【上海水處理設備網m.esdzu.com】建筑內部排水橫干管由于受敷設場所、建筑功能、建筑面積等原因限制，有時從橫干管起端至排出管之間敷設距離較長，并伴有排水管道的水平和豎直方向上轉折以及其他流量的匯入。排水管道在水平和豎直方向上敷設的轉折，在氣、水兩相流的排水系統中會對系統的排水能力、氣體壓力平衡帶來影響，甚至導致排水系統水封破壞。在工程設計中，排水橫干管至排出管之間管道內氣體壓力波動對系統排水能力和安全性的影響，較少受到關注，因此各種形式的敷設方式都有應用，通過對工程中常見的幾種敷設方式分析和比較，使這類管道的敷設方式引起重視，起到對增強系統排水能力、減小壓力波動以及保護排水系統水封的作用。寧波GMP純化水設備 

引用本文：蔣毅,高婧,周民. 建筑排水總管敷設方式研究［J］. 給水排水，2023，49（8）：87-93.

排水管道內是固、氣、水3種介質的運動狀態，其中固體雜質含量較少，排水管道內水的流動可以簡化為氣、水兩相流。建筑內部排水系統與室外排水系統相比具有流量、流速變化大，氣、水更易摻合，管道中氣壓變化幅度大的特點；同時由于所處環境的不同，建筑內部排水系統所造成的事故危害比室外排水系統更為直接和明顯。文中為了方便表述將排水橫干管至排出管之間敷設距離長，不僅有水平方向而且有豎直方向上轉折的排水管道統稱為“排水總管”（見圖1）。建筑內部排水橫干管至排出管之間的排水總管上橫管與立管交替連接，當水流由橫管流入立管時，流速迅速增大，水氣混合；當水流由立管進入橫管或排出管時，流速又快速降低，水氣分離；因此不能忽略在排水總管中氣、水流動的復雜運動狀態。建筑內部排水系統中，為了防止排水管道內氣體進入室內，通常在衛生器具和排水點設置存水彎，通過有一定高度的水柱，防止排水管道中有毒、有害氣體竄入室內，而這具有一定高度的水柱就是排水系統中用來抵抗管道內氣壓變化的水封。當水流在排水管內流動時，管道內的空氣也會隨之一起流動，據美國的早期研究顯示，在排水管道充滿度為0.5的穩定均勻流中，空氣的流速和水流的速度基本一致，但遇到立管超負荷運行形成水塞、排水支管連接管件安裝不當以及發生水躍時，管道中氣體所占面積就會受到壓縮，壓力升高形成氣阻，造成排水管道內的氣壓波動，甚至破壞水封。在一個排水系統中，只要有一個水封破壞，整個排水系統的平衡就被打破。排水管道的排水能力是根據水封不破壞時的最大排水量確定的，因此在建筑內部排水系統中防止水封破壞并提升管道排水能力是兩個必須考慮的重要問題。室內排水系統中，因為排水立管內水流呈豎直下落狀態，能量轉換和壓力變化劇烈，所以在工程中受到廣泛重視，通過設置專用通氣立管、主、副通氣立管的方式向立管負壓區補充空氣，降低立管負壓值，增加管道通氣截面積，保障立管排水能力。而對排水總管內流態和氣體壓力變化問題卻未能象排水立管一樣引起足夠的重視。

建筑排水總管敷設方式對比分析

圖1 排水總管

01排水總管特點

排水總管，是建筑內部排水系統中排水橫干管至排出管之間的管道為了滿足安裝敷設要求和建筑功能轉換需要，而產生橫向和豎向轉折的排水管道統稱。排水橫干管是連接多根排水立管至排出管的呈水平或與水平線夾角小于45°的管道；排水總管中呈垂直或與垂線夾角小于45°的排水管道稱為排水立管。因此排水總管中水流的流動狀態和管道中氣體壓力變化，兼具水流在橫管和立管中流動狀態和管道中氣體壓力變化的特點。

