国内目前对于低立管高度排水管的试验研究较少, 排水管试验研究多集中在高层建筑排水系统领域, 并采用大型试验装置, 模拟高层建筑排水系统, 对系统中的排水数据及压力数据进行监测, 以评价其排水能力。赵世明^[1]通过试验装置模拟了4层高度的建筑排水系统排水试验, 对系统的通水能力及压力状态作了测试。刘新超^[2]对高层建筑的排水立管通水能力进行了试验研究, 提出了通水能力由最小压力控制。张露^[3]通过模拟7层高度下的排水系统, 对立管的通水能力进行了测试, 探究了各影响因素对内部压力的影响程度。

本文通过搭建试验装置, 对600~1 200mm立管高度下, 不同高度、管径及配件搭配的Z形排水管进行了排水能力试验, 并对排水流量及压力数据进行了监测, 得出了各影响因素与Z形排水管排水能力的关系 (本文所指的Z形排水管, 常用于地下车库顶板的排水, 具体做法见图1;Z形排水管受实际埋深限制, 立管高度多为600~1 000mm) 。

Z形排水管排水过程中, 管内能量变化遵循伯努利方程 (符号说明略) :

设取垂直管段顶端为截面1, 排水横管出口为截面2。截面1压力为P_c, 速度为V_c, 两截面高差为H;截面2出口高度为0, 压力为0, 速度为V_g;H_z为水流在管段中阻力损失总和。将以上参数代入式 (1) 得:

实际情况中, V_c>V_g, H_z<H, 所以P_c<0, 即垂直管段顶部的压力为负值。系统排水动力主要依靠重力落差及管内负压, 落差与管内负压越大, 排水能力越强。

根据以上分析可知, 排水能力与管内负压有较强关系, 且根据式 (2) 、式 (3) 可知, 增加立管高度H, 降低立管底部的正压, 可增强负压P_c, 提升排水能力。

测试Z形排水管, 在不同立管管径、立管高度、配件搭配条件下, 其对应的排水能力及管内压力情况。

本试验装置由2部分组成, 分别是排水系统和补水系统。

排水系统包括顶部水箱、Z形排水管。顶部水箱的作用类似于实际工程中的地下车库顶板, 有蓄水功能, 同时连接排水系统和补水系统, 为能直接观察水箱内的水流状态及水位变化情况, 并考虑水箱的承压能力, 水箱整体采用钢筋混凝土结构, 在4个侧面的中心位置开有观察窗, 观察窗材料采用透明PVC材料, 水箱结构及尺寸见图2。

试验测试的Z形排水管由AB段悬吊管、BC段立管、CD段过渡管组成, 见图3a。

试验台 (见图3b) 设置的补水系统包括1个直径1.5m、高0.7m的底部水箱, 补水管道, 水泵等。水泵为额定流量40m³/h、额定扬程12m的单级单吸立式管道离心泵。在补水管段上装设有电磁流量计读取补水流量, 并在流量计两端装有闸阀, 方便流量计及水泵的检修及流量调节。试验时, 开启水泵后, 将底部水箱的水提升到顶部水箱, 完成实时补水工作。试验过程中, 调整闸阀的开度可调整顶部水箱补水量的大小。

排水管流量采用间接测试法得到实时排水量。即在补水管道上安装流量计 (见图4) 测试补水量大小, 并在顶部水箱测试液位高度, 通过补水量和液位的变化来反映排水量的变化情况。为保证测试精度及响应速度, 流量计采用可靠性好、零点稳定、测量范围广的电磁流量计。液位因水位太低, 无法使用电子设备, 采用标尺读数来获取。

压力监测部分设置在距离悬吊管末端300mm处的点1 (见图5a) , 与距离过渡段起始端300 mm处的点2 (见图5a) , 安装高精度压力传感器进行测试。通过前人研究^[4,5,6]可知, 排水管内随着液体充满度的升高, 将出现虹吸现象, 悬吊管末端为负压并逐渐增加, 过渡段起端为正压并逐渐增加, 两者在满流时达到最大值, 根据此理论计算得到最大正负压的估算值, 据此选择压力传感器的量程范围, 本试验选取量程30kPa, 精度0.1%的高精度传感器。

由图6可知, 管径不变的条件下, 增加Z形排水管的立管高度, 可使得排水能力上升。在图6中表现为, 在相同的排水能力下排水管前稳定的水位高度, 稳定水位高度越低, 说明排水能力越强。以排水能力为14L/s时为例, 立管高度为600mm、1 000mm、1 200mm的Z形排水管, 对应的稳定水位高度分别为135mm、112mm、103mm。

此外, 在排水能力达到14L/s以后, 3根Z形排水管都近乎达到了排水能力上限, 此后排水能力增加不明显, 其对应稳定水位均迅速升高, 此现象说明立管高度的增加对排水能力的提升有限。

从图7可知, 在其他条件相同时, 立管管径较大程度决定了Z形排水管的排水能力上限值。图7中具体表现为, 立管管径为DN50、DN75、DN110的Z形排水管的排水能力上限值分别为6.6L/s、11.5L/s、14L/s。当排水能力达到该值以后, 便难以再提升, 此时供水装置的流量若继续加大, 则供水流量与Z形排水管排水流量难以得到平衡, 在图7中显示为水位高度的大幅度升高。

