康 偉

(中車長春軌道客車股份有限公司國家軌道客車工程研究中心,130062,長春//正高級工程師)

根據(jù)排水結(jié)構(gòu)的不同，城市軌道交通列車空調(diào)機組安裝大體可分為完全頂置式結(jié)構(gòu)、嵌入式開放平臺結(jié)構(gòu)及嵌入式封閉平臺結(jié)構(gòu)等3種型式。相應(yīng)的雨水排放需求、設(shè)計方案亦有所區(qū)別，而嵌入式空調(diào)機組封閉平臺結(jié)構(gòu)的雨水排放問題是其中最復(fù)雜的。

完全頂置式空調(diào)機組(北京地鐵6號線等)，因車頂?shù)陀诳照{(diào)機組下平面，雨水直接由車頂散排，不存在雨水排放的難題。嵌入式空調(diào)機組開放平臺結(jié)構(gòu)(即空調(diào)機組平臺兩側(cè)機組安裝座槽鋼下部開有排水孔的非封閉式結(jié)構(gòu)，如北京地鐵13號線等)，雨水可由兩側(cè)槽鋼下部的排水孔排出，設(shè)計施工時注意空調(diào)機組平臺的設(shè)計斜度和開孔高度，即可避免出現(xiàn)雨水排放不暢，因此也很少出現(xiàn)排水問題。而嵌入式空調(diào)機組封閉平臺結(jié)構(gòu)(我國深圳地鐵、香港地鐵以及泰國地鐵等項目)，其機組平臺下部的封閉結(jié)構(gòu)使所有進入空調(diào)機組平臺的雨水均需要通過排水管排至車外，因此對雨水排放結(jié)構(gòu)的要求較高，是雨水排放設(shè)計的重點和難點。

由于雨水排放設(shè)計中有許多不確定因素，可借鑒的東西又少之又少，因此研究難度很大。本文主要結(jié)合流體力學、建筑物雨水排放等相關(guān)資料進行簡單分析，后續(xù)還有大量分析、測試及驗證工作。

1 嵌入式空調(diào)機組封閉平臺典型安裝結(jié)構(gòu)

城市軌道交通列車嵌入式空調(diào)機組封閉平臺結(jié)構(gòu)安裝于車頂端部或中部，多數(shù)為前端出風、下部或端部回風。

圖1為A型地鐵列車嵌入式空調(diào)機組封閉平臺的典型安裝結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)為兩端出風、兩端回風型式，機組下部無風口及檢修口，送回風口通過防風防水密封條實現(xiàn)氣水密封。壓縮機的高度要求機組及平臺中部局部下沉65 mm，并將此區(qū)域作為雨水和冷凝水的排水口。因冷凝水量相對過少，可不做特殊考慮。

圖1 A型地鐵列車嵌入式空調(diào)機組封閉平臺的典型安裝結(jié)構(gòu)

我國香港和巴西里約熱內(nèi)盧1A線的地鐵車輛空調(diào)安裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。該結(jié)構(gòu)為前出風、側(cè)回風；機組與平臺間隙較小，僅10 mm；機組下部無回風口，但有檢查門，因此對平臺排水要求最高。

圖2 我國香港和巴西里約熱內(nèi)盧1A線的地鐵車輛空調(diào)安裝結(jié)構(gòu)

2 嵌入式空調(diào)機組封閉平臺雨水量計算

嵌入式空調(diào)機組封閉平臺雨水量的大小是排水系統(tǒng)設(shè)計的主要依據(jù)。由于缺少相關(guān)經(jīng)驗，為提高計算的準確性，嵌入式空調(diào)機組封閉平臺的雨水量參照建筑屋面排水系統(tǒng)進行理論分析。

在屋面雨水排水系統(tǒng)中，雨水量的大小與設(shè)計地區(qū)的暴雨強度q、匯水面積F以及由屋面坡度確定的屋面渲泄能力系數(shù)k1有關(guān)[1]。

2.1 暴雨強度

通過各種統(tǒng)計年鑒收集了2007—2009年我國5座主要城市的降雨量信息，如表1所示。

從表1中可以看出，各城市月降雨量數(shù)據(jù)差別較大，個別月份對全年雨量影響很大，直接做雨量計算難以取舍，因此屋面雨水排放設(shè)計中采用暴雨強度更具有實用價值。