1.1 排水總管流態

排水立管中水流在豎直下落時挾帶著管道中的空氣一起向下運動，在豎直進入排水橫管后水流方向發生改變，管道內水流的能量、流動狀態以及管內壓力都發生變化。如圖2所示，根據國內外的試驗研究，污水由豎直下落進入橫管后，橫管中的水流狀態可分為急流段、水躍及躍后段、逐漸衰減段。排水立管中的水流進入橫管形成水躍，管內水位上升，排水橫管中，氣體流動截面積變小，水流中所挾帶的氣體受到壓縮，瞬間排水橫管中氣體壓力增大。又如圖3所示，水躍大致發生在離立管與水平管的結合處10倍管徑的地方。因此對于連接多根排水立管的排水橫干管，在用水高峰時段，立管和橫干管連接處的排水橫管中壓力變化明顯。

建筑排水總管敷設方式對比分析

圖2 橫管內水流狀態

建筑排水總管敷設方式對比分析

圖3 排水管中的水躍

排水橫干管中水流會繼續通過豎向轉折的排水總管向標高更低的排出管流動，此時水流的狀態類似于排水橫支管中水流進入立管豎直下落的狀態。如圖4所示，由于水流在下落過程中會挾帶一部分的管道中氣體向下運動，如果這部分管道中流失的氣體不能得到及時補充，在排水立管的上部會形成負壓；此時，排水橫干管距離立管底部越高、排水量越大、通氣量越小在立管頂部所形成的負壓值則越大。 寧波GMP純化水設備

建筑排水總管敷設方式對比分析

圖4 排水管內壓力分布

1.2 排水總管中特殊現象

現代城市生活中高泡沫的洗滌劑使用越來越普遍，在污水排水管道中剩余的洗滌劑會和空氣、污水混合繼續產生泡沫。

由于泡沫的容重介于水和空氣之間，所以在排水管道中空氣容易被泡沫擋住，并使泡沫受到壓縮。受到壓縮后的泡沫除了隨污水流走以外，也可能從衛生器具排水口溢出，衛生器具的水封因此就受到了破壞，影響系統的通氣效果。如圖5所示,泡沫最容易積聚的地點是靠近立管的底部和水平轉彎的前部、。而這一位置又恰好位于排水總管上的水平橫管和排水立管底部處，對排水總管的排水能力和管道內氣體壓力平衡帶來影響。

建筑排水總管敷設方式對比分析

圖5 泡沫壓力區

02排水總管敷設方式

排水橫管采用非滿管流設計主要原因之一就是為了給管道中空氣以及污水中釋放出的有害氣體能有自由流動和排出的可能。氣體與水不同，是一種可壓縮流體。如果空氣受到壓縮，那么每縮小大約1/400就會產生約1英寸（25mm）的水柱反壓。《建筑給水排水設計標準》(GB 50015-2019)4.3.11規定“水封裝置的水封深度不得小于50mm，嚴禁采用活動機械活瓣替代水封，嚴禁采用鐘式結構地漏。”，這50mm的水封高度要求是在考慮了靜態和動態原因（如蒸發、毛細作用、誘導虹吸）造成的存水彎水封高度減少后確定的。《住宅生活排水系統立管排水能力測試標準》(CJJ/T245-2016)5.0.1明確，采用瞬間流量法和定流量法時，排水系統內最大壓力判定值分別為±300Pa和±400Pa。在這個范圍內的氣壓波動，對水封不會造成破壞，所以建筑室內排水系統中氣體壓力波動值也應當在這個范圍內，才能保障整個排水系統的正常使用。提高排水總管的排水能力，防止或降低水封破壞的可能，是在室內排水系統設計時值得繼續深入研究和探討的問題。在此，對下列的3種排水總管敷設方式，主要從排水能力以及氣壓波動對水封的影響兩方面進行分析、比較。

2.1 方式一：無通氣管道的排水總管敷設

排水橫干管至排出管之間沒有設置專屬通氣管道輔助室內排水總管的負壓補充和氣體壓力平衡，上海GMP純化水設備在此暫將這種方式稱為“無通氣管道的排水總管”，如圖6所示。

建筑排水總管敷設方式對比分析

圖6 無通氣管道的排水總管

2.1.1 管道排水能力

圖6中節點0~2和4~6管段排水橫干管的管徑可以依據《建筑給水排水設計標準》(GB 50015-2019)4.5.4所列的式(1)、式（2）計算：

建筑排水總管敷設方式對比分析

式中 qp——計算管段排水設計秒流量，L/s;

