室内污水排水系统流态及设计中的应用
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摘要：简述污水排水系统中的水流特征，并提出按照排水系统的水力工况如何优化排水设计的合理化建议。
关键词：污水排水系统 水塞 水膜运动 通气管系统
污水在排水立管、横管内流动，它既不像给水管那样的稳定压力流，又不像通常的重力流，而是污水和空气的两相流，所引起管内压力变动与排水主管的通气方式有较大的关系。如室内排水系统设计不善，往往会引起地漏或卫生器具水封破坏，造成排水管道中臭气通过排水管侵入室内，甚至部分卫生器具或出现如同沸腾的开水一般冒泡和泛滥，从而污染生活环境，给住户造成心理困扰。
一个完善的室内排水系统必须满足下列四点要求：
（1）管道布置合理和管道最省，以及能快速排除由卫生器具或生产设备所排出的污水；
（2）使排水管道内的气压波动尽量稳定，从而防止管道系统水封被破坏，避免排水管中有毒或有害的气体或污、废水进入室内；
（3）管道及设备的安装必须牢固，不致因建筑物或管道本身发生少许震动和变位时使管道系统漏水；
（4）为污水综合利用及处理提供有利条件，尽可能做到清污分流，减少有毒或有害物质污水的排放量，以保证处理构筑物的处理效果。
室内排水系统主要由卫生器具或生产设备受水器、排水管系统、通气管系统、清通设备四部分组成。由于室内排水管系统中的水流运动属于气液两相流动，故排水管系统、通气管系统的特性对室内排水系统的排水效果有相当重要的关系。
下面就分别对排水管系统、通气管系统加以讨论。
一．室内排水横、立管中水流流动特征
一般室内排水管系统由器具排水管、横支管、立管、总横干管和室外排出管等组成。
1．室内排水横管中水流流动特征
室内排水横管中的实际水流运动是一种比较复杂的带有压缩性气体的非稳定、非均匀的流动状态。
室内卫生器具污水的排放具有短历时、高流率进行的特点，尤其在接有大便器的排水管段中此现象甚为明显。这种水流在突然排放后在管道内形成水跃使水面壅起，并可能充满管断面（当流量与管道设计能力之比值较小时，也可能未充满整个管断面），此时流速增加动能也相应增加，因而排水能力较之相同情况下的稳定均匀流为大。这种水流有似河道或水工结构中的涌浪水流运行（亦称之为冲激流）。冲流在管中以其高速强力的排泄，能冲刷管道沉积物，并及时将含有纸屑杂质等固体物的污水排除掉。但是，当接于立管（有水流动）的横管中发生冲激流情况时，因水流的动能突然增加，在往前涌流的过程中可能在某时刻成为一个水塞，此水塞在某个位置充满管道，迫使空气不能自由流动而引起其压缩和扩散。此种水柱运动的前端管道空间气体受压缩，形成正压，在短时间将存水弯水层往上升起，此现象即称回压；而后端空间气体体积由扩疏变稀形成负压，抽吸存水弯内的水。正压和负压均可能破坏水封。
2．室内排水立管中水流流动特征
污水从横支管进入立管时，其水量有个速增过程，排放末了时又有速减过程。所以，进入室内排水立管中的水流是断续的、非均匀的，管道内并非经常充满水。同时由于绝大部分时间是部分充满水，因而水流必带气，呈气液两相的夹气流。在整个水流央气往下降落的过程中就不断发生管内气体压力疏张或压缩对立管水流运动过程的实验研究表明，当立管中流量较小时，水流沿管壁周边作螺旋运动，这是因为流经粗糙的管壁受到摩擦的原故；此时立管中气流正常流通，通气量较大，气压稳定。随着水量的增加，螺旋运动开始破坏，并且当水量足够覆盖住管壁时，完全停止了螺旋流；水流改作附着于管壁而作水片下落的状态，其原因是管壁的吸附力（尤其是水较污浊时）大于水的表面张力。此时管内气体压力仍较稳定。但是，这种状态是过渡性的，历时甚短，水量再稍大就转到下一个状态中去了。当流量增加到足够大时，水流由空气的阻力和管壁的摩擦作用而形成水的隔膜运动（所谓隔膜乃是具有一定厚度的水膜层）。
水膜运动具有两个重要特征
（l）水膜运动在短时间内可能产生不稳定的水塞，即在某个较短管段形成充满管断面的水柱体（如同汽缸中的活塞）。但是，此时在管道内尚有足够的空气量足以将此不稳定水塞冲破，使其在下降一段距离后又分成几股水流继续作水膜运动。这种现象主要是在水流充满立管断面1/4一1/3时发生的。
（2）水膜运动开始形成后便作加速度下降，其厚度近似与下降变速运动的速度成反比。当水膜沿着具有足够长度的立管下降而达到其重力与所受到的管壁摩擦力平衡时，水膜厚度则不再变化，一直保持恒值到立管底部。当水量更大，直到水流充满立管断面1/3以上时，水膜的形成更加频繁，以致很容易地变为较稳定的水塞运动。水塞的形成引起立管内气体压力波动更激烈，即使立管上端开口，由其吸引入的空气流也不能冲击破坏水塞体的结构。这个期间内，如果立管上部的透气管补气不足和立管底部排气不畅，而水塞造成了有压冲击流，在其运动的前端为大于大气压的正压，后端为小于大气压的负压，其数值之大足以造成卫生器具的存水弯的回压和抽吸现象，破坏了整个排水系统的正常工作。
