排水立管中的“漏斗形水塞”现象对系统排水能力的影响

 排水立管中的“漏斗形水塞”现象对系统排水能力的影响

Affect of drainage capacity of the system to phenomenon of the funnel-shaped water stopper inside the drainage stack

姜文源¹ 罗定元²  吴克建³、任少龙³

1—悉地国际设计顾问（深圳）有限公司、 2—中元国际（上海）工程设计研究院、  

3—山西泫氏实业集团、全国建筑排水管道系统技术中心

【摘  要】

作者在进行系统排水试验中发现了一种影响排水立管排水能力的“漏斗形水塞”现象，这种现象会严重影响系统的通气能力，大大降低立管的排水能力。本文将 “漏斗形水塞”现象对系统的影响、产生的原因及防止措施介绍给读者，以提请生产厂家、设计师及安装施工人员，在产品设计和施工安装过程中采取措施，避免“漏斗形水塞”现象的发生，供大家参考。

【术语解释】：

“漏斗形水塞”现象：是指在正常重力排水时，排水立管内由于管壁结构形状的变化，使附着在管内壁四周的水流向管中心偏移，形成漏斗形水流的现象。这种漏斗形水流会在正常排水时封闭管道内的排气通道，造成管内压力波动值和水封损失增大，排水能力下降。

【关键词】：水塞、排水能力、排水立管、排水系统

进行立管排水能力试验时，常常发现同一个系统由于管道安装的细微变化，排水能力会出现较大的差异。在采用透明管材重复这些试验进行观察后发现，当管材内壁出现环状凸出结构时，即便是较小流量的附壁水流，也会在这个部位出现一个持续的漏斗形水流（如图1实拍水流），由于这个持续的漏斗形水流完全封闭了立管内截面，阻碍了管内气流的流通，我们将它命名为“漏斗形水塞”现象。

根据康达附壁效应理论，流体（水流或气流）具有离开本来的流动方向，改为随着凸出的物体表面流动的倾向。当凸出物体表面曲率变化较大时，流体会改变流动方向，沿着凸出物表面的方向偏移。建筑排水立管系统在正常排水时，由于重力流的附壁效应，管内水流是沿着管道内壁附壁下落的。当管材内壁出现环状凸出结构时，由于水流流经表面的曲率发生突变，迫使分布在整个立管内壁四周的附壁水流改变方向，向管道中心偏移，形成漏斗形水流（如图3所示）。只要立管水流形态为附壁水膜流，当管材内壁出现环状凸出结构时，这种漏斗形水流在整个排水过程中会持续出现。“漏斗形水塞”现象会造成在排水过程中排气通道受阻，通气阻力激增，压力波动加剧，排水能力下降。

排水立管内“漏斗形水塞”现象形成的原因

从目前了解的情况看，造成“漏斗形水塞”现象主要有如下三种原因：

1、管道连接件在立管内壁形成环状突触结构。如无承口铸铁排水管材采用橡胶密封圈不锈钢卡箍连接时，如果密封胶圈中间密封肋筋过高，或选用W1型薄壁管材，都会在管材接口内壁出现环状橡胶圈凸出结构（如图2、图3）。当环状凸出结构高度超过0.5mm时，便会形成“漏斗形水塞”现象。

2、 焊接安装时在立管内壁形成的环状凸出结构。如采用HDPE塑料管材对接热熔焊接连接时，管材内壁焊接接口处会形成热熔固化的环状凸出结构（如图4），这种结构会形成“漏斗形水塞”现象。

3、内径差形成的立管内壁环凸结构。当排水管材与管件内径不一致时，其接口处会形成阶梯形环凸结构（如图5），这种结构也会形成“漏斗形水塞”现象。

“漏斗形水塞”对排水立管系统的影响

排水立管系统中的“漏斗形水塞”现象有四个显著地特征，一是“漏斗形水塞”产生于排水立管接口部位；二是即便在较小的排水流量时也会出现；三是在整个排水过程中会持续出现；三是由于“漏斗形水塞”产生于立管接口部位，楼层高度越高，整个立管中“漏斗形水塞”产生的数量越多；

我们就同一系统、同一测试楼层高度和不同测试楼层高度的试验条件下的试验结果，进行对比研究证明：只要立管内存在环状凸出结构，就有可能出现“漏斗形水塞”现象，它会在整个排水过程中形成多个封闭立管通气通道的持续性水塞，增大了系统通气阻力，造成系统压力波动增大，水封损失增加，排水能力下降。且测试楼层越高，影响越大。

1、 同一系统、同一测试楼层高度试验结果对比

我们在泫氏排水实验塔（18层）对GB型加强旋流器特殊单立管排水系统进行了对比试验。试验在同一系统、同一测试楼层高度的条件下，立管管材分别采用W型和W1型不同壁厚的铸铁排水管，接口采用不锈钢橡胶密封圈卡箍连接。由于W1型铸铁管管材壁厚较薄，当管道接口采用橡胶密封圈中间肋筋较高的不锈钢卡箍连接时，胶圈肋筋在立管内壁形成环状凸出结构，会产生“漏斗形水塞”现象。而W型铸铁管管材壁厚较厚，采用同样的连接方式，立管内壁无环状凸出结构，不会产生“漏斗形水塞”现象。