A——管道在設計充滿度的過水斷面，m2;

V——速度，m/s;

R——水力半徑，m;

I——水力坡度，采用排水管的坡度;

n——管渠粗糙系數，塑料管取0.009、鑄鐵管取0.013、鋼管取0.012。

但排水總管上WL-Z管段的管徑選擇應該按照不伸頂的排水立管最大允許排水流量確定，還是可以作為伸頂通氣的排水立管確定。自《建筑給水排水設計規范》（GB 50015-2003，2009年版）中提出“自循環通氣”方式后，國內的規范和標準中就不再考慮采用不伸頂排水立管在工程中應用，也就在沒有相關排水流量數據可供參考；如果排水立管上端不能伸頂通氣，為了防止管內形成水塞流破壞水封，立管允許的排水能力大為減小，節點6處再接入排水流量就極有可能造成該立管的排水超負荷形成水塞流。即使將WL-Z視為有伸頂通氣的排水立管，那么也有兩個需要考慮的問題：

（1）在同時用水率高的建筑中，WL-2~4立管排水量大時，會造成排水橫干管0~2節點管道截面積減小，影響氣體在排水橫干管中流動形成氣阻，排水橫干管排水不通暢，對排水能力和水封保護帶來不利影響；而采用放大排水橫干管方式，則容易造成日常使用時，排水流速過緩，管道淤堵的問題。

（2）從排水立管頂部負壓區的形成原因，當水流在流速較快的狀態下由橫支管進入立管會出現一種水力現象——“水舌”。因此在圖6的節點2~3和節點5~6之間的排水橫干管豎向轉折處也會產生“水舌”現象和管道負壓區，由式（3）可知，如果WL-Z管段在節點3處對管道內流失空氣的補充都需要經過“水舌”區，那么空氣入口局部阻力系數ξ過大（當排水立管不伸頂通氣時局部阻力系數→∞），排水時產生的負壓很難迅速得到空氣的補充，水封容易被虹吸作用破壞。

建筑排水總管敷設方式對比分析

式中 P1——立管內最大負壓值，Pa；

ρ——空氣密度，kg/m3；

Kp——管壁粗糙高度，m；

Q——排水流量，L/s；

dj——管道內徑，cm；

β——空氣阻力系數，β=1+ξ+λ（L/dj）+ K；

ξ——管頂空氣入口處的局部阻力系數；

λ——管壁摩擦系數；

L——從管頂到排水橫支管處長度；

K——進水水舌局部阻力系數。

2.1.2 管道氣體壓力波動，對水封影響

WL-Z管段如果作為不伸頂的排水立管，則允許的排水流量有限，過大的流量進入管道會形成“水塞流”，造成管道內氣體壓力波動超過（±3~400）Pa，系統水封會被破壞；上海GMP純化水設備若將WL-Z管段作為有伸頂通氣的排水立管，排水橫干管豎向轉折處的負壓區仍然存在空氣阻力系數大，管內最大負壓值高的問題，排水立管底部與排水橫干管之間的“水躍”區能量未能降低，排水橫干管中氣阻沒有有效緩解，這些都是破壞水封的風險，因此這種排水總管敷設方式，使排水系統水封受到破壞的可能性較大。

2.2 方式二：有通氣管道的排水總管敷設

排水橫干管至排出管之間設有伸頂通氣管道輔助室內排水總管的負壓補充和氣體壓力平衡，在此暫將這種方式稱為“有通氣管道的排水總管”，如圖7所示。

建筑排水總管敷設方式對比分析

圖7 有通氣管道的排水總管

2.2.1 管道排水能力

圖7中，排水總管中WL-Z管段頂部增加了伸頂通氣的管道，排水橫干管管徑仍按照式（1）、式（2），通過水力計算確定；在節點6處接入立管的排水流量，只要不超過有伸頂通氣管的排水立管最大設計排水能力即可。排水總管排水能力較圖6方式更優，排水總管中負壓區空氣補充更為直接、順暢。WL-Z管段作為有伸頂通氣的排水立管，伸頂通氣管管徑應符合《建筑給水排水設計標準》(GB 50015-2019)4.7.17要求。空氣在管道中流動時的摩擦阻力可以用達西—韋斯巴赫公式（4）來表示：

