唐楚丁 賀杏華
（武漢理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070）

　　摘要：通過對水膜流狀態(tài)下的流速與能量方程、充水率及空氣壓差的分析，認(rèn)為在終限流速相等的條件下，塑料管排水的能力比同管徑鑄鐵管小。且塑料排水立管通水能力應(yīng)從管內(nèi)壓力波動及空氣壓差兩方面綜合考慮。
　　關(guān)鍵詞：排水主管；塑料管；鑄鐵管
　　中圖分類號：TU992.22　　 文獻標(biāo)識碼：A 　　文章編號：1009－2455（2455（2003）02－0058－02

Discussion on Drainage Ability of Plastic Run－Off Standpipe
TANG Chu－ding，HE Xing－h(huán)ua
（Civil Engineering and Building Institute，Wuhan University of Technology,Wuhan 430070，China）

　　Abstract：It Is believed through analyses of the equation of flow rate and energy of water in the state of waterfilm flow，water fullness and air pressure difference in the pipe that under the condition of same terminal velocitythe drainage ability of a plastic pipe is lower than that of a cast iron pipe of the same diameter and that thedrainage ability of plastic run－of standpipe should be considered in a comprehensive way by taking into accountthe fluctuation of pressure and the difference of alr pressure inside the pipe.
　　Keywords：run-off standpipe; plastic pipe;cast iron pipe;cast iron pipe

　　塑料管以其諸多的優(yōu)越性在建筑排水工程中得到愈來愈廣泛的應(yīng)用。其內(nèi)壁光滑，水力條件好和管質(zhì)輕等特點決定了塑料管是建筑排水管的首選材料。然而由于塑料管因材料本身，設(shè)計方法等因素的影響，再加上國內(nèi)對這種管材的使用起步較晚，使得在實際工程中經(jīng)常發(fā)生的水封破壞問題引起了廣大設(shè)計人員對塑料管排水能力問題的爭議。本文試圖從塑料管道水流流態(tài)等方面的特點結(jié)合實際對塑料排水立管通水能力作些探討。

1 排水立管的水通量計算

　　建筑排水立管在水膜流狀態(tài)下管內(nèi)水流的終限流速[1]:
　　ν_τ＝2.22（g³／k）^1/10·（Q／d）^2/5
式中：
　　ν_τ——立管中水膜流終限流速，m／s；　　　　　　　　　（１）
　　g——9.81，m／s²；
　　k——立管管壁絕對粗糙高度，m；
　　Q——立管通水能力，m³／s；
　　d——立管管件，m。
　　又：Q＝ ν_τ·W_τ，W_τ＝πe_τ；（d－e_τ）
式中：
　　W_τ——終限流速時的過水?dāng)嗝婷娣e，m²；
　　e_τ——水膜厚度，m。
　　聯(lián)立上述式子可得：
　　Q＝79.7[ e_τ（d－ e_τ）]^5/3/（d^2/3·k^1/6）　　　　（２）
　　從式（2）中可看出：在管徑d和水膜厚度 eτ相等的條件下立管最大通水能力與管壁絕對粗糙高度k的1／6次方成反比，塑料立管的粗糙高度 K₁=0.015mm，鑄鐵管 k2＝0.25mm，（k₂／k₁）^1/6=1.6，即塑料立管比鑄鐵管水通量增加 60％。
　　其主要原因是塑料管內(nèi)壁光滑，阻力小，水流速度大，其立管通水能力也大。但隨著實踐的發(fā)展，這種傳統(tǒng)的觀點正受到挑戰(zhàn)。相反，塑料管的這些“優(yōu)點”恰為不利因素，水流速度大使得管內(nèi)空氣壓差加大，最終導(dǎo)致通水能力下降。兩種截然相反的觀點使廣大設(shè)計人員感到茫然、為此就影響塑料管排水能力的各種因素加以簡單分析。