二．通气管系统的作用
一般层数不高、卫生器具不多的建筑物，仅设置排水立管上部延伸出屋顶的通气管；对层数较多的建筑物和卫生器具设置数较多的排水管系统，应设辅助通气管及专用通气管。
通气管系统的作用：（l）使室内外排水管道中散发的有害气体能排到大气中去；（2）补给排水管系统的空气，使水流畅通，减少排水立管内气压变化幅度，防止卫生器具水封破坏；（3）经常有新鲜空气流通于管道内，可减轻管道内废水废气锈蚀管道的危害。
三． 室内排水系统设计
室内排水系统由于空气阻力等因素的关系，其排水能力受到较大的影响。一般一定管径的污水管只允许一定范围的水量通过。污水管中水流呈气液两相的流动状态，其水流运动与许多因素有关，如水量、水质、管壁粗糙度、进水入口的几何特性、水流充满度、立管高度等。其中最主要的因素是立管的充满度亦即进水量的大小。
通过上述水流运动过程的分析，在多层建筑的地下横管（主干管或排出管）或高层建筑的立管底部横管中，当由立管流来的水量过大时，将产生强烈冲激流。而立管内最适宜的流量应在水膜形成的范围内，既部分充满管断面l／4－l／3，因为这时既充分发挥了立管的通水能力，而其内部的压力波动又被控制在允许的最大限度内。立管设计流量的负荷极限值（允许设计流量）应依此原则确定。
从以上分析可知，要改善排水横、立管内流态，加强排水管通水能力，我们可以有三种方法：（l）增大管径，使水流断面占整个管道断面的l／4以下，从而消除水塞形成的条件或冲激流形成的条件；（2）增加管道粗糙度，促使水膜形成；（ 3）保证管道内通气良好，减少管内气压波动。由此我们在工程设计中充分考虑了上述方法，首先在减缓冲激流方面，采取一些措施，如为防止污水从底层或二层卫生器具冒泡和返溢现象，我们在设计中需严格执行国家标准《建筑给水排水设计规范》GB50015―2003（2009版）中4.3.12明确规定：排水立管最低排水横支管与立管连接处距排水立管管底垂直距离不得小于表4.3.12的规定；底层污水管道或不能符合表4.3.12要求的横管应单独排出；在管径一定的情况下，为了增加排水横管的排水能力可在横管上设置环形辅助通气管或安全辅助通气管；平时设计时比较容易忽视：底层卫生间（单排）横干管，也必须经过排水流量计算，若不能满足，也应采取设置环形通气管等措施以避免堵塞。无通气管的底层单独排出排水横管排水能力可参照《建筑给水排水设计规范》GB50015―2003（2009版）中4.4.15中表格的规定。
表4.3.12 最低横支管与立管连接处至立管管底的最小垂直距离
其次，在消除水塞形成的条件方面,从建筑物的本身功能要求来看，增大排立管管径的方法，是有限的和不太可行的，最有效的方法是保证立管上下端的通气良好，减少管内气压波动，从而在一定管径之下，可以加大立管的通水能力。故当排水立管设计流量大于临界流量值时，应设置专用通气立管，而当排水立管设计流量小于临界流量时，应设置伸顶通气管。
笔者认为，如果增加管道粗糙度，则容易造成管道堵塞。当然有研究认为可以改变立管内壁的形状，将内螺纹立管代替无螺纹光滑立管，利用管道内壁的螺纹来带动流体进行螺旋运动以帮助形成稳定的水膜和通气室来增加立管流量。
总之，工程设计中最简单可行且经济合理的方法为：保证管道内有良好通气条件，减缓管内气压波动，从而不影响管道本身的通水性能。另外，必须要提出的是，即使立管的水流状态为重力流，并且下部排水横管按重力流考虑设计，而且管道的管径和坡度设置较充足，也会在立管底部和排出管起端的一定距离内由于水流由陡坡向缓坡突变而发生壅水现象，因此，我们在设计中采用将与立管底部所接排出横管的管径放大，且转弯处采用2只45о弯头连接方法，这样保证
了立管上下游的通水通气能力，不致造成“瓶颈”现象。笔者认为排出横管的管径宜比立管所能承受的通水能力相应的管径放大一档最佳，但目前现有排水管材中DN125规格的管子尚不生产，因此，建议管材的生产单位可以考虑增加DN125规格管子的生产。
参考文献：
【1】GB50015-2003(2009版)建筑给水排水设计规范
【2】建筑给水排水设计手册 第二版（上册） 北京：中国建筑工业出版社，2008
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
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