建筑排水總管敷設方式對比分析

式中 h——摩擦阻力損失；

f——摩擦系數；

L——管道的長度；

d——管徑；

V——空氣流速；

g——重力加速度。

由式（4）可知，摩擦阻力損失h和管徑d成反比，如果通氣管管徑過小，摩擦阻力損失大于25mm地漏水封損失時，采用瞬間流量法判定的對應負壓值為-318Pa，排水系統中水封就會被破壞，所以為了減小摩擦阻力損失，伸頂通氣管管徑宜與WL-Z同管徑。 上海GMP純化水設備

2.2.2 管道氣體壓力波動，對水封影響

圖7所示排水總管敷設方式，雖然排水橫干管節點0~2段依然存在氣阻的可能，但管段WL-Z的伸頂通氣管有助降低和緩解排水橫干管中氣阻的影響，伸頂通氣管的設置，會更有利于向排水總管節點2~3段負壓區補充不經過“水舌”區的空氣，水舌阻力系數K值減小（K→0），排水總管上WL-Z管段負壓減小，排水系統中氣壓波動值降低，水封破壞的風險也隨之減少。

2.3 方式三：有專用通氣管道的排水總管敷設

排水立管WL-1~4的專用通氣立管TL1~4采用匯合通氣管道的方式，一直伴隨排水總管敷設到排出管位置以斜三通相連接。排水橫干管至排出管之間設有專用通氣管道輔助室內排水總管的負壓補充和氣體壓力平衡，該方式個人將其看作設有專用通氣管的排水總管敷設方式，在此將其暫稱為“有專用通氣管道的排水總管”,排水橫干管敷設方式如圖8所示。

建筑排水總管敷設方式對比分析

圖8 有專用通氣管道的排水總管

2.3.1 管道排水能力

圖8中，排水橫干管節點0~2、4~6處的管徑仍按照式（1）、式（2），通過水力計算確定。排水橫管按照一定水力坡度敷設的同時將匯合TL-2~4后的專用通氣管沿排水橫管敷設方向水平敷設至節點2處。在專用通氣管伴隨排水橫干管水平敷設的過程中，距排水立管底部下游側10倍立管直徑長度范圍內與排水橫干管以斜三通相連接（如圖8中，0′、1′、2′、4′、7′位置）。WL-Z與TL-Z的連接按照《建筑給水排水設計標準》(GB 50015-2019)4.7.7要求執行；TL-Z的管徑，可以按照《建筑給水排水設計標準》(GB 50015-2019)4.7.13及4.7.18計算確定。該敷設方式中由于專用通氣管道的存在，并在水躍產生區與排水橫干管相連，因此排水橫干管中產生氣阻的可能性減小。同時通氣管道截面積增加，排水立管內不宜形成“水塞流”，節點6處的匯入流量可以按照有專用通氣管的排水立管最大排水能力復核，對整個排水總管的排水能力提升有幫助。

2.3.2 管道氣體壓力波動，對水封影響

圖8所示排水總管敷設方式，因為專用通氣管伴隨排水總管敷設到排出管并且在規范要求的位置以及水躍產生區與排水總管相連接，所以降低了管道內氣體波動的影響。專用通氣管與排水總管的連接既補充了排水管道內的負壓區所需空氣，又減輕了“水躍”對排水橫管內部正壓的影響，并且提升了排水能力，對排水管道系統內的水封保護有利。

