塑料排水立管通水能力探讨

唐楚丁 贺杏华
（武汉理工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430070）

　　摘要：通过对水膜流状态下的流速与能量方程、充水率及空气压差的分析，认为在终限流速相等的条件下，塑料管排水的能力比同管径铸铁管小。且塑料排水立管通水能力应从管内压力波动及空气压差两方面综合考虑。
　　关键词：排水主管；塑料管；铸铁管
　　中图分类号：TU992.22　　 文献标识码：A 　　文章编号：1009－2455（2455（2003）02－0058－02

Discussion on Drainage Ability of Plastic Run－Off Standpipe
TANG Chu－ding，HE Xing－hua
（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

　　塑料管以其诸多的优越性在建筑排水工程中得到愈来愈广泛的应用。其内壁光滑，水力条件好和管质轻等特点决定了塑料管是建筑排水管的首选材料。然而由于塑料管因材料本身，设计方法等因素的影响，再加上国内对这种管材的使用起步较晚，使得在实际工程中经常发生的水封破坏问题引起了广大设计人员对塑料管排水能力问题的争议。本文试图从塑料管道水流流态等方面的特点结合实际对塑料排水立管通水能力作些探讨。

1 排水立管的水通量计算

　　建筑排水立管在水膜流状态下管内水流的终限流速[1]:
　　ν_τ＝2.22（g³／k）^1/10·（Q／d）^2/5
式中：
　　ν_τ——立管中水膜流终限流速，m／s；　　　　　　　　　（１）
　　g——9.81，m／s²；
　　k——立管管壁绝对粗糙高度，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——终限流速时的过水断面面积，m²；
　　e_τ——水膜厚度，m。
　　联立上述式子可得：
　　Q＝79.7[ e_τ（d－ e_τ）]^5/3/（d^2/3·k^1/6）　　　　（２）
　　从式（2）中可看出：在管径d和水膜厚度 eτ相等的条件下立管最大通水能力与管壁绝对粗糙高度k的1／6次方成反比，塑料立管的粗糙高度 K₁=0.015mm，铸铁管 k2＝0.25mm，（k₂／k₁）^1/6=1.6，即塑料立管比铸铁管水通量增加 60％。
　　其主要原因是塑料管内壁光滑，阻力小，水流速度大，其立管通水能力也大。但随着实践的发展，这种传统的观点正受到挑战。相反，塑料管的这些“优点”恰为不利因素，水流速度大使得管内空气压差加大，最终导致通水能力下降。两种截然相反的观点使广大设计人员感到茫然、为此就影响塑料管排水能力的各种因素加以简单分析。

2 充水率α与终限流速νt分析

　　排水立管中的水流在部分充满形成水膜流并达到终限流速时终限流速νt和水膜厚度et均保持不变，此时wt为相应终限流速νt时的过水断面面积，w为立管截面积，令充水率α＝wt／w。国外实验指出：适用于室内安装卫生器具的排水立管的充水率在1／4～1／3范围内时形成水膜流，管内压力不致于产生强烈波动^[2]。但为了保证水封不被破坏，管内压力相对于外界大气压力不能超过一定限度，此差值即为临界压力pn。事实上在充水率α满足压力波动幅度不大的情况下，并不能保证管内空气压力与外界大气压力的差值p没有超过临界压力pn，而这个差值p与终限流速νt存在如下关系^[3]：p=ρ·β·νt2（式中：ρ为空气密度，kg／m³；β为空气阻力系数；ν_t为终限流速，m／s）。因此塑料排水立管通水能力应从充水率α和终限流速ν_t两方面加以分析。
　　由前述（1）式可知：
　　Q＝d·ν_t^5/2；k^1/4／40.7 　　　　　　　　　（3）
　　联立（2）（3）两式得
　　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）
　　联立（4）（5）两式可导出
　　ν_t=10α^2/3·d^2/3·k^-1/6（6）
　　从式（6）中可看出：
　　①在塑料管与铸铁管中的终限流速νt及管径d相等的条件下有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，此时塑料管的水通量比同管径的铸铁管下降50％。
　　②在塑料管与铸铁管中的充水率α。和管径d相等的条件下令其终限流速分别为νt和νt2，由（6）式可得出ν_t1／ν_t2＝k₂ ^1/6／k₁ ^1/6＝1.6，此时塑料立管的终限流速是铸铁管的1.6倍即水通量也是铸铁管的1.6倍，但终限流速过大会使管内空气压差过大产生正压喷溅和负压抽吸等现象导致水封破坏。

3 通水能力Q的确定

　　室内排水系统的任务应以保证畅通和防止水封破坏两项内容为目标，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与ν_t一一对应，νt随着α的增大而增大，故在规定塑料立管的排水能力时既要限制α不大于 1／3以保证管内压力波动不太大，又要使终限流速νt不大于终限流速允许值以保证水封不被破坏，这个允许值应根据试验实际测定。比如对于DN100的管道，国内试验已证明为使管道内的水封不被破坏水流速度不宜超过 4 m／s[4]。因此当某一管道的管径 d和粗糙度 k已确定时由试验测得终限流速允许值为ν_t允。，据此可根据（6）式求得对应的充水率α从而求得水通量Q₁＝d·k^1/4·νt允^5/2／40，如果限制充水率α不得超过 1／3，据此也可求得对应的终限流速νt从而求得水通量Q₂＝1.3d^8/3／k^1/6。为保证排水畅通和水封不被破坏，塑料主管的排水能力Q应取Q1和Q2 中较小者Q＝min（Q₁，Q₂）。

4 结论与建议

　　①立管允许设计流量应与塑料管道水力特性相适应。如果单纯从流通能力来讲排水塑料立管较铸铁管大，但室内排水任务应同时保证排水畅通和水封不被破坏，在这种条件下塑料立管的排水能力不一定比铸铁管大。
　　②塑料排水立管的终限流速应进行试验实际测定，总结出保证水封免受破坏的合理终限流速允许值，然后结合适当的充水率确定出合理的塑料排水立管允许排水能力，以供设计人员参考。

参考文献：
[1]钱维生.高层建筑给水排水工程[M]上海：同济大学出版社，1989.
[2]景有海.塑料排水立管的通水能力[J].给水排水，1997，23（9）：43—45.
[3]高明远，邱秀萍，曾雪华，等.建筑给排水工程学［M］.北京：建筑工业出版社，2002.
[4]姜云峰.建筑排水塑料管道水封破坏原因分析[J].石家庄铁道学院学报，1998，11（l）：61－64.

---

作者简介：唐楚丁（1947－），男，湖南永州人，武汉理工大学土木工程与建筑学院副教授，学士，主要从事建筑给排水研究。