張 勤 曹文飛

在建筑生活排水系統(tǒng)中,水封的存在舉足輕重,直接關(guān)系到整個排水系統(tǒng)的安全。然而,由于設(shè)計、施工和管理等環(huán)節(jié)的疏忽,水封破壞的現(xiàn)象時有發(fā)生,嚴(yán)重影響了人們的生活。下面從水封外在和內(nèi)在兩個方面的因素來分析水封破壞的原因,并提出相應(yīng)的應(yīng)對措施。

1 排水管道內(nèi)的氣壓動態(tài)變化是水封破壞的主要外因

1.1 排水立管內(nèi)流態(tài)及氣壓動態(tài)變化對水封破壞的影響

對于單一橫支管排水,立管上端開口通大氣,立管下端經(jīng)排出橫干管接室外檢查井的情況下,排水橫支管內(nèi)的污水當(dāng)進(jìn)入立管時會攜帶一部分氣體隨水流一起豎直下落,若不能及時補(bǔ)充帶走的氣體,立管的上部便會出現(xiàn)負(fù)壓。由于流速在立管內(nèi)是越來越大的,由能量守恒定律可知,立管頂部的負(fù)壓值為整個排水過程的最大負(fù)壓值,如圖1所示[2,3]。

最大負(fù)壓值的負(fù)壓抽吸作用一旦超出了水封承受的負(fù)壓極限就造成了水封的破壞。最大負(fù)壓值的大小與排水橫支管接入立管處的水舌阻力系數(shù)和立管中水流速度有密切關(guān)系,想方設(shè)法減小水舌阻力系數(shù)和實(shí)現(xiàn)立管水流的增阻消能對于保護(hù)水封安全和增加立管的通水能力有十分重要的工程意義。

在單立管排水系統(tǒng)中,立管負(fù)壓越來越小直至正壓產(chǎn)生并在立管底部出現(xiàn)最大正壓值,形成對靠近立管底部的基層衛(wèi)生器具水封的正壓噴濺作用,當(dāng)最大正壓值形成的氣阻壓力超出水封高度時,水封便被破壞了。

1.2 排水橫管內(nèi)流態(tài)及氣壓動態(tài)變化對水封破壞的影響

污水由豎直下落進(jìn)入橫管后,橫管中的水流狀態(tài)可分為急流段、水躍段及躍后段、逐漸衰減段。急流段水流速度大,水深較淺,沖刷能力強(qiáng)。急流段末端由于管壁阻力,水流速度減小,水深增加形成水躍。在水流繼續(xù)向前流動的過程中,由于管壁阻力,能量逐漸減小,水深隨之減小,趨于均勻流,如圖2所示[3]。

橫干管水躍的產(chǎn)生是室內(nèi)排水系統(tǒng)壓力動態(tài)變化的關(guān)鍵原因。之所以在立管與橫干管連接處發(fā)生水躍,是因為立管中的流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水平管的流速,立管底部的水流動能便遠(yuǎn)大于橫干管的動能,為消耗立管和橫干管內(nèi)水流的動能差,勢必會在橫干管中產(chǎn)生水躍。水躍是多余能量的外在表現(xiàn)形式,這一現(xiàn)象主要影響底層排水橫支管衛(wèi)生器具的水封破壞。

2 水封裝置自身性能是影響水封破壞的內(nèi)因

2.1 水封深度與水封破壞

《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》[4]4.5.9條規(guī)定:“帶水封的地漏水封深度不得小于50 mm。”水封深度除了支付管道氣壓變化引起的動態(tài)損失外,余下的水封高度還要足以支付蒸發(fā)損失、毛細(xì)作用等靜態(tài)損失。一般認(rèn)為,負(fù)壓作用或正壓作用后水封裝置中剩余的水封深度至少要有20 mm～25 mm才能夠支付這類其他損失,否則視為水封破壞。水封作用機(jī)理應(yīng)被看作一系列的動態(tài)變化過程,原始狀態(tài)為50 mm深度的水封在經(jīng)歷最大負(fù)壓值的負(fù)壓抽吸后,水封恢復(fù),此時的水封剩余深度在經(jīng)歷最不利正壓作用穿透至水封再次恢復(fù)后,能否支付其他的靜態(tài)損失就不得而知了。負(fù)壓抽吸后的水封剩余深度與水封的形式有密切關(guān)系,水封形式具體體現(xiàn)為水封出水端與進(jìn)水端過水?dāng)嗝婷娣e比,我們將這一比值定義為水封抗壓能力(水封強(qiáng)度)。

