建筑排水总管敷设方式对比分析
导读：建筑内部排水横干管由于受敷设场所、建筑功能、建筑面积等原因限制，有时从横干管起端至排出管之间敷设距离较长，并伴有排水管道的水平和竖直方向上转折以及其他流量的汇入。排水管道在水平和竖直方向上敷设的转折，在气、水两相流的排水系统中会对系统的排水能力、气体压力平衡带来影响，甚至导致排水系统水封破坏。在工程设计中，排水横干管至排出管之间管道内气体压力波动对系统排水能力和安全性的影响，较少受到关注，因此各种形式的敷设方式都有应用，通过对工程中常见的几种敷设方式分析和比较，使这类管道的敷设方式引起重视，起到对增强系统排水能力、减小压力波动以及保护排水系统水封的作用。
引用本文：蒋毅,高婧,周民. 建筑排水总管敷设方式研究［J］. 给水排水，2023，49（8）：87-93.
排水管道内是固、气、水3种介质的运动状态，其中固体杂质含量较少，排水管道内水的流动可以简化为气、水两相流。建筑内部排水系统与室外排水系统相比具有流量、流速变化大，气、水更易掺合，管道中气压变化幅度大的特点；同时由于所处环境的不同，建筑内部排水系统所造成的事故危害比室外排水系统更为直接和明显。文中为了方便表述将排水横干管至排出管之间敷设距离长，不仅有水平方向而且有竖直方向上转折的排水管道统称为“排水总管”（见图1）。建筑内部排水横干管至排出管之间的排水总管上横管与立管交替连接，当水流由横管流入立管时，流速迅速增大，水气混合；当水流由立管进入横管或排出管时，流速又快速降低，水气分离；因此不能忽略在排水总管中气、水流动的复杂运动状态。建筑内部排水系统中，为了防止排水管道内气体进入室内，通常在卫生器具和排水点设置存水弯，通过有一定高度的水柱，防止排水管道中有毒、有害气体窜入室内，而这具有一定高度的水柱就是排水系统中用来抵抗管道内气压变化的水封。当水流在排水管内流动时，管道内的空气也会随之一起流动，据美国的早期研究显示，在排水管道充满度为0.5的稳定均匀流中，空气的流速和水流的速度基本一致，但遇到立管超负荷运行形成水塞、排水支管连接管件安装不当以及发生水跃时，管道中气体所占面积就会受到压缩，压力升高形成气阻，造成排水管道内的气压波动，甚至破坏水封。在一个排水系统中，只要有一个水封破坏，整个排水系统的平衡就被打破。排水管道的排水能力是根据水封不破坏时的最大排水量确定的，因此在建筑内部排水系统中防止水封破坏并提升管道排水能力是两个必须考虑的重要问题。室内排水系统中，因为排水立管内水流呈竖直下落状态，能量转换和压力变化剧烈，所以在工程中受到广泛重视，通过设置专用通气立管、主、副通气立管的方式向立管负压区补充空气，降低立管负压值，增加管道通气截面积，保障立管排水能力。而对排水总管内流态和气体压力变化问题却未能象排水立管一样引起足够的重视。
图1 排水总管
01排水总管特点
排水总管，是建筑内部排水系统中排水横干管至排出管之间的管道为了满足安装敷设要求和建筑功能转换需要，而产生横向和竖向转折的排水管道统称。排水横干管是连接多根排水立管至排出管的呈水平或与水平线夹角小于45°的管道；排水总管中呈垂直或与垂线夹角小于45°的排水管道称为排水立管。因此排水总管中水流的流动状态和管道中气体压力变化，兼具水流在横管和立管中流动状态和管道中气体压力变化的特点。
1.1 排水总管流态
排水立管中水流在竖直下落时挟带着管道中的空气一起向下运动，在竖直进入排水横管后水流方向发生改变，管道内水流的能量、流动状态以及管内压力都发生变化。如图2所示，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。排水立管中的水流进入横管形成水跃，管内水位上升，排水横管中，气体流动截面积变小，水流中所挟带的气体受到压缩，瞬间排水横管中气体压力增大。又如图3所示，水跃大致发生在离立管与水平管的结合处10倍管径的地方。因此对于连接多根排水立管的排水横干管，在用水高峰时段，立管和横干管连接处的排水横管中压力变化明显。
图2 横管内水流状态
图3 排水管中的水跃
排水横干管中水流会继续通过竖向转折的排水总管向标高更低的排出管流动，此时水流的状态类似于排水横支管中水流进入立管竖直下落的状态。如图4所示，由于水流在下落过程中会挟带一部分的管道中气体向下运动，如果这部分管道中流失的气体不能得到及时补充，在排水立管的上部会形成负压；此时，排水横干管距离立管底部越高、排水量越大、通气量越小在立管顶部所形成的负压值则越大。