表1 我國5座主要城市降雨量統(tǒng)計[2] 單位：mm

降雨強度指某一連續(xù)時段t內(nèi)的平均降雨量，用i表示：

i=H/t

(1)

式中：

H——某一連續(xù)時間段內(nèi)的降雨量。

工程上更關(guān)注暴雨情況下的降雨強度，即暴雨強度。暴雨強度q采用單位時間內(nèi)單位面積上的降雨體積表示，即q=167i[3],q的單位為L/(s·hm2)，i的單位為mm/min。

暴雨強度隨降雨歷時而變化。在工程應(yīng)用中，根據(jù)一定時期的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可推導(dǎo)出不同地區(qū)的暴雨強度計算公式。通常歷時采用5 min、10 min、15 min、20 min、30 min、45 min、60 min、90 min、120 min等 9個時段，歷時越短，暴雨強度越大，因此取最短的歷時為最不利條件。

表2為收集到的北京、上海、杭州、廣州、武漢等城市的暴雨強度公式及計算結(jié)果。表2中，由于各地暴雨強度公式來源不一，統(tǒng)計年份不同，計算準確性還未可知；從資料看，暴雨強度有增大趨勢，設(shè)計中應(yīng)適當考慮余量。

表2 暴雨強度公式及計算結(jié)果

TB/T 1802—1996《鐵道車輛漏雨試驗方法》規(guī)定：“淋雨試驗時采用的3 mm/min的噴水強度可以滿足大部分地區(qū)3年重現(xiàn)期的應(yīng)用要求，而200 mm/h則可以滿足大部分地區(qū)5年重現(xiàn)期的應(yīng)用要求?！睂τ趪庖恍┏鞘?，還需盡可能多地收集相關(guān)信息，以使暴雨強度計算更加合理，亦可采用年降雨量比對系數(shù)進行估算。部分項目所涉及城市的年降雨量數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 部分城市年降雨量數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

2.2 匯水面積

匯水面積主要考慮平臺區(qū)域的有效降雨面積，包括外露側(cè)墻垂直面上的高度等亦要適當考慮。對于城市軌道交通列車空調(diào)機組而言，如果從安裝結(jié)構(gòu)上將機組平臺四周區(qū)域密封保證僅冷凝區(qū)域有雨水進入平臺，則其匯水面積可僅考慮冷凝部分，一般為機組平臺平面投影面積的1/2左右。

2.3 渲泄能力系數(shù)

渲泄能力系數(shù)需綜合考慮雨水集流速度進行計算。該系數(shù)與集水面的坡度、積水深度、排水孔位置的設(shè)置等因素有關(guān)，參照雨水排放設(shè)計原則可取1。

2.4 雨水量計算

參照屋面排水系統(tǒng)，機組平臺排水系統(tǒng)中雨水量可按下述公式[1]計算：

(2)

式中：

Qv——屋面雨水設(shè)計流量，L/s；

F——屋面設(shè)計匯水面積，m2；

q5——當?shù)亟涤隁v時5 min時的暴雨強度，L/(s·hm2)；

h5——當?shù)亟涤隁v時5 min時的降雨厚度，mm；

k1——設(shè)計重現(xiàn)期為1年時的屋面渲泄能力系數(shù)。

當h5取200 mm/h、k1取1時，機組平臺最大面積為8 m2，則Qv為0.44 L/s；如果僅冷凝區(qū)域雨水進入平臺，則Qv為0.22 L/s。

對于鋁合金車頂結(jié)構(gòu)而言，由于車頂為光滑的圓弧，非平臺部位的雨水可以沿車頂圓弧排出，機組平臺接口的密封較易處理。而對于不銹鋼波紋頂板，則需要對椽頭區(qū)域進行特殊的密封處理，否則雨水大量進入平臺，將導(dǎo)致排水量驟增。不同車頂椽頭接口設(shè)計見圖3。

