虹吸排水系统在铁路站房中的应用

陈文通 中国铁路上海局集团有限公司杭州房建公寓段

交通强国，铁路先行，伴随着长三角地区铁路基础建设的不断加码，近几年正式开通运营的新线、新站房数量日趋增多。铁路站房作为典型的高大空间建筑，其屋面排水系统也越来越多采用虹吸排水系统，而房寓段作为房建专业的设备管理单位，承接了越来越多的铁路站房的维修任务。为了确保后期车站开通运营期间屋面虹吸排水系统的便捷维修、运行可靠，实现车站运营期间的稳定和安全，房寓段必须提前介入该系统的设计，严格监督施工过程质量，主动配合完成后期竣工资料的移交。本文就虹吸排水在铁路站房中的应用作一探讨，希望能对铁路房建专业有所帮助。

1 虹吸排水系统的概念和水流特点

虹吸排水系统是利用建筑物的自身高差位置势能，克服管道的局部和沿程阻力，实现提高管道通水效率和快速排放屋面雨水的功能。铁路车站屋面虹吸排水系统一般由压力流雨水斗、连接管、悬吊管、立管、出户管组成，如图1所示，屋面雨水排放过程如图2所示。

图1 虹吸雨水系统组成部分

图2 屋面雨水排放过程

在排水过程中，对于管道任一截面，水力学性质均能满足经典伯努利方程：

根据图1 可得，虹吸系统是通过设计使雨水悬吊管内压力小于大气压，悬吊管形成负压区状态，管道中形成局部真空，大气压将屋面雨水挤入管道，从而产生悬吊管的抽吸作用；同时立管底部和末端出现正压区，加速末端出流效果，系统整体产生虹吸效果。

利用虹吸原理须满足三个条件:

（1）管道流态为满管流

虹吸排水系统要形成虹吸现象，第一要素是虹吸雨水斗必需要有足够的斗前水深；由于虹吸雨水斗特殊的制造工艺，使其具有气水分离、防涡流的功能，可有效隔绝空气的进入，当檐沟内雨水液面满足斗前水深要求时，排水管内充满雨水，形成封闭的空间，产生虹吸效应。经调查可得，每个厂家的雨水斗的排水量和高度均不相同，因此在设计阶段就要求实现檐沟深度、宽度与虹吸雨水斗的完美配合。

（2）雨水斗与悬吊管安装高度差值需满足要求

当雨水斗出口与悬吊管高差过小时，会影响悬吊管虹吸的形成，当高差小于0.8 m 时，无法保证悬吊管内的虹吸形成。故悬吊管中心线与雨水斗出口应有一定的高差[1]，根据《建筑给水排水设计标准》（GB50015-2019）第5.2.3 条中规定，“悬吊管中心线与雨水斗出口的高差宜大于1.0 m”。

（3）系统整体高程差的应用

虹吸式屋面雨水排水系统是利用建筑物檐沟与地面的高程差值所产生的水头，经过严格的计算来调节管道的配置，铺以平衡管网压力及流速，使管道中充满水进而产生虹吸现象，最终实现快速排放屋面雨水的目的，其实质是一种多斗压力流雨水排水系统，遵循经典伯努利方程。

根据收集资料可得，虹吸排水系统在形成的过程中分别依次形成波浪流、脉冲流、活塞流、泡沫流、满管压力流等五个阶段，水流形成过程如图3所示。

图3 虹吸管道内水流各状态

降雨初期阶段，屋面檐沟内储存水量未达到形成斗前水深要求的条件，即此时雨量不足以形成虹吸效应，因而初期降雨水量较小，雨水斗未能有效阻止空气的进入，气水逆向流动，管道内为波浪流和脉冲流，此时系统整体处于重力流排水状态；当雨量逐步增加，同时斗前水深逐渐加大，掺气量进而减少，形成活塞流或泡沫流，此时系统整体仍旧处于重力流排水状态；待后期降雨强度大于末端管道的重力流排放能力时，屋面檐沟内水位不断抬高至所需斗前水深要求时，整个系统均被水充满，系统开始形成虹吸，迅速排放屋面雨水。

2 虹吸排水系统的优缺点

2.1 虹吸排水系统的优点

（1）单斗排水量大

相比于重力排水系统，虹吸雨水斗单斗排水量大的特点使铁路站房屋面安装的雨水斗数量大大减少，更加适宜铁路站房屋面结构形式复杂、面积大的特点。

（2）管道通水效率高

虹吸式排水管道内为满流状态，重力式排水管道内为气液混合状态，前者泄流能力更强；因此在高铁车站中采用虹吸排水系统时所需管道较少，管径较小，安装灵活，降低施工作业难度，可节省工程整体造价。

（3）悬吊管水平安装

无需做坡度（但不能倒坡），布置灵活、施工方便，为铁路车站提供更多的自由空间。

（4）自清洁能力

由于管道系统内雨水流速很快，雨水管道具有很强的自我清洁能力，管内不易结垢，便于后期维修管理。

（5）使用寿命长

虹吸雨水管常常采用如PE 管、HDPE 管、铸铁管、不锈钢管、镀锌管等寿命较长的管材，正好匹配铁路车站作为长久使用建筑的特点。

2.2 虹吸排水系统的缺点

（1）虹吸系统需要特制的雨水斗

单只雨水斗造价高于普通重力式雨水斗，后期更换维修费用较高。

（2）设备日常检查维保难度大

虹吸雨水斗、管道损坏时若不及时更换，则系统隔阻空气能力减弱，邻近雨水斗负压不易形成，管道内出现气团状态，破坏虹吸的能力，大大降低系统排水能力；同时系统具有“养兵千日、用兵一时”的性质，若等到发现系统未按虹吸状态运行时，已对铁路站房的使用积累了严重的安全隐患，因此会额外增加日常巡检工作量。