2.2 水封抗壓能力與水封破壞

趙世明先生曾對水封抗壓能力作了詳細(xì)的介紹和研究,并推導(dǎo)出在負(fù)壓抽吸作用下水封抗壓能力與剩余水封深度的數(shù)學(xué)表達(dá)式[5]:h=h0-P/(n+1)。其中,h為負(fù)壓抽吸作用后的剩余水封剩余深度,mm;h0為原始水封深度,mm;P為水封出水端水面上作用的負(fù)壓值,mm H2O;n為水封抗壓能力(即出水端與進(jìn)水端過水?dāng)嗝婷娣e比)。

分析可知,n(即水封抗壓能力)與剩余水封深度成正比,n越大剩余水封深度越大,即負(fù)壓作用損失的水封深度越小,水封就越安全;n越小剩余水封深度越小。這一關(guān)系同樣適用于正壓作用。

3 防止水封破壞的應(yīng)對措施

3.1 加強(qiáng)通氣

在實(shí)際應(yīng)用中,要尤其注重專用通氣立管的設(shè)置。專用通氣立管在通氣系統(tǒng)中屬于中級標(biāo)準(zhǔn)。建筑標(biāo)準(zhǔn)要求較高的多層住宅和公共建筑、10層及10層以上的高層建筑的生活污水立管應(yīng)設(shè)置專用的通氣立管。設(shè)置專用通氣立管后,向負(fù)壓區(qū)補(bǔ)充的空氣不經(jīng)過水舌,水舌阻力系數(shù)趨向于0,立管內(nèi)的最大負(fù)壓值減小。

長期的使用經(jīng)驗表明,設(shè)置專用通氣立管的排水系統(tǒng)對防止有害氣體和臭味內(nèi)逸效果明顯。排水立管隔層通過H管與專用通氣立管連接,立管管道內(nèi)的空氣及時地得到補(bǔ)充,對立管內(nèi)空氣起到平衡作用,在減小負(fù)壓的同時,也減小立管底部的最大正壓值,減輕其對底層衛(wèi)生器具的噴濺作用,使得水封免受破壞。

3.2 合理布置排水橫干管

1)注重底層排水支管與排水橫干管的連接設(shè)計。現(xiàn)代建筑排水立管數(shù)量多、高度大、立管水流速度大,會在立管底部管道內(nèi)因氣、水沖擊產(chǎn)生較大的正壓。在設(shè)計中要嚴(yán)格執(zhí)行現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的“排水支管連接至排出管或排水橫干管上時,連接點(diǎn)距立管底部下游水平距離不宜小于3.0 m,且不得小于1.5 m”,當(dāng)不能滿足此要求時,排水底層排水橫支管應(yīng)單獨(dú)排出或匯合后單獨(dú)排出。2)避免排出管淹沒出流。在地下水較豐富的地區(qū),易出現(xiàn)糞水井、污水井等檢查井內(nèi)水位偏高現(xiàn)象,若井內(nèi)水位高于排出管管底標(biāo)高,則會造成淹沒出流,不利于排水和通氣,因此排出管不宜埋設(shè)過深。一旦出現(xiàn)排出管淹沒出流的情況,應(yīng)采取必要的通氣系統(tǒng),使排出管及時通氣。

3.3 選取合理的存水彎形式

在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)選取水封抗壓能力大的存水彎。市場上存在各種類型的存水彎,比較常見的有碗式存水彎、機(jī)械式存水彎、瓶式存水彎、筒式存水彎和管式存水彎等。其中,碗式存水彎抗壓能力小于1,應(yīng)嚴(yán)禁使用。推薦使用P形管式存水彎,它的水封抗壓能力大于1,且具有良好的水力條件,不易堵塞和蒸發(fā),配合器具通氣管使用效果更好。

4 結(jié)語

水封的破壞因素是多方面的,本文從外因和內(nèi)因兩個方面加以著重分析,并提出了相應(yīng)的解決對策。排水管道的氣壓動態(tài)變化對水封的影響在外因中起著主要作用,對此提出了加強(qiáng)通氣和合理布置橫干管的對策;水封深度和水封抗壓能力是水封破壞的內(nèi)因,對此除了嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范不低于50 mm水封深度界限的規(guī)定,還應(yīng)重視水封抗壓能力對水封作用的影響,建議在實(shí)際工程中選用水封抗壓能力大于1的P形存水彎。

[1] CECS 172-2004,排水系統(tǒng)水封保護(hù)設(shè)計規(guī)程[S].

[2] 樊建軍,梅 勝,何 芳.建筑給水排水及消防工程[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

[3] 王增長.建筑給水排水工程[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

[4] GB 50015-2003,建筑給水排水設(shè)計規(guī)范[S].

[5] 趙世明.水封的抗壓能力[A].全國建筑給水排水委員會排水分會第二屆第二次學(xué)術(shù)交流會[C].2009.