双立管排水系统普遍用于多层及高层建筑排水,双立管系统的最大排水流量是建筑排水设计中最重要的依据,《建筑给水排水设计规范 》(GB50015-2003,2009年版)对双立管排水系统最大设计排水能力规定缺乏有力的数据支撑。双立管排水系统是由一根专用通气立管与一根排水立管组成,由于双立管排水系统可由不同的三通、底部弯头等配件组成,同时H管也有不同的连接方式,其最大通水能力会随之变化,本文重点研究H管连接位置对双立管排水系统通水性能的影响,试验结果可为《建筑给水排水设计规范》修订提供参考。

　　 本次试验在泫氏实验塔进行,试验楼为18层,排水层为15~18 层,测试层为2~14 层。流量测试:涡轮流量计;压力测试:压力变送器;水封测试:液位变送器、P型存水弯U型液位监测管、标准透明测试地漏、现场水封监视摄像。

　　 本次试验对象为18层铸铁双立管排水系统,其中三通采用旋流三通、底部弯头采用大曲率变径弯头。试验采用常流量法,从顶层逐层向下放水,以0 .5 L/s为梯度增加,每层的最大流量为2.5L/s,系统的排水流量为施加的累计流量值。测压点在非放水层的排水横支管上,距离排水立管中心500mm,压力变送器由采集器控制,采集器通过电脑控制,记录每个测压点的气压值,每次试验自动采集2min压力信息值(从放水流量达到指定流量开始计时),其中采集器的数据采集时间间隔为0.5s。同时测试系统的最大排水流量、非放水层水封损失值。每个流量下的试验至少进行2次,且2次试验数据相差不能超过10%。

　　 参考湖南大学实验塔的排水流量测试方法,并结合泫氏塔自身的试验条件,系统最大排水流量的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)非放水层所有地漏的一次水封损失不大于25mm。

　　 本试验结果整理见表1。

　　 从表1可知,H管紧靠三通下部与排水立管连接时通水性能最好,其排水流量最高达到11L/s。图1为双立管排水系统中H管不同位置,图2为系统最大排水流量时各层压力极限值及地漏水封损失的对比,图3 为系统在比最大排水流量多0.5L/s时的各层压力极限值及地漏水封损失的对比。

　　 从图3b可以看出,在最大排水流量基础上增加0.5L/s流量后,3个H位置下都出现部分楼层地漏损失超出正常范围情况,从图2a分析可知,H管与排水管紧靠三通下部连接时,在最大排水流量情况下上部楼层负压较突出,底部位置正压较突出,相比H管在其他位置,当H管与排水管紧靠三通下部连接时,系统在最大流量时,10~14层负压极限值小于-200Pa,且2~5 层的正压极限值大于200Pa,通气均衡性较其他情况下较好,能有效缓解三通处压力波动。

　　 为了进一步研究H管与排水管连接位置的变化对双立管排水系统的影响,在原有试验基础上(每层H管与排水管连接位置都在相邻2个三通中部时)变换5层的H管位置来对比分析H管与排水管连接位置对双立管通水性能的影响。如图4所示,本次对比试验采用双45°弯头加100mm×150mm变径接头作为底部弯头。

　　 5层的H管变换前后的结果对比见图5~图7。图5为H管位置未移动前排水流量为8L/s时各楼层系统压力极限及水封损失曲线,此时5层负压达到-420Pa,同时5层水封损失远超出25mm,由图可知当H管位置未移动前5层负压及地漏水封损失控制了系统最大排水流量,其最大排水流量为7.5L/s。本次对比试验将5层的H管移动至紧靠三通下部位置,测得其最大排水流量为8L/s(16~18层每层放水流量为2.5L/s,15 层放水流量为0.5L/s)。