圖3 車頂椽頭防水設(shè)計接口

圖4 a)中車頂鋼結(jié)構(gòu)由于機組接口處有向外的坡度且內(nèi)側(cè)有擋水板，落到機組蓋板(非雨水進入?yún)^(qū)域)上的水可以由車體兩側(cè)流下。而圖4 b)中可能由于制造公差導(dǎo)致機組接口處有向內(nèi)的坡度且無擋水板，雨水很可能由此進入平臺使得平臺內(nèi)水量增加。因此，合理地設(shè)計安裝接口，盡可能避免大量雨水進入機組平臺，是城市軌道交通列車空調(diào)機組安裝設(shè)計的一個重要細節(jié)。

圖4 車頂鋼結(jié)構(gòu)機組接口防水設(shè)計

3 空調(diào)機組平臺排水過程分析及管徑確定

3.1 空調(diào)機組平臺排水管流動情況分析

隨著降雨時間的推移，平臺排水管入口處的水深逐漸加大，水流狀態(tài)也在不斷變化。在初始階段，入水口大部分暴露在空氣中，雨水在管中呈附壁流或膜流，管中心空氣暢通；隨著水深和泄流量的增加，摻氣比增加，雨水主要靠重力流動，呈氣水兩相重力流。在過渡階段，平臺匯水面積增加，入口處水深增加，管內(nèi)充水率增加，摻氣比下降，呈水氣兩相重力壓力流，即半壓力流。

當積水達到一定深度時，入水口完全被雨水淹沒，水管內(nèi)形成滿流，可近似看作單相壓力流。形成滿流時泄流速度最快，但此時對入水口的深度也有一定的要求。而城市軌道交通列車由于行駛線路的變化，很難像屋面雨水排水系統(tǒng)一樣形成穩(wěn)定的 3 階段變化過程，因此雨水流動情況更為復(fù)雜。

3.2 排水量計算

3.2.1 入水口處排水量[1]計算

重力流QR的計算公式為:

(3)

壓力流QP的計算公式為:

(4)

式中:

μ——進水口的流量系數(shù)，取0.45；

D——進水口的直徑，m；

h——進水口的水深，m；

Ha——進水口前水面至出口處的高度，m；

PF——排水管中的負壓，m。

由于重力流泄流量小于有壓流泄流量，而城市軌道交通列車運行過程中幾種流態(tài)不斷變化，因此按重力流(見圖5)進行計算較為安全。

圖5 重力流示意圖

D取38 mm(外徑取2 mm，壁厚取2 mm)，h取 10 mm時，通過計算得到QR為0.24 L/s。

3.2.2 排水管水量計算

重力流狀態(tài)下雨水排水立管按水膜流計算，公式如下：

(5)

式中：

QL——立管排水流量, L/s；

Kp——粗糙度，m，塑料管取15×10-6m，鑄鐵管取 25×10-6m；

α——充水率，塑料管取0.30，鑄鐵管取0.35；

d——管道的計算內(nèi)徑，m。

按D=38 mm的鋁塑復(fù)合管進行計算，則QL=1.1 L/s。按D=23 mm的鋁塑復(fù)合管進行計算，則QL=0.29 L/s。

由上述分析可知，同樣管徑條件下立管中水流通過能力大于入口處水流量，進水口設(shè)計成漏斗型有利于提高入水口處的水流量，進而提高整個系統(tǒng)的水流通過能力。

4 列車在坡道上運行時對排水的影響及其解決方案

進水口處的水深h直接影響系統(tǒng)的排水能力，但列車運行中h是一個變量。因此，如何保證列車在坡道上行駛的任何情況下有足夠的水深，是其不同于屋面雨水排放系統(tǒng)的一個重要問題。

4.1 坡道條件

各地鐵項目的坡道長度、坡度等不盡相同。GB/T 7928—2003《地鐵車輛通用技術(shù)條件》規(guī)定：正線運營最大坡度不大于30‰。為了探討坡度對排水的影響，初步選取長度為2 000 m、坡度為20‰的坡道作為研究對象。如果列車運行速度按30 km/h考慮，則列車在此坡道上的運行時間為4 min。為便于計算，機組平臺長度L按4 m、水量按180 mm/h 進行考慮。

4.2 列車在坡道上運行時的排水情況

圖6 a)為列車在正常運行情況下，h為10 mm時坡道的排水狀態(tài)。根據(jù)前文計算結(jié)果，可以滿足0.24 L/s的排水需求。

圖6 b)、圖6 c)均為列車在20‰的坡道上運行時的排水狀態(tài)。其中，圖6 b)為在有利于排水的方向，水深可不超過10 mm；圖6 c)的情況則較為復(fù)雜。

