.1 單斗雨水系統 因雨水斗完全淹沒不進氣，所以懸吊管、立管和埋地橫干管內都是水單相流，受位能和系統管路壓力損失的制約，懸吊管起端管內壓力可能是負壓也可能是正壓。 懸吊管與立管 隨懸吊管的延伸,管內壓力逐漸減小，負壓值增大，至懸吊管與立管的連接處負壓值最大，形成虹吸。立管內的壓力變化規律與過渡階段末端

12、相似，由負壓逐漸增加到正壓。在立管與埋地管連接處達到最大正壓。6.2雨水內排水系統中的水氣流動規律6.2.1 單斗雨水系統 雨水進入埋地干管向前流動過程中，水頭損失不斷增加，而可利用水頭H不變，所以，埋地干管正壓值逐漸減少，至室外雨水檢查井處壓力減為零，從屋面雨水斗斗前的進水水面至埋地干管排出口的總高度差，即有效作用水頭H，全部用盡。 埋地干管 由以上分析可以看出，單斗雨水系統飽和階段的雨水斗完全淹沒，不摻氣，管內滿流不摻氣，雨水排水系統的泄流量達到最大，雨水主要靠負壓抽吸流動，是水單相壓力流。6.2雨水內排水系統中的水氣流動規律6.2.1 單斗雨水系統 通過以上對單斗雨水排水系統各個組成部分

13、的水流狀態、壓力變化規律和泄水量大小的分析，壓力流狀態下系統的泄流量最大，重力流時泄流量最小。在重力半有壓流和壓力流狀態下，雨水排水系統的泄水能力取決于天溝位置高度、天溝水深、管道摩阻及雨水斗的局部阻力，其中主要取決于天溝位置高度。 雨水斗離排出管的垂直距離越大，產生的抽力越大，泄水能力也就越大。系統最大負壓在懸吊管與立管的連接處，最大正壓在立管與埋地橫干管的連接處。6.2雨水內排水系統中的水氣流動規律6.2.2 多斗雨水排水系統 一根懸吊管上連接2個或2個以上雨水斗的雨水排水系統為多斗雨水系統，這些雨水斗都與大氣相通，當雨水斗斗前水深較淺時，從連接管落入懸吊管的雨水，產生向下沖擊力，在連接管

14、與懸吊管的連接處，水流呈八字形，向上游產生回水壅高，對上游雨水的排放產生阻隔和干擾作用，使上游雨水斗的泄水能力減小。 1. 初始和過渡階段6.2.2 多斗雨水排水系統6.2雨水內排水系統中的水氣流動規律6.2.2 多斗雨水排水系統在初始和過渡階段，多斗雨水系統中雨水斗之間相互干擾的大小與懸吊管上雨水斗的個數、互相之間的間距及雨水斗離排水立管的遠近有關。即使每個雨水斗的直徑和匯水面積都相同，其泄流量也是不同的。 回水線長度與管徑、坡度、泄流量及管內壓力有關。初始階段泄流量小，管內空氣流通，氣壓穩定，回水線長，隨泄流量的增加，管內產生負壓抽吸，雨水在重力半有壓流狀態下流動時，則回水線縮短。 6.2

15、雨水內排水系統中的水氣流動規律6.2.2 多斗雨水排水系統圖6-9 多斗系統雨水泄流規律圖6-9是立管高度為4.2m，天溝水深為40mm時多斗雨水排水系統泄流量的實測資料，圖中數據為泄流量，單位為Ls。6.2雨水內排水系統中的水氣流動規律6.2.2 多斗雨水排水系統 由圖中的數據可以看出，離立管近的雨水斗泄水能力大；離立管遠，則泄水能力小。這是因為沿水流方向懸吊管內的負壓值逐漸增大，離立管近的雨水斗受到的負壓抽吸作用大，由雨水斗流到立管的水頭損失小，所以泄流能力大；而離立管遠的雨水斗受到的負壓抽吸作用小，且排水流程長，水流阻力大，還受到近立管處的雨水斗排泄流量的阻擋和干擾，泄流能力小。 因離立

16、管遠的雨水斗泄水能力小，該雨水斗處天溝水位上升快，雨水斗可能淹沒。為防止屋頂溢水，天溝水深不可能無限增高，所以近立管雨水斗不可能淹沒。這樣近立管雨水斗泄水時總要摻氣，立管內呈水氣兩相流。6.2雨水內排水系統中的水氣流動規律6.2.2 多斗雨水排水系統 在設兩個雨水斗，且近立管雨水斗至立管距離相等的情況下（圖6-9中的b、c、d、e），總泄流量基本相同。隨著2個雨水斗間距的增加，近立管雨水斗泄流量逐漸增加，遠離立管雨水斗泄流量逐漸減小，但變化幅度不大。當兩個雨水斗間距相同(圖6-9中的a和c)，距離立管不同時，兩個雨水斗泄流量的比值基本相同(18.99.052.09，21.6210.302.10

17、)。但兩種情況總泄流量不同，離立管越近，總泄流量越大。 6.2雨水內排水系統中的水氣流動規律6.2.2 多斗雨水排水系統 若1根懸吊管上連接5個雨水斗時（圖6-9中的f），各個雨水斗泄流量變化很大。離立管越遠，泄流量越小，5個雨水斗泄流量之比為1152280196。距離立管最近的兩個雨水斗泄流量之和已占總泄流量的87.8，第3個及其以后的雨水斗形同虛設。比較圖6-9中的b與f兩種情況還可以看出，近立管雨水斗泄流量和總泄流量基本相同，f中其余4個雨水斗泄流量之和(11.82Ls)比b中離立管較遠的一個雨水斗的泄流量(12Ls)還小。6.2雨水內排水系統中的水氣流動規律6.2.2 多斗雨水排水系統 重力半有壓流的多斗雨水排水系統中，一根懸吊管連接的雨水斗不宜過多，雨水斗之間的距離不宜過大，雨水斗應盡量靠近立管。 在飽和階段，多斗雨水排水系統的每個雨水斗都被淹沒，空氣不會進入系統，系統內為水一相流，懸吊管和立管