　　 图6是排水量为7.5L/s时(16~18层每层放水流量为2.5L/s)各楼层压力极限及地漏水封损失对比曲线。变换位置前后最大排水流量下的各楼层压力极限值对比曲线见图7a,各楼层地漏水封损失对比曲线见图7b。从图6a可知在相同排水流量时,5层的H管下移到紧挨三通下部位置时,5层的压力极限值立即减少,同时相邻楼层4层及6层的压力极限值相比之前开始增大了一点;从图6b可知在相同排水流量时,3层及5层的地漏水封损失明显减少。当排水流量都达到最大时,从图7a可知,改变5层的H管连接位置后,4层及6层的压力极限值趋于平稳,此时由于5层的H管紧靠5层三通下部连接,5层处带走的气体能得到补充从而极大改善了5层的通气情况,5层负压得到了缓解,而4层及6层的相对补充的气体减少,从而4层及6层的负压增大。

　　 根据排水系统终限流速及水膜流理论可知,立管中水流为断续的非均匀流,立管主要是水气两相流,当排水流量较小时,水流会附着管壁做螺旋运动,空气可以自由流通,气压稳定趋于大气压;随着排水系统内排水流量的增大,排水立管内形成水膜流,水膜形成后做加速运动,直到重力与摩擦力相等时,到达终限流速;当立管排水流量继续增大到充水率超过1/3时,开始形成不易破坏的水塞,水塞引起立管气体压力的激烈波动,形成有压冲击流,此时易造成楼层压力极限值超出安全值,同时容易造成水封破坏。而本系统中由于每层的排水立管均与专用通气管连接,相当于对每个测压点进行了连通,可以及时补充测压点处流失的气体并对多余的气体进行疏导,从而H管与排水管的连接位置对各测压点处压力波动的影响很大。

　　 当水流开始从立管上部往下流时,如图8所示,水流会带走部分空气,使三通下部b处产生负压,如图8a为H管紧靠三通上部及相邻两个三通中部连接时通气状况,此时b处气体全部从a处补给。当H管位置在紧靠三通下部时,如图8b所示,水流从三通处流向立管,形成的水流带动空气向下流动从而使a、b两处有形成一定压差,排水起始阶段部分带走的空气可从c处流向专用通气立管并循环至a处,即a处带走的部分气体可从b处补充进来,从而有一定的调节能力,可改善三通处的气压状况。

　　 当三通处继续排水时,立管中的气体不断流失使系统需要通过顶部连续从外部补入空气,同时系统上部开始形成负压,此时如图8a、8c所示,H管紧靠三通上部及相邻两三通中部连接的时候,b处损失的气体只能全部从a处进行补充,但当H管紧靠三通下部连接时,气体的补充可以绕开水流,通过H管直接从水流下部进行补充,极大地改善了放水层三通处的通气状况,在一定程度上弥补了因放水层水流进入立管产生的水舌对气体通道的影响。

　　 根据排水系统终限流速及水膜流理论可知,系统上部容易形成负压,当排水流量增大到一定程度时系统上部空气损失严重,造成压力极限值超出正常范围,如图9所示,部分气体从H管(b处)进入排水管,此时H管越靠近三通对三通处补气效果越好,所以当H管靠近三通连接时的系统排水流量比H管在2个相邻三通中间连接时更大,因此在对比试验中将H管下移到靠近三通处后有效地缓解了5层通气状况。由于排水系统越靠近上部负压越明显,如图9中c处负压比a处明显,从而形成一定压差,补充的气体易顺着压差方向对立管系统负压较大区域进行补充,同时由于空气自身密度小容易往上流动,所以当H管紧靠三通下部时能很有效缓解三通处的负压。

　　 根据排水系统终限流速及水膜流理论可知,系统下部易产生正压,而且越接近立管底部正压越大,由于水流经过三通处时会与三通处有一定碰撞并产生一定气体使三通处造成的正压更加明显,相比于紧靠三通上部的H管,如图10产生的多余的气体更易从紧挨三通下部的H管(b)进入专用通气管里,从而极大缓解系统下部三通处的正压。而进入通气管的气体越多,对排水系统的通气状况的调节能力就越好,因此当H管每层紧靠三通下部连接时,系统在最大排水流量下的各层压力极限值曲线更趋于平稳。

　　 H管与排水立管不同的连接位置对双立管排水系统通水性能有很大影响,H管不同的安装位置会严重影响到三通处的通气状况,其中H管紧靠三通下部时通水效果最为显著。建议规范组在新规范修订时考虑明确H管位置,H管与排水管连接位置宜设置在紧靠三通下部。