建筑生活排水系统中, 多根排水立管汇入横干管的排水系统非常常见, 比如商住一体, 底部采用裙楼设计, 塔楼为酒店或住宅, 高层酒店排水系统排水立管一般会在转换层汇入横干管中再排至底层系统中。《建筑给水排水设计规范》 (GB 50015—2003, 2009年版) 4.3.12条规定:排水支管连接在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得小于1.5m;但没有提到多根排水立管汇入横干管的排水系统所需要满足的要求, 有横干管的排水系统与排水立管单独排出室外的排水系统不同, 有横干管的排水系统排水立管汇入横干管时, 汇入点水流产生撞击形成“水塞”, 水流瞬时充满横干管, 横干管内通气受阻, 从而引起系统压力变化, 排水立管底部部分卫生水封装置产生的正压, 破坏, 同时系统排水也达不到设计流量, 影响排水的安全性。为此, 本文对多根排水立管汇入横干管的排水系统通水能力进行试验, 验证接入排水立管之间距离和横干管管径对横干管上接入多根排水立管的排水系统通水能力的影响, 探讨横干管扩径对接入多根排水立管的排水系统最大排水能力的影响, 为工程实际提供参考。

本次研究试验工作在全国建筑排水管道系统技术中心试验室泫氏排水试验塔进行, 排水试验塔高60m, 地上19层, 地下1层。试验系统连接方式如图1、图2所示。

测试系统排水管材均采用W型柔性接口铸铁排水管, 系统安装接口形式为卡箍连接, 测试横支管采用PVC-U塑料管以减轻横支管载荷。测试系统排水立管与横支管连接管件采用W型DN100×90°T三通, 测试系统排水立管底部采用DN100×DN150规格的3D大半径变截面异径弯头, 排出管管径为DN150, 坡度为0.01。

测试横支管上连接有1个DN50标准测试地漏 (水封比0.95, 水封容量255mL) 、1个DN100的铸铁P型存水弯 (模拟卫生器具水封波动) 。

测试系统伸顶通气管安装在试验塔19层, 伸顶形式为标准排水立管伸顶通气安装形式。

排水立管、横支管、通气帽、排出管的安装均符合《建筑给水排水设计规范》中相关规定。

流量测试采用定流量法^[1], 通过微调阀门、增压泵及流量计控制放水量。采用科威尔Kewill智能型气动电磁阀 (型号Q991X-10V, 流量量程范围0～3L/s) 进行远程控制供水启停。流量测试时, 供水系统从18层开始逐层向下放水, 从低流量排水开始进行试验, 每层流量不超过2.5L/s, 本层达到2.5L/s后, 保持流量不变, 再开启下一层电磁阀进行放水;当总排水流量超过15L/s时, 采取每层供水量最大流量3.5L/s。放水位置在供水横支管始端, 注水方式采用与横支管流垂直向下淹没注水, 并经过DN100P型存水弯后进入横支管, 以保证无冲击现象^[2]。

压力数据通过OMEGADYNE INC.公司生产的测量精度为±0.08%的PX409-10WCGI高精度压力传感器采集后, 通过数据模块传输至测试系统数据平台进行数据分析、保存。P型存水弯中的水封波动通过测量精度为±0.2%的CYB13XM智能压力变送器测量, 并将信号传输至系统数据平台进行数据分析、存档。

整个测试过程总时长约150s, 当系统排水实际供水量达到设定值并稳定后进行压力数值采集, 采集周期为200ms^[3], 压力数据采集时间为60s。

标准测试地漏水封和存水弯水封分别通过视频监控系统实时读取。

参考《住宅生活排水系统立管排水能力测试标准》 (CECS 336-2013) 的测试方法, 并结合泫氏塔的试验条件, 本试验通水能力判定条件为同时满足以下条件:

(1) 非放水层所有测压点的瞬间压力波动在±400Pa范围之内。

(2) 非放水层所有的地漏一次水封损失不大于25mm。

(3) 每个流量下的试验至少进行2次并连续满足 (1) 和 (2) 条件。

(4) 每个系统流量测试在同一条件下进行并应至少测试3次, 测试结果取平均值, 当3次测试结果差值超过10%时, 应重新测试^[4]。

(1) ex1:特殊单立管单独排出室外且排出管管径DN100时, 其最大流量为10L/s, 其各楼层压力极限值如图3所示。

从图3可以看出, 测试系统高层段10～14层出现较大的负压, 最大负压接近-400Pa, 而低层段出现较大正压, 最大正压近200Pa, 从而可以看出该系统排出管在采用不扩径时底部通气效果受影响, 导致出现较大的正压, 而高层因排入水流较大, 导致顶层部位进气受阻, 出现了相对较大的负压。

(2) ex2:特殊单立管排水系统单独排出至室外汇水槽, 排出管管径放大至DN150时, 其最大流量为11L/s, 其各楼层压力极限值对比如图4所示。

当底部排出管从DN100扩径至DN150时, 对低层的压力影响有显著变化, 扩大底部排出管管径, 使底部排出管水流充满度降低, 排出管通气较为顺畅, 故使低部楼层正压减小, 最大正压为100Pa左右, 最大负压从-300Pa左右减小到-200Pa左右;但高层的负压仍然没有显著降低, 在最大流量下仍然维持在-400Pa左右。

与底部排出管口径为DN100时的连接方式相比, 扩大排出管口径至DN150最大排水流量提升10%至11L/s。

(1) ex2.1.1:2根特殊单立管排水系统立管汇入排出管且间距设计为1.5 m, 排出管口径为DN150时, 2个测试系统同时放水时, 测得2个系统最大流量都仅为5L/s。由图5可知, 该系统高层13、14层的最大负压接近-400Pa, 而低层2、3层的正压接近400Pa, 同时可以看出系统整体压力高层严重偏负压, 低层严重偏正压。

(2) ex2.1.2:2根特殊单立管排水系统立管汇入横干管且间距设计为3.0 m, 排出管口径为DN150, 2个测试系统同时放水时, 测得2个系统最大流量都仅为5L/s。

由图6可知, 横干管上接入排水立管之间的距离从1.5m扩至3.0m, 对高层12～15层的压力有显著变化, 将高层的压力整体向正压偏移, 不仅增大了10～15层最大正压, 从0左右升至100Pa左右, 而且减小了12～15层的最大负压, 从接近-400Pa减小至-200Pa, 但对低层的压力无显著变化。

同时与横干管上接入排水立管之间的距离为1.5m的系统相比, 系统最大流量并无提高, 仍然维持在5L/s。

(3) ex2.1.3:2根特殊单立管排水系统立管汇入横干管且间距设计为6.0 m, 排出管口径为DN150, 2个测试系统同时放水时, 测得2个系统最大流量都仅为5L/s。

由图7可知, 排水系统立管汇入横干管且间距设计从1.5 m扩至3.0 m, 再扩至6.0 m, 仍然与3.0m的系统特征相类似。

与排水系统立管汇入横干管且间距设计为3.0m的系统相比, 对高层12～15层的压力有显微变化, 将高层的压力整体向正压偏移, 不仅增大了10～15层最大正压, 而且减小了12～15层的最大负压, 但幅度较小, 并且对低层的压力无显著变化。故横干管上接入排水立管之间的距离从3.0 m扩至6.0m, 对系统压力无显著变化。

同时与排水系统立管汇入横干管且间距设计为1.5m、3.0m的系统相比, 2个测试系统同时放水时, 测得2个系统最大流量并无提高, 仍然维持在5L/s。

3种排水系统立管汇入横干管且间距设计为1.5m、3.0m和6.0m系统的最大排水流量都为5L/s, 从上述3种情况可以说明, 多根排水立管汇入横干管之间距离的增大, 仍然无法降低低层的正压, 所以多根排水立管汇入横干管之间距离的变化, 对排水性能影响很小, 几乎为零;同时可以看到, 控制系统最大流量的主要因素是低层的最大正压, 说明多根排水立管汇入横干管使得汇入点横截面被水充满, 出现严重的水跃, 从而导致通气受阻, 使得底层正压增大。可以得出汇入点产生水塞导致通气效果差, 是影响排水系统最大排水能力的最主要原因。

