张 勤 曹文飞

在建筑生活排水系统中,水封的存在举足轻重,直接关系到整个排水系统的安全。然而,由于设计、施工和管理等环节的疏忽,水封破坏的现象时有发生,严重影响了人们的生活。下面从水封外在和内在两个方面的因素来分析水封破坏的原因,并提出相应的应对措施。

1 排水管道内的气压动态变化是水封破坏的主要外因

1.1 排水立管内流态及气压动态变化对水封破坏的影响

对于单一横支管排水,立管上端开口通大气,立管下端经排出横干管接室外检查井的情况下,排水横支管内的污水当进入立管时会携带一部分气体随水流一起竖直下落,若不能及时补充带走的气体,立管的上部便会出现负压。由于流速在立管内是越来越大的,由能量守恒定律可知,立管顶部的负压值为整个排水过程的最大负压值,如图1所示[2,3]。

最大负压值的负压抽吸作用一旦超出了水封承受的负压极限就造成了水封的破坏。最大负压值的大小与排水横支管接入立管处的水舌阻力系数和立管中水流速度有密切关系,想方设法减小水舌阻力系数和实现立管水流的增阻消能对于保护水封安全和增加立管的通水能力有十分重要的工程意义。

在单立管排水系统中,立管负压越来越小直至正压产生并在立管底部出现最大正压值,形成对靠近立管底部的基层卫生器具水封的正压喷溅作用,当最大正压值形成的气阻压力超出水封高度时,水封便被破坏了。

1.2 排水横管内流态及气压动态变化对水封破坏的影响

污水由竖直下落进入横管后,横管中的水流状态可分为急流段、水跃段及跃后段、逐渐衰减段。急流段水流速度大,水深较浅,冲刷能力强。急流段末端由于管壁阻力,水流速度减小,水深增加形成水跃。在水流继续向前流动的过程中,由于管壁阻力,能量逐渐减小,水深随之减小,趋于均匀流,如图2所示[3]。

横干管水跃的产生是室内排水系统压力动态变化的关键原因。之所以在立管与横干管连接处发生水跃,是因为立管中的流速远远大于水平管的流速,立管底部的水流动能便远大于横干管的动能,为消耗立管和横干管内水流的动能差,势必会在横干管中产生水跃。水跃是多余能量的外在表现形式,这一现象主要影响底层排水横支管卫生器具的水封破坏。

2 水封装置自身性能是影响水封破坏的内因

2.1 水封深度与水封破坏

《建筑给水排水设计规范》[4]4.5.9条规定:“带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气压变化引起的动态损失外,余下的水封高度还要足以支付蒸发损失、毛细作用等静态损失。一般认为,负压作用或正压作用后水封装置中剩余的水封深度至少要有20 mm～25 mm才能够支付这类其他损失,否则视为水封破坏。水封作用机理应被看作一系列的动态变化过程,原始状态为50 mm深度的水封在经历最大负压值的负压抽吸后,水封恢复,此时的水封剩余深度在经历最不利正压作用穿透至水封再次恢复后,能否支付其他的静态损失就不得而知了。负压抽吸后的水封剩余深度与水封的形式有密切关系,水封形式具体体现为水封出水端与进水端过水断面面积比,我们将这一比值定义为水封抗压能力(水封强度)。

2.2 水封抗压能力与水封破坏

赵世明先生曾对水封抗压能力作了详细的介绍和研究,并推导出在负压抽吸作用下水封抗压能力与剩余水封深度的数学表达式[5]:h=h0-P/(n+1)。其中,h为负压抽吸作用后的剩余水封剩余深度,mm;h0为原始水封深度,mm;P为水封出水端水面上作用的负压值,mm H2O;n为水封抗压能力(即出水端与进水端过水断面面积比)。

分析可知,n(即水封抗压能力)与剩余水封深度成正比,n越大剩余水封深度越大,即负压作用损失的水封深度越小,水封就越安全;n越小剩余水封深度越小。这一关系同样适用于正压作用。

3 防止水封破坏的应对措施

3.1 加强通气

在实际应用中,要尤其注重专用通气立管的设置。专用通气立管在通气系统中属于中级标准。建筑标准要求较高的多层住宅和公共建筑、10层及10层以上的高层建筑的生活污水立管应设置专用的通气立管。设置专用通气立管后,向负压区补充的空气不经过水舌,水舌阻力系数趋向于0,立管内的最大负压值减小。

长期的使用经验表明,设置专用通气立管的排水系统对防止有害气体和臭味内逸效果明显。排水立管隔层通过H管与专用通气立管连接,立管管道内的空气及时地得到补充,对立管内空气起到平衡作用,在减小负压的同时,也减小立管底部的最大正压值,减轻其对底层卫生器具的喷溅作用,使得水封免受破坏。

3.2 合理布置排水横干管

1)注重底层排水支管与排水横干管的连接设计。现代建筑排水立管数量多、高度大、立管水流速度大,会在立管底部管道内因气、水冲击产生较大的正压。在设计中要严格执行现行规范规定的“排水支管连接至排出管或排水横干管上时,连接点距立管底部下游水平距离不宜小于3.0 m,且不得小于1.5 m”,当不能满足此要求时,排水底层排水横支管应单独排出或汇合后单独排出。2)避免排出管淹没出流。在地下水较丰富的地区,易出现粪水井、污水井等检查井内水位偏高现象,若井内水位高于排出管管底标高,则会造成淹没出流,不利于排水和通气,因此排出管不宜埋设过深。一旦出现排出管淹没出流的情况,应采取必要的通气系统,使排出管及时通气。

3.3 选取合理的存水弯形式

在实际应用中应选取水封抗压能力大的存水弯。市场上存在各种类型的存水弯,比较常见的有碗式存水弯、机械式存水弯、瓶式存水弯、筒式存水弯和管式存水弯等。其中,碗式存水弯抗压能力小于1,应严禁使用。推荐使用P形管式存水弯,它的水封抗压能力大于1,且具有良好的水力条件,不易堵塞和蒸发,配合器具通气管使用效果更好。

4 结语

水封的破坏因素是多方面的,本文从外因和内因两个方面加以着重分析,并提出了相应的解决对策。排水管道的气压动态变化对水封的影响在外因中起着主要作用,对此提出了加强通气和合理布置横干管的对策;水封深度和水封抗压能力是水封破坏的内因,对此除了严格执行规范不低于50 mm水封深度界限的规定,还应重视水封抗压能力对水封作用的影响,建议在实际工程中选用水封抗压能力大于1的P形存水弯。

[1] CECS 172-2004,排水系统水封保护设计规程[S].

[2] 樊建军,梅 胜,何 芳.建筑给水排水及消防工程[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

[3] 王增长.建筑给水排水工程[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

[4] GB 50015-2003,建筑给水排水设计规范[S].

[5] 赵世明.水封的抗压能力[A].全国建筑给水排水委员会排水分会第二届第二次学术交流会[C].2009.