（3）工程质量需严格把控

虹吸排水系统部分管道是处于负压状态，对负压形成的前提条件要求较多；但在工程建设过程中破坏真空稳定形成的因素较广，若系统一旦未形成有效的虹吸状态，其排水能力骤减，进而影响系统的可靠性，危及建筑物的安全与稳定，因此需严控设计、施工、日常运营等各阶段的工作质量。

（4）噪音问题

管道排水时，因为流速较大，会产生比较大的噪音，若管道未结合车站装修设计或悬吊支架安装不合格，会产生严重的噪音问题。

3 虹吸排水系统在铁路站房中的应用注意事项

（1）严控管材质量

虹吸系统部分管道采用负压形式，因此虹吸排水管道应能满足在负压状态下保持足够的刚度的要求，普通市面上的管材一般标称的是正向压力，管道负压承载能力易被忽视。因此在设计阶段应对管材的负压承载力提出要求，在施工过程中必须出具供应商提供管材耐正压和负压的检测报告，确保虹吸排水系统的安全，后期工程移交阶段保存好各类资料，便于后期维保。

（2）严控施工质量

首先系统所需支、吊架与土建结构固定如果不牢固，由于雨水流动时虹吸系统产生的震动较大，这将会造成支、吊架的脱落，发现不及时可能会造成严重后果。其次，严格控制连接管的高度，若现场条件不允许做到雨水斗顶面与悬吊管中心高差1 m以上时，应控制好虹吸雨水口的负压，设计应做好水力计算工作，施工应严格按照设计要求，保证连接管的高度。

（3）虹吸排水系统安全可靠性比重力流排水要小

近年来，恶劣极端的天气频频出现，导致站房出现严重漏雨故障，影响旅客出行体验，如绍兴北站多次出现站房内漏雨现象，给铁路形象带来了负面影响。所以应提高对高铁站房屋面排水重要性的认识，充分考虑系统运行的安全可靠性，在规范要求的基础上（虹吸排水系统和溢水系统的总排水能力，不宜小于重现期50年、降雨历时5 min时的设计雨水流量），增加重现期的年限，以避免出现雨水漫灌进站房的事件，特别是站房采用内檐沟结构的，更应考虑增加重现期年限。

（4）虹吸排水系统不适用于虹吸雨水口标高不在一个平面的屋面

雨水口标高不在同一水平面，会导致高位的虹吸雨水斗吸入空气，破坏系统虹吸，当低位雨水口已满足斗前水深要求，将形成虹吸状态时，高位的雨水斗会将空气带入管道，严重影响系统的排水能力。

（5）管道的连接必须安全可靠

目前我局管内高铁站房虹吸排水系统使用最多的是普通PE 管（如宁波站等站），普通PE 管受施工条件和连接形式的制约，其管道连接强度质量不易把控，在前期介入过程中，已多次发现采用这种材质及连接形式的管道出现施工质量问题，建议在高铁站房中采用钢丝网骨架PE 管，并采用电熔接头，以保证施工质量。

（6）防止溢流口设计遗漏

重点强调溢流系统不得与虹吸系统共用。溢流系统往往采用重力流的方式，当与虹吸系统共用时，会占用虹吸系统的排水能力，阻碍系统的虹吸状态的产生。根据调查可得，设计院在进行虹吸系统设计时常依赖于专业虹吸雨水公司，专业公司设计完成返回设计院进行会签时可能漏掉溢流口。后期建设单位、施工单位、监理单位在进行图纸会审工作时，应重点留意溢流设施是否到位，可避免后期二次施工对结构及防水层的破坏。

（7）选择匹配合适的管件

为提高水流的水力条件，选用配件不得使用直角三通、直弯。管道在虹吸状态下，流速较快，为提高水力条件，连接管与悬吊管的连接应采用45°的三通，悬吊管与立管、立管与排出管的连接应采用两个45°的弯头进行连接。其他有关管道的安装注意事项可参照管道安装的有关施工标准，本文不再赘述。

（8）应增加对管道负压承载能力的试验

《虹吸式屋面雨水排水系统技术规程》规定，在设计阶段应对管道负压进行了计算，但施工完成后，如何进行管道负压承载力的验收，未做出具体的规定，建议应按设计的雨水量，对虹吸系统进行模拟试验，以确保实际运行工况与设计基本一致。

（9）日常清洁工作

雨水斗管径小、屋面固体物多，且入水口裸露，很容易出现堵塞，因此必须做好维护管理。每年雨季到来之前或雨季期间，应重点做好屋面的清洁工作。

4 结束语

虹吸式雨水系统因其具有节省安装空间、悬吊管无需坡度、管径流量大等优点更适合于汇水面积大、结构跨度大的屋面排水系统，最大限度解决了站房大面积屋面雨水排放的困难，在整体建筑美观、节约空间、施工便利等方面有着种种优势；但我们也应看到虹吸排水系统的缺点，在实际站房中辩证地使用该技术，为铁路建设带来更好的经济效益和社会效益。