从采用两种壁厚铸铁管材的同一系统、同一测试高度进行的试验结果对比发现：采用W型管材的GY型加强旋流器特殊单立管排水系统最大排水能力为11.5升/秒，而采用W1型薄壁管材的仅为8.5升/秒。排水能力下降了26%。这说明在同一系统中，“漏斗形水塞”现象的出现，可造成系统压力波动的增加和排水能力的降低。

2、 同一系统、不同测试楼层高度试验结果对比

同样是GB型(原GY型)加强旋流器特殊单立管排水系统，2014年4月在万科实验塔测试楼层高度33层进行测试时发现，排水能力骤降至4升/秒，比在泫氏实验塔18层的测试结果降低了65%，比在湖南大学实验塔的测试结果降低了60%。分析查阅当时试验情况发现，在万科塔试验时立管管材采用的均是W1型薄壁铸铁管材，立管内壁每个接口部位均存在超过1mm高度的橡胶密封圈环状凸出结构，会产生“漏斗形水塞”现象。而在泫氏实验塔和湖南大学实验塔测试时，采用的是W型厚壁管材，管内壁无橡胶密封圈环状凸出结构，不会产生“漏斗形水塞”现象。

在以往的实验中，测试楼层的高度增加，系统通气阻力增大，排水能力会有所降低，按照18层至33层的高度差，排水能力至多降低10~15%。尽管两个实验塔的测试装置会有差异，但如此高的降低幅度，证明“漏斗形水塞”现象对系统排水能力的影响是显而易见的。说明随着测试楼层高度的增加，出现“漏斗形水塞”的数量会跟着增加，系统通气阻力也会成倍增大。这是造成系统排水能力大幅下降的主要原因。

由此可以看到，“漏斗形水塞”现象对立管系统的影响远大于横支管入口的水舌。尽管其形成的封闭水塞厚度比水舌小，但它会在整个立管的每个接口部位出现，数量较多。同时，它也不同于通常意义上立管内大流量产生的瞬间水塞现象，而会在不同流量下持续发生。“漏斗形水塞”严重阻碍了伸顶通气管对系统的补气效果和气流向下的流动，造成系统压力波动幅度增大。而且会随着楼层的增高，“漏斗形水塞”数量的增加，影响会加剧。因此，“漏斗形水塞”现象对高层和超高层建筑排水系统的影响，要比低层建筑更为明显。我们要充分重视这个问题，在产品设计和施工设计安装中，应采取必要的措施，避免“漏斗形水塞”现象的发生。

“漏斗形水塞”现象的预防措施

“漏斗形水塞”现象对系统排水能力的影响是不容忽视的，但只要我们在产品设计、施工安装及管材配件选择方面多加注意，就可以减小和避免这种不利现象的发生。通过试验我们也发现，“漏斗形水塞”现象往往是在立管内壁环状凸出物凸出高度大于等于1mm时发生，只要凸出高度小于0.5mm，就可以减小“漏斗形水塞”现象发生的机会。以下是作者提供的几项具体预防措施：

1、采用不锈钢卡箍连接的铸铁排水立管系统。卡箍橡胶密封胶圈中间密封肋筋的高度（见图6中h）应至少比管材壁厚小0.5mm。防止在安装紧固过程中由于受到箍带的挤压，胶圈密封肋筋凸出立管内壁（见图2）。

2、在采用对口热熔接焊安装方式的塑料管材作为排水立管时，焊接完成后，必须清除立管内壁焊口的熔融固化堆积物。防止管内壁出现环状凸出物。该项施工要求在国外是严格执行的。而国内施工安装绝大部分不进行管道内壁焊口清理，这会大大降低立管排水能力。目前，一些塑料管材企业开发的承插热熔焊接塑料管材，可避免“漏斗形水塞”现象的发生。

3、在排水管材的选用上，应确保直管和管件采用同一系列的产品。避免在同一立管中因使用的管材和管件不同系列的，出现内径尺寸不一致，造成“漏斗形水塞”现象的发生。

4、在产品设计中，应尽可能降低管材和管件的壁厚偏差。一些厂家在生产过程中，为了便于制造和提高成品率，往往加大了管件的壁厚，这往往不利于立管的排水效果，增加了“漏斗形水塞”现象发生的机会。

5、在排水管材产品标准制定过程中，应逐步缩小管材和管件内径和壁厚偏差范围。一些发达国家的产品标准在这方面的制定的比较科学。如欧共体EN877标准和美国ASTM A888标准规定，管材和管件的外径及壁厚尺寸是一致的。这就从根本上避免了“漏斗形水塞”现象的发生。

结束语

随着近几年来人们越来越重视对建筑排水系统的实验研究工作，一些我们过去未发现或无法解释的现象逐步被发现和澄清。特别是泫氏排水实验塔的投入试验运行，为建筑排水技术研究提供了一个良好的试验平台。一些试验研究工作开始有计划、系统的展开。“漏斗形水塞”现象就是我们在试验过程中发现的一种排水立管中的水流现象，分析对比其对系统的影响，似乎与通常所说的水塞现象有相似的部分，但其不论流量大小、持续出现的水流特征，使其对系统的影响远大于通常意义上的水塞现象。暂且将其定名为“漏斗形水塞”现象，以期得到同行们更多地关注，更好的改进我们的产品设计和完善施工安装技术。