图4 排水管内压力分布
1.2 排水总管中特殊现象
现代城市生活中高泡沫的洗涤剂使用越来越普遍，在污水排水管道中剩余的洗涤剂会和空气、污水混合继续产生泡沫。
由于泡沫的容重介于水和空气之间，所以在排水管道中空气容易被泡沫挡住，并使泡沫受到压缩。受到压缩后的泡沫除了随污水流走以外，也可能从卫生器具排水口溢出，卫生器具的水封因此就受到了破坏，影响系统的通气效果。如图5所示,泡沫最容易积聚的地点是靠近立管的底部和水平转弯的前部、。而这一位置又恰好位于排水总管上的水平横管和排水立管底部处，对排水总管的排水能力和管道内气体压力平衡带来影响。
图5 泡沫压力区
02排水总管敷设方式
排水横管采用非满管流设计主要原因之一就是为了给管道中空气以及污水中释放出的有害气体能有自由流动和排出的可能。气体与水不同，是一种可压缩流体。如果空气受到压缩，那么每缩小大约1/400就会产生约1英寸（25mm）的水柱反压。《建筑给水排水设计标准》(GB 50015-2019)4.3.11规定“水封装置的水封深度不得小于50mm，严禁采用活动机械活瓣替代水封，严禁采用钟式结构地漏。”，这50mm的水封高度要求是在考虑了静态和动态原因（如蒸发、毛细作用、诱导虹吸）造成的存水弯水封高度减少后确定的。《住宅生活排水系统立管排水能力测试标准》(CJJ/T245-2016)5.0.1明确，采用瞬间流量法和定流量法时，排水系统内最大压力判定值分别为±300Pa和±400Pa。在这个范围内的气压波动，对水封不会造成破坏，所以建筑室内排水系统中气体压力波动值也应当在这个范围内，才能保障整个排水系统的正常使用。提高排水总管的排水能力，防止或降低水封破坏的可能，是在室内排水系统设计时值得继续深入研究和探讨的问题。在此，对下列的3种排水总管敷设方式，主要从排水能力以及气压波动对水封的影响两方面进行分析、比较。
2.1 方式一：无通气管道的排水总管敷设
排水横干管至排出管之间没有设置专属通气管道辅助室内排水总管的负压补充和气体压力平衡，在此暂将这种方式称为“无通气管道的排水总管”，如图6所示。
图6 无通气管道的排水总管
2.1.1 管道排水能力
图6中节点0~2和4~6管段排水横干管的管径可以依据《建筑给水排水设计标准》(GB 50015-2019)4.5.4所列的式(1)、式（2）计算：
式中 qp——计算管段排水设计秒流量，L/s;
A——管道在设计充满度的过水断面，m²;
V——速度，m/s;
R——水力半径，m;
I——水力坡度，采用排水管的坡度;
n——管渠粗糙系数，塑料管取0.009、铸铁管取0.013、钢管取0.012。
但排水总管上WL-Z管段的管径选择应该按照不伸顶的排水立管最大允许排水流量确定，还是可以作为伸顶通气的排水立管确定。自《建筑给水排水设计规范》（GB 50015-2003，2009年版）中提出“自循环通气”方式后，国内的规范和标准中就不再考虑采用不伸顶排水立管在工程中应用，也就在没有相关排水流量数据可供参考；如果排水立管上端不能伸顶通气，为了防止管内形成水塞流破坏水封，立管允许的排水能力大为减小，节点6处再接入排水流量就极有可能造成该立管的排水超负荷形成水塞流。即使将WL-Z视为有伸顶通气的排水立管，那么也有两个需要考虑的问题：
（1）在同时用水率高的建筑中，WL-2~4立管排水量大时，会造成排水横干管0~2节点管道截面积减小，影响气体在排水横干管中流动形成气阻，排水横干管排水不通畅，对排水能力和水封保护带来不利影响；而采用放大排水横干管方式，则容易造成日常使用时，排水流速过缓，管道淤堵的问题。
（2）从排水立管顶部负压区的形成原因，当水流在流速较快的状态下由横支管进入立管会出现一种水力现象——“水舌”。因此在图6的节点2~3和节点5~6之间的排水横干管竖向转折处也会产生“水舌”现象和管道负压区，由式（3）可知，如果WL-Z管段在节点3处对管道内流失空气的补充都需要经过“水舌”区，那么空气入口局部阻力系数ξ过大（当排水立管不伸顶通气时局部阻力系数→∞），排水时产生的负压很难迅速得到空气的补充，水封容易被虹吸作用破坏。
式中 P1——立管内最大负压值，Pa；
ρ——空气密度，kg/m3；
Kp——管壁粗糙高度，m；
Q——排水流量，L/s；
dj——管道内径，cm；