因此在之后的试验将重点改善汇入点的通气情况。

(1) ex3.1.1:单根特殊单立管系统, 底部排出管从DN150扩径至DN200, 扩径点为距离排水立管1.5m处, 系统最大流量为10L/s。

从图8中可知, 当底部从DN100连续扩径至DN200时, 系统压力严重偏向负压, 整个系统最大正压维持在50Pa左右, 最大负压维持在-300Pa左右, 系统压力非常稳定。

与底部排出管为DN150相比, 对高层9～15层压力有显著变化, 不仅使高层最大压力从-50Pa左右增大至0左右, 而且使高层最小压力从接近-400Pa减小至-300Pa左右, 使高层压力整体向正压偏移。

(2) ex3.1.2:2根特殊单立管系统, 2根排水立管汇入横干管且间距设计为1.5m, 2#管底部汇入点采用DN100×150°顺水三通, 底部排出管从DN150扩径至DN200, 扩径点为2#管汇入后, 系统最大流量为10L/s。

从图9中可知, 在底部横干管上汇入2根特殊单立管, 低层2～6层最大压力仍然为100Pa左右, 高层7～18层最大压力为0左右, 系统最小压力仍然维持在-300 Pa左右, 故系统压力仍然比较稳定。

对系统最大流量、系统压力和系统水封损失均无明显变化, 故影响系统的主要因素为底部横干管管径, 与汇入排水立管数量无太大关系。

(3) ex3.1.3:3根特殊单立管系统, 3根排水立管汇入横干管且间距设计为1.5m, 2#管、3#管底部汇入点采用DN100×150°顺水三通, 底部排出管从DN150扩径至DN200, 扩径点为3#管汇入后, 系统最大流量为10L/s。

由图10可知, 与1、2根排水立管汇入横干管相比, 3根排水立管汇入横干管的排水系统在低层压力有显著变化, 低层2～8层最大压力急剧增加, 2层最大压力将接近400Pa, 低层2～8层最大压力从100Pa左右增大至200Pa以上;低层2～7层最小压力也急剧增加, 由-300Pa左右增大至-200Pa左右, 系统负担流量过大, 故将低层压力整体向正压偏移, 对高层压力无显著变化。

可以看出3根排水立管汇入横干管的排水系统, 水量过大且连续2个汇入点水流形成堵塞, 造成底部横干管内空气受阻, 难以通畅, 故而直接使底层最大压力剧增;同时看到3种情况的水封损失并无明显差距。

(1) ex3.2.1:2根特殊单立管系统, 2根排水立管汇入横干管且间距设计为1.5m, 2#管底部汇入点采用DN150顺水三通, 底部排出管从DN150扩径至DN200, 扩径点为2#管汇入后, 系统最大流量为9L/s。

与1根单立管、底部排出管从DN150扩径至DN200、扩径点为距离排水立管1.5m处的系统相比, 该系统最大流量要减少10% (为9L/s) 。同时, 由图11可知, 系统的正压相比于负压有明显变化, 几乎增加整个楼层的正压。再一次验证2#管汇入直接影响底部横干管在汇入点的通气受阻, 从而影响排水能力。

与其他安装条件一样, 2#管底部汇入点采用DN100×150°顺水三通的系统相比, 该系统最大流量同样减少了10% (为9L/s) 。由图12可知, 当2#管底部汇入点采用DN150顺水三通的排水系统时, 汇入点流量产生冲击更大, 通气受阻程度加大, 从而2#管底部横干管管径同样能影响系统排水能力。

(2) ex3.2.2:3根特殊单立管系统, 3根排水立管汇入横干管且间距设计为1.5m, 2#管、3#管底部汇入点采用DN150顺水三通, 底部排出管从DN150扩径至DN200, 扩径点为3#管汇入后, 系统最大流量为8L/s。

在2根单立管汇入底部横干管, 汇入点距离排水立管1.5 m, 底部排出管从DN150扩径至DN200的系统相比, 该系统增加一根单立管汇入底部横干管, 导致系统最大流量减少10% (为8L/s) 。同时由图13可知, 增加3#管的汇入直接影响系统压力, 不仅使低层 (2～7层) 的最大正压、最大负压整体向上移, 负压从-300Pa左右减少至-100Pa左右, 正压从100Pa左右增大至300Pa左右, 而且使高层 (8～13层) 正压从100Pa左右减少至50Pa左右, 同时7～13层的负压仍然从-300Pa左右减少至-200Pa。使控制系统排水能力的影响因素从低层负压转变为低层正压。从而说明系统排水流量过大, 在横干管上造成拥堵, 水流在汇入点处充满横干管横截面。