2 充水率α與終限流速νt分析

　　排水立管中的水流在部分充滿形成水膜流并達到終限流速時終限流速νt和水膜厚度et均保持不變，此時wt為相應(yīng)終限流速νt時的過水?dāng)嗝婷娣e，w為立管截面積，令充水率α＝wt／w。國外實驗指出：適用于室內(nèi)安裝衛(wèi)生器具的排水立管的充水率在1／4～1／3范圍內(nèi)時形成水膜流，管內(nèi)壓力不致于產(chǎn)生強烈波動^[2]。但為了保證水封不被破壞，管內(nèi)壓力相對于外界大氣壓力不能超過一定限度，此差值即為臨界壓力pn。事實上在充水率α滿足壓力波動幅度不大的情況下，并不能保證管內(nèi)空氣壓力與外界大氣壓力的差值p沒有超過臨界壓力pn，而這個差值p與終限流速νt存在如下關(guān)系^[3]：p=ρ·β·νt2（式中：ρ為空氣密度，kg／m³；β為空氣阻力系數(shù)；ν_t為終限流速，m／s）。因此塑料排水立管通水能力應(yīng)從充水率α和終限流速ν_t兩方面加以分析。
　　由前述（1）式可知：
　　Q＝d·ν_t^5/2；k^1/4／40.7 　　　　　　　　　（3）
　　聯(lián)立（2）（3）兩式得
　　ν_t=25.4[e_t（d－e_t）]^2/3／（d^2/3·k^1/6）　　（4）
　　又 α=w_t／w= 4（e_t／d－e_t²／d²）　　　　　　　（5）
　　聯(lián)立（4）（5）兩式可導(dǎo)出
　　ν_t=10α^2/3·d^2/3·k^-1/6（6）
　　從式（6）中可看出：
　　①在塑料管與鑄鐵管中的終限流速νt及管徑d相等的條件下有α2/3／k1 1/6＝α2 2/3／k2 1/6。
　　由（k₂／k₁）^1/6＝l.6可得。α_l／α₂＝0.5，此時塑料管的水通量比同管徑的鑄鐵管下降50％。
　　②在塑料管與鑄鐵管中的充水率α。和管徑d相等的條件下令其終限流速分別為νt和νt2，由（6）式可得出ν_t1／ν_t2＝k₂ ^1/6／k₁ ^1/6＝1.6，此時塑料立管的終限流速是鑄鐵管的1.6倍即水通量也是鑄鐵管的1.6倍，但終限流速過大會使管內(nèi)空氣壓差過大產(chǎn)生正壓噴濺和負壓抽吸等現(xiàn)象導(dǎo)致水封破壞。

3 通水能力Q的確定

　　室內(nèi)排水系統(tǒng)的任務(wù)應(yīng)以保證暢通和防止水封破壞兩項內(nèi)容為目標(biāo)，由公式ν_t＝10 α^2/3 d^2/3 k^－1/6可得排水塑料立管的充水率α與ν_t一一對應(yīng)，νt隨著α的增大而增大，故在規(guī)定塑料立管的排水能力時既要限制α不大于 1／3以保證管內(nèi)壓力波動不太大，又要使終限流速νt不大于終限流速允許值以保證水封不被破壞，這個允許值應(yīng)根據(jù)試驗實際測定。比如對于DN100的管道，國內(nèi)試驗已證明為使管道內(nèi)的水封不被破壞水流速度不宜超過 4 m／s[4]。因此當(dāng)某一管道的管徑 d和粗糙度 k已確定時由試驗測得終限流速允許值為ν_t允。，據(jù)此可根據(jù)（6）式求得對應(yīng)的充水率α從而求得水通量Q₁＝d·k^1/4·νt允^5/2／40，如果限制充水率α不得超過 1／3，據(jù)此也可求得對應(yīng)的終限流速νt從而求得水通量Q₂＝1.3d^8/3／k^1/6。為保證排水暢通和水封不被破壞，塑料主管的排水能力Q應(yīng)取Q1和Q2 中較小者Q＝min（Q₁，Q₂）。

4 結(jié)論與建議

　　①立管允許設(shè)計流量應(yīng)與塑料管道水力特性相適應(yīng)。如果單純從流通能力來講排水塑料立管較鑄鐵管大，但室內(nèi)排水任務(wù)應(yīng)同時保證排水暢通和水封不被破壞，在這種條件下塑料立管的排水能力不一定比鑄鐵管大。
　　②塑料排水立管的終限流速應(yīng)進行試驗實際測定，總結(jié)出保證水封免受破壞的合理終限流速允許值，然后結(jié)合適當(dāng)?shù)某渌蚀_定出合理的塑料排水立管允許排水能力，以供設(shè)計人員參考。

參考文獻：
[1]錢維生.高層建筑給水排水工程[M]上海：同濟大學(xué)出版社，1989.
[2]景有海.塑料排水立管的通水能力[J].給水排水，1997，23（9）：43—45.
[3]高明遠，邱秀萍，曾雪華，等.建筑給排水工程學(xué)［M］.北京：建筑工業(yè)出版社，2002.
[4]姜云峰.建筑排水塑料管道水封破壞原因分析[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報，1998，11（l）：61－64.

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作者簡介：唐楚丁（1947－），男，湖南永州人，武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院副教授，學(xué)士，主要從事建筑給排水研究。