β——空气阻力系数，β=1+ξ+λ（L/dj）+ K；
ξ——管顶空气入口处的局部阻力系数；
λ——管壁摩擦系数；
L——从管顶到排水横支管处长度；
K——进水水舌局部阻力系数。
2.1.2 管道气体压力波动，对水封影响
WL-Z管段如果作为不伸顶的排水立管，则允许的排水流量有限，过大的流量进入管道会形成“水塞流”，造成管道内气体压力波动超过（±3~400）Pa，系统水封会被破坏；若将WL-Z管段作为有伸顶通气的排水立管，排水横干管竖向转折处的负压区仍然存在空气阻力系数大，管内最大负压值高的问题，排水立管底部与排水横干管之间的“水跃”区能量未能降低，排水横干管中气阻没有有效缓解，这些都是破坏水封的风险，因此这种排水总管敷设方式，使排水系统水封受到破坏的可能性较大。
2.2 方式二：有通气管道的排水总管敷设
排水横干管至排出管之间设有伸顶通气管道辅助室内排水总管的负压补充和气体压力平衡，在此暂将这种方式称为“有通气管道的排水总管”，如图7所示。
图7 有通气管道的排水总管
2.2.1 管道排水能力
图7中，排水总管中WL-Z管段顶部增加了伸顶通气的管道，排水横干管管径仍按照式（1）、式（2），通过水力计算确定；在节点6处接入立管的排水流量，只要不超过有伸顶通气管的排水立管最大设计排水能力即可。排水总管排水能力较图6方式更优，排水总管中负压区空气补充更为直接、顺畅。WL-Z管段作为有伸顶通气的排水立管，伸顶通气管管径应符合《建筑给水排水设计标准》(GB 50015-2019)4.7.17要求。空气在管道中流动时的摩擦阻力可以用达西—韦斯巴赫公式（4）来表示：
式中 h——摩擦阻力损失；
f——摩擦系数；
L——管道的长度；
d——管径；
V——空气流速；
g——重力加速度。
由式（4）可知，摩擦阻力损失h和管径d成反比，如果通气管管径过小，摩擦阻力损失大于25mm地漏水封损失时，采用瞬间流量法判定的对应负压值为-318Pa，排水系统中水封就会被破坏，所以为了减小摩擦阻力损失，伸顶通气管管径宜与WL-Z同管径。
2.2.2 管道气体压力波动，对水封影响
图7所示排水总管敷设方式，虽然排水横干管节点0~2段依然存在气阻的可能，但管段WL-Z的伸顶通气管有助降低和缓解排水横干管中气阻的影响，伸顶通气管的设置，会更有利于向排水总管节点2~3段负压区补充不经过“水舌”区的空气，水舌阻力系数K值减小（K→0），排水总管上WL-Z管段负压减小，排水系统中气压波动值降低，水封破坏的风险也随之减少。
2.3 方式三：有专用通气管道的排水总管敷设
排水立管WL-1~4的专用通气立管TL1~4采用汇合通气管道的方式，一直伴随排水总管敷设到排出管位置以斜三通相连接。排水横干管至排出管之间设有专用通气管道辅助室内排水总管的负压补充和气体压力平衡，该方式个人将其看作设有专用通气管的排水总管敷设方式，在此将其暂称为“有专用通气管道的排水总管”,排水横干管敷设方式如图8所示。
图8 有专用通气管道的排水总管
2.3.1 管道排水能力
图8中，排水横干管节点0~2、4~6处的管径仍按照式（1）、式（2），通过水力计算确定。排水横管按照一定水力坡度敷设的同时将汇合TL-2~4后的专用通气管沿排水横管敷设方向水平敷设至节点2处。在专用通气管伴随排水横干管水平敷设的过程中，距排水立管底部下游侧10倍立管直径长度范围内与排水横干管以斜三通相连接（如图8中，0′、1′、2′、4′、7′位置）。WL-Z与TL-Z的连接按照《建筑给水排水设计标准》(GB 50015-2019)4.7.7要求执行；TL-Z的管径，可以按照《建筑给水排水设计标准》(GB 50015-2019)4.7.13及4.7.18计算确定。该敷设方式中由于专用通气管道的存在，并在水跃产生区与排水横干管相连，因此排水横干管中产生气阻的可能性减小。同时通气管道截面积增加，排水立管内不宜形成“水塞流”，节点6处的汇入流量可以按照有专用通气管的排水立管最大排水能力复核，对整个排水总管的排水能力提升有帮助。
2.3.2 管道气体压力波动，对水封影响
图8所示排水总管敷设方式，因为专用通气管伴随排水总管敷设到排出管并且在规范要求的位置以及水跃产生区与排水总管相连接，所以降低了管道内气体波动的影响。专用通气管与排水总管的连接既补充了排水管道内的负压区所需空气，又减轻了“水跃”对排水横管内部正压的影响，并且提升了排水能力，对排水管道系统内的水封保护有利。