与其他安装条件一样, 汇入点采用DN150顺水三通和汇入点采用DN100×DN150顺水三通的系统相比, 该系统的最大流量同样减少10% (为9L/s) 。由图14可知, 当系统的汇入点采用DN150顺水三通时, 汇入点流量产生冲击更大, 通气受阻程度加大, 从而2#管和2#管底部汇入横干管的管径同样能影响系统排水能力。

(1) ex3.3.1:2根特殊单立管系统, 2根排水立管汇入横干管且间距设计为1m, 2#管底部汇入点采用DN150顺水三通, 底部排出管从DN150扩径至DN200, 扩径点为2#管汇入后, 系统最大流量为9L/s。

与2根立管汇入横干管且间距设计为1m的排水系统相比, 2根立管汇入横干管且间距设计为1.5m的系统最大流量同为9L/s。由图15可知, 系统压力极限值基本相同, 其地漏和P弯水封损失有显微差别。

(2) ex3.3.2:3根特殊单立管系统, 3根排水立管汇入横干管且间距设计为1m, 2#管、3#管底部汇入点采用DN150顺水三通, 底部排出管从DN150扩径至DN200, 扩径点为3#管汇入后, 系统最大流量为8L/s。

与3根立管汇入横干管且间距设计为1m的排水系统相比, 3根立管汇入横干管且间距设计为1.5m的系统最大流量同为8L/s。由图16可知, 系统压力极限值基本相同, 其地漏和P弯水封损失有显微差别。

故无论增大或减少排水立管汇入横干管之间间距对排水能力没有影响。

根据国内外的试验研究, 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、水跃及跃后段、逐渐衰减段, 如图17所示。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使流速减小, 水深增加形成水跃。在水流继续向前运动的过程中, 由于管壁阻力, 能量逐渐减小, 水深逐渐减小, 趋于均匀流。

一方面, 横干管连接立管和室外排水检查井, 接纳的卫生器具多, 存在着多个卫生器具同时排水的可能, 所以排水量大。另一方面, 建筑楼层较高, 排水横支管距横干管的高差大, 下落污水在立管与横干管连接处动能大, 在横干管起端产生的冲击流强烈, 水跃高度大, 水流可能充满横干管断面。当上部水流不断下落时, 立管底部与横干管之间的空气不能自由流动, 空气压力骤然上升, 使下部几层横支管内形成较大的正压, 有时会将存水弯内的水喷溅至卫生器具内。特别是当排水立管汇入至底部横干管时, 水跃现象严重, 更易将立管与横干管汇入点的空气不能自由流动, 更易使空气压力上升。

本文在进行了多组排水系统试验后, 对生活排水系统中横干管上汇入多个排水立管的排水系统对其排水流量的影响有了一定认识, 研究结论总结如下:

(1) 在特殊单立管排水系统中, 当多根排水立管汇入底部横干管时, 使排水系统最大通水能力由1 0 L/s减少到5.0L/s, 多根排水立管接入, 汇入点因产生水塞拥堵产生正压, 导致系统排水能力下降40%～50%, 会极大程度降低排水系统的通水能力。

(2) 在特殊单立管排水系统中, 当多根排水立管汇入底部横干管时, 排水立管汇入底部横干管之间间距对排水系统的通水能力无明显影响。

(3) 在特殊单立管排水系统中, 系统在底部排出管扩径至DN200之后, 多根排水立管汇入后排水系统最大通水能力为10L/s, 达到单个系统排水时的最大排水能力, 具有明显的改善效果。

规范中规定排水立管汇入底部横干管水平距离不得小于1.5m, 但在本次试验中, 立管汇入点距离对系统排水能力无太大影响, 对于多根排水立管汇入横干管的排水系统, 需要对底部横干管进行扩径, 才能改善系统通水性能。