圖6 坡道排水狀態(tài)示意圖

圖6 c)中，由于機組排水管位置在高端，當開始有水排出時，另一端積水深度已經(jīng)達到80 mm。按假定的坡道條件計算，在4 min內(nèi)H0將達到 43.8 mm。這一數(shù)值已經(jīng)超過機組下平面與機組平臺間的間隙，即20～30 mm(但非下回風機組由于下部不密封，一般僅為10 mm)。如果蒸發(fā)器側(cè)冷凝排水孔處理不當，就可能造成平臺積水返流進入機組。

排水管設(shè)在空調(diào)機組平臺中部的情況如圖7所示。由圖7可以看出，雖然4 min內(nèi)H0仍為43.8 mm，但由于此時排水管距最低點深度為40 mm，理論上已經(jīng)可以有水排出，較端部配置方案有了很大改善。

圖7 排水管設(shè)在空調(diào)機組平臺中部

4.3 列車在坡道上運行時的排水方案

由上述分析可以看出，為了保證機組平臺的排水，最好采用兩端排水方案(見圖8)。

圖8 兩端排水管示意圖

為了加大排水管入口處的水深，也可考慮采用局部下沉排水結(jié)構(gòu)(見圖9)。

圖9 局部下沉排水示意圖

深圳地鐵1號線采用的是類似于圖9的排水結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中，機組平臺中部600 mm,處局部下沉60 mm,以便于安裝空調(diào)機組，同時在平臺最低處設(shè)排水管。原先更多地傾向于該設(shè)計是為了立式渦旋式壓縮機的安裝需要，而在對平臺排水結(jié)構(gòu)進行分析后發(fā)現(xiàn),這種結(jié)構(gòu)對于排水的意義更大。

由于排水位置設(shè)置在平臺中部且局部下沉，所以無論列車在任何坡道上行駛，均可保證水落入平臺凹槽內(nèi)。即使在20‰的坡道上排水管與最低點的高差僅6 mm，即ΔH為0.22 mm。這意味著理論上只要有超過0.22 mm的水進入平臺，就可以保證排水管有水排出，基本不會出現(xiàn)平臺積水的現(xiàn)象。同時，由于局部下沉使得入水口處的水深迅速增加，初步計算只要有1.8 mm的降水就可保證入口處有10 mm的水深，平臺排水能力大大提高。而深圳地鐵1號線機組平臺采用了兩側(cè)各設(shè)兩支φ45 mm的排水管，主要是為了保證立管的排水能力。

5 結(jié)語

綜上所述，在嵌入式空調(diào)機組封閉平臺結(jié)構(gòu)的雨水排放設(shè)計中應(yīng)遵循以下原則：

1) 一般情況下，設(shè)計雨量按200 mm/h計算可以滿足國內(nèi)大部分地區(qū)的使用要求。

2) 空調(diào)機組安裝接口應(yīng)通過合理的角度、坡度及密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計盡可能避免其它部位的雨水進入平臺，以及盡可能減少平臺水量。

3) 排水口的位置應(yīng)考慮坡道運行及機組冷凝排水的配置，在機組平臺兩側(cè)前后部位各設(shè)1支排水管或采用下沉式排水口，保證入水口處的水深高度，提高排水管中水速，使得進入平臺的雨水迅速排出。

同時，排水管的設(shè)計過程中既要考慮排水能力，也要便于加工、安裝及清污。理論上建筑排水管在重力流條件下需要有不小于20‰的安裝坡度，考慮列車在坡道上運行的影響，理想情況下至少應(yīng)設(shè)置40‰的坡度，以保證在任何位置均可排水通暢。影響排水管設(shè)計的因素較多，但至少應(yīng)保證在任何位置不得有橫向管道高于入水口，以避免摻入空氣時在上部形成空氣柱而影響排水。

綜上所述，列車在運行條件下其空調(diào)機組平臺的雨水排放問題極其復(fù)雜，為此后續(xù)還需要做大量的研究工作，才能安全、可靠、經(jīng)濟地解決排水問題。