排水总管敷设方式的具体比较如表1所示。
表1 排水总管敷设方式比较
03、结 语
在建筑体量大、功能复杂的建筑中，因为建筑功能多，有些区域不适合排水管道的敷设、安装，所以经常需要排水总管进行水平和竖向转折。不同于一般的排水横干管连接排水立管后以最短的直线距离排水出户，排水总管的横向和竖向转折在某些情况下会在横管和竖直立管中造成气阻和流态的变化，使得排水管道系统中气体压力波动，影响管道系统排水能力并破坏其水封设置。近年来排水系统水封的作用引起大家重视，要使水封不被破坏除了正确设计和安装卫生器具、地漏以及排水管道外，科学合理设置排水系统中的通气管道也是相当重要的。而排水总管不像排水立管那样受到设计人员的关注，因此很容易忽视排水总管中排水能力、气体自由流动和敷设安装方式之间的相互关系。在排水系统中，当水流在横管或立管中流动的时候，气体也会跟着流动，但是排水管中的水流不是稳定的均匀流，所以很难用简短的文字或几个公式完整而准确的概括出运动的规律。1932年时，亨特（Roy B.Hunter）博士在一份报告中写道：“水流在不满流的垂直管道中的流动情况随管中水流的充满程度而变化。当水流细小如缕的时候，水是附在管道内壁流下来的。当水流逐渐增大时，水附在管壁的厚度逐渐增大，直到空气对它的阻力促使它在管道的横断面方向形成短暂的水膜，像塞子一样下降，然后由于空气压力增加，水塞破裂，冲向管壁，或者单独在管中心处下落一小段距离。在管径为3英寸的立管中，这种隔膜和水塞的形成是在立管壁上水层充满管道的1/4~1/3的时候。这种断续流动是室内排水系统中压力无规律变化的原因之一。”可见排水管道系统中的气、水两相是相互影响和变化的，所以排水管道系统中合理的压力波动也应是在一定范围内的动态变化，一旦超出这个范围就会打破排水系统内气体压力与大气压的平衡，使得排水管道系统的水力条件受到影响，排水管道系统中有毒、有害气体溢入室内，危害健康。
（1）从上述3种排水总管敷设方式和图2~图5可以了解到水流在排水系统中的速度和流态变化，以及泡沫压力区的存在对排水总管的影响，要减小排水系统中正、负压区对排水能力的削弱，并达到有效保护系统水封的目的，设置通气管是重要办法之一。在排水系统中不仅要重视流速快、管道内压力变化大的排水立管通气管设置问题，而且也需要关注负担卫生器具多、排水负荷大的排水总管畅通和管中气体压力波动问题，对于水平或竖向有转折且敷设距离长的排水总管，通过必要的通气管可以确保排水管道的排水能力并保护水封。
（2）排水总管的3种敷设方式中，方式一，对于排水横干管竖直转折处的负压降低，以及排水立管底部正压减小不如方式二、方式三直接有效；而且，方式一中WL-Z管段由于缺少明确理论和实验数据的支持，因此不推荐采用该方式。通过国内、外学者的理论和试验研究可知，排水立管中存在附壁螺旋流、水膜流以及水塞流3种流动状态，这3种流动状态的形成与管径和排水量的大小均有关。排水立管中水流断面积/管道断面积之比（α）在1/4~1/3的水膜流是安全可靠且经济合理的水流状态，而要实现水膜流就需要确保立管中有一定的气体流动空间。针对方式二、方式三，因为有伸顶通气管和专用通气管的辅助，排水总管中WL-Z管段有保障立管中气体流动的空间，对排水总管的排水能力以及管中气体的自由流动均有帮助，所以在工程中可以根据实际条件和需要选择合适的方式应用。但方式二在应用时，WL-Z管段仅能作为有伸顶通气的排水立管并依据规范允许的最大设计排水能力确定其管径，且管径不应小于前端排水横管管径。从式（4）可知，由于管道中空气摩擦阻力的存在，因此伸顶通气管管径应当满足《建筑给水排水设计标准》（GB 50015-2019）中4.7.17条要求，才能更好发挥作用。
（3）《建筑给水排水设计标准》（GB 50015-2019）中规定，专用通气立管和主通气立管下端除了在最低排水横支管以下与排水立管以斜三通连接，“或者下端应在排水立管底部距排水立管底部下游侧10倍立管直径长度距离范围内与横干管或排出管以斜三通连接；”。可见方式三是对专用通气管与排水立管连接的延伸，同时专用通气管与排水横干管相连接，不仅对缓解和降低立管底部正压有帮助的，而且也增强了排水总管中WL-Z管段的排水能力。此方式对排水横干管的排水能力提升以及减少气阻现象可以有多大的帮助，仍需要更多的理论和试验来研究和探索。