排水總管敷設方式的具體比較如表1所示。

表1 排水總管敷設方式比較

建筑排水總管敷設方式對比分析

03、結 語

在建筑體量大、功能復雜的建筑中，因為建筑功能多，有些區域不適合排水管道的敷設、安裝，所以經常需要排水總管進行水平和豎向轉折。不同于一般的排水橫干管連接排水立管后以最短的直線距離排水出戶，排水總管的橫向和豎向轉折在某些情況下會在橫管和豎直立管中造成氣阻和流態的變化，使得排水管道系統中氣體壓力波動，影響管道系統排水能力并破壞其水封設置。近年來排水系統水封的作用引起大家重視，要使水封不被破壞除了正確設計和安裝衛生器具、地漏以及排水管道外，上海GMP純化水設備科學合理設置排水系統中的通氣管道也是相當重要的。而排水總管不像排水立管那樣受到設計人員的關注，因此很容易忽視排水總管中排水能力、氣體自由流動和敷設安裝方式之間的相互關系。在排水系統中，當水流在橫管或立管中流動的時候，氣體也會跟著流動，但是排水管中的水流不是穩定的均勻流，所以很難用簡短的文字或幾個公式完整而準確的概括出運動的規律。1932年時，亨特（Roy B.Hunter）博士在一份報告中寫道：“水流在不滿流的垂直管道中的流動情況隨管中水流的充滿程度而變化。當水流細小如縷的時候，水是附在管道內壁流下來的。當水流逐漸增大時，水附在管壁的厚度逐漸增大，直到空氣對它的阻力促使它在管道的橫斷面方向形成短暫的水膜，像塞子一樣下降，然后由于空氣壓力增加，水塞破裂，沖向管壁，或者單獨在管中心處下落一小段距離。在管徑為3英寸的立管中，這種隔膜和水塞的形成是在立管壁上水層充滿管道的1/4~1/3的時候。這種斷續流動是室內排水系統中壓力無規律變化的原因之一。”可見排水管道系統中的氣、水兩相是相互影響和變化的，所以排水管道系統中合理的壓力波動也應是在一定范圍內的動態變化，一旦超出這個范圍就會打破排水系統內氣體壓力與大氣壓的平衡，使得排水管道系統的水力條件受到影響，排水管道系統中有毒、有害氣體溢入室內，危害健康。

（1）從上述3種排水總管敷設方式和圖2~圖5可以了解到水流在排水系統中的速度和流態變化，以及泡沫壓力區的存在對排水總管的影響，要減小排水系統中正、負壓區對排水能力的削弱，并達到有效保護系統水封的目的，設置通氣管是重要辦法之一。在排水系統中不僅要重視流速快、管道內壓力變化大的排水立管通氣管設置問題，而且也需要關注負擔衛生器具多、排水負荷大的排水總管暢通和管中氣體壓力波動問題，對于水平或豎向有轉折且敷設距離長的排水總管，通過必要的通氣管可以確保排水管道的排水能力并保護水封。

（2）排水總管的3種敷設方式中，方式一，對于排水橫干管豎直轉折處的負壓降低，以及排水立管底部正壓減小不如方式二、方式三直接有效；而且，方式一中WL-Z管段由于缺少明確理論和實驗數據的支持，因此不推薦采用該方式。通過國內、外學者的理論和試驗研究可知，排水立管中存在附壁螺旋流、水膜流以及水塞流3種流動狀態，這3種流動狀態的形成與管徑和排水量的大小均有關。排水立管中水流斷面積/管道斷面積之比（α）在1/4~1/3的水膜流是安全可靠且經濟合理的水流狀態，而要實現水膜流就需要確保立管中有一定的氣體流動空間。針對方式二、方式三，因為有伸頂通氣管和專用通氣管的輔助，排水總管中WL-Z管段有保障立管中氣體流動的空間，對排水總管的排水能力以及管中氣體的自由流動均有幫助，所以在工程中可以根據實際條件和需要選擇合適的方式應用。但方式二在應用時，WL-Z管段僅能作為有伸頂通氣的排水立管并依據規范允許的最大設計排水能力確定其管徑，且管徑不應小于前端排水橫管管徑。從式（4）可知，由于管道中空氣摩擦阻力的存在，因此伸頂通氣管管徑應當滿足《建筑給水排水設計標準》（GB 50015-2019）中4.7.17條要求，才能更好發揮作用。上海GMP純化水設備 

（3）《建筑給水排水設計標準》（GB 50015-2019）中規定，專用通氣立管和主通氣立管下端除了在最低排水橫支管以下與排水立管以斜三通連接，“或者下端應在排水立管底部距排水立管底部下游側10倍立管直徑長度距離范圍內與橫干管或排出管以斜三通連接；”。可見方式三是對專用通氣管與排水立管連接的延伸，同時專用通氣管與排水橫干管相連接，不僅對緩解和降低立管底部正壓有幫助的，而且也增強了排水總管中WL-Z管段的排水能力。此方式對排水橫干管的排水能力提升以及減少氣阻現象可以有多大的幫助，仍需要更多的理論和試驗來研究和探索。

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