从图8可知, 高度为1 000 mm, Z形排水管立管管径为DN75, 在流量为8.3L/s时出现了明显的虹吸现象, 具体表现为稳定水位高度大幅度降低, 而立管管径为DN100的Z形排水管并无此现象。在8.3~12L/s流量范围内, DN75排水能力大于DN100的Z形排水管。这些现象说明, 在立管高度为1 000mm时, DN75立管管径较DN110更容易产生虹吸现象, 此时排水能力瞬间得到较大程度提升, 但是虹吸无法改变排水能力上限, 所以立管管径为DN75的Z形排水管, 在超过其排水能力上限12L/s左右时, 其对应水位高度大幅上升, 在14L/s时, 其稳定水位高度达到了200mm左右。

从图9可知, 在立管高度为1 000 mm, 管径为DN75时, 在立管上端增加A接头配件 (见图10a) , 在立管下端增加C接头配件 (见图10b) , 排水能力由12.2L/s提升至14L/s。

此外, 从图9中可以看出, 3根Z形排水管均出现了虹吸现象, 表现为排水能力突然上升, 水位高度骤降, 且当在立管上端使用A接头配件时, 产生虹吸的水位为88mm, 较另两管的105mm水位降低了17mm, 说明使用A接头配件可以有效提高Z形排水管的排水性能。

上文通过对比不同立管管径、高度、配件搭配条件下的Z形排水管在不同排水流量下的稳定水位高度, 判断了各Z形排水管的排水性能强弱, 并根据稳定水位的突降现象, 判定在试验中出现了虹吸现象。但是, 个别Z形排水管间的排水能力差距较小, 使用稳定水位高度来判别差异, 较难辨别出明显差距;同时, 判断虹吸产生的一个重要条件是管内出现稳定负压, 所以本节在试验采集的压力数据中, 通过管内稳定负压、正压及正压波动情况, 分析对比了多种型号Z形排水管的排水性能,

为便于叙述, 对本节涉及到的多种型号Z形排水管进行编号, 见表1。

立管管径分别为DN75与DN110的1号管、2号管在排水流量为20 m³/h, 30 m³/h, 40 m³/h, 即5.56L/s, 8.34L/s, 11.11L/s, 其对应的的压力数据见表2。

从表2可知, 1号管在排水流量为5.36L/s与8.34L/s时, 管内稳定负压强于2号管。笔者分析其原因为, 1号管立管管径小于2号管, 所以其立管段能更快速形成满流, 激发虹吸的产生, 从而在排水流量为5.36L/s与8.34L/s时, 1号管内具有更强的负压, 排水能力也更强。

在排水流量为11.11L/s时, 1号管的负压强度弱于2号管, 2号管的排水性能更强。笔者分析其原因为, 当排水流量达到11.11L/s时, 1号管已达到其排水能力上限, 管内负压无法继续上升;2号管因立管管径大于1号管, 排水上限值大于1号管, 所以负压继续上升, 在11.11L/s时其负压大于1号管, 此时排水能力也较1号管更强。

立管高度分别为600mm与1 000mm的1号管、3号管在排水流量为20m³/h, 30m³/h, 40m³/h, 即5.56L/s, 8.34L/s, 11.11L/s, 其对应的的压力数据见表3。

从表3中可知, 3号管在排水流量为5.56L/s、8.34L/s、11.11L/s时, 其管内的稳定负压、正压、正压波动范围均强于1号管, 说明增加立管高度可以有效增强管内负压, 加强排水性能;且在11.11L/s时1号管与3号管的正压波动范围, 都小于8.34L/s时的值, 其原因是管内出现了稳定的虹吸现象, 降低了管内压力波动。

3号管不设置特殊配件, 4号管设置有A接头, 5号管设置有C接头。3根Z形排水管在排水流量为20 m³/h, 30 m³/h, 40 m³/h, 即5.56L/s, 8.34L/s, 11.11L/s时, 其对应的的压力数据见表4。

从表4中数据可知, 4号管和5号管, 在排水流量为8.34L/s, 其管内负压分别为-4.11kPa和-4.07kPa, 较3号管的-3.32kPa有较大幅度增加;同时5号管的正压及正压波动值均大于4号管, 而正压的存在即大幅度波动不利于Z形排水管的高效排水, 故4号管的排水性能优于5号管。所以, 在Z形排水管立管段设置特殊配件, 有利于增强排水能力, 且设置A接头的使用效果好于C接头。

(1) Z形排水管立管段高度的增加, 能使得排水能力得到提升, 但提升程度有限, 考虑实际埋深情况, 建议采用1 000mm的立管高度。

(2) 改变立管管径, 可以较大程度改变排水管性能, 降低立管管径会明显降低Z形排水管排水能力上限。在立管高度为1 000mm时, DN75的立管管径更容易产生虹吸现象。

(3) 在Z形排水管立管上设置A接头, 较不设置A接头的Z形排水管, 能使得排水能力提升17%, 且产生虹吸所需的水位要求降低了17 mm, 更容易产生虹吸现象。