О факторах качественного функционирования внутренних водостоков зданий

В пункте 8.7.1 СП 30.13330.2016 Актуализированной редакции СНиП 2.04.01–85* «Внутренний водопровод и канализация зданий» [2] на этот счёт указывается: «отвод дождевых и талых вод с кровель зданий и сооружений должны обеспечивать внутренние водостоки». Объяснить это можно тем, что в более чем 90 % случаев здания и сооружения устраиваются с плоскими покрытиями (крышами).

Крыша — это верхняя ограждающая конструкция [3] здания для защиты помещений от внешних климатических факторов и воздействий, которая включает: несущую конструкцию (железобетонные плиты, профнастил и др.), пароизоляцию, подкровельный водоизоляционный слой, теплоизоляцию, основание под кровлю и саму кровлю. Кровля — это верхний элемент покрытия (крыши), предохраняющий здание от проникновения атмосферных осадков, она включает кровельный материал, основание под кровлю, аксессуары для обеспечения вентиляции, примыканий, безопасного перемещения и эксплуатации, снегозадержания и др.

Сегодня устраиваются в основном рулонные и мастичные плоские кровли, которые подразделяются на неэксплуатируемые (из битумных и битумно-полимерных рулонных материалов с мелкозернистой посыпкой: с защитным слоем из гравия или крупнозернистой посыпки с верхним слоем из рулонных материалов с крупнозернистой посыпкой или металлической фольгой; из мастик: с защитным слоем из гравия или крупнозернистой посыпки, предохраняющим основной водоизоляционный ковёр от механических повреждений, непосредственного воздействия атмосферных факторов, солнечной радиации и распространения огня по поверхности кровли, с защитным окрасочным слоем и из полимерных рулонных материалов), эксплуатируемые (с защитным слоем из бетонных или армированных плит, цементно-песчаного раствора, песчаного асфальтобетона либо с почвенным слоем, то есть с системой озеленения, и рассчитанные на пребывание на ней людей, размещение оборудования, транспорта и т.п.) и инверсионные/перевёрнутые (с теплоизоляционным слоем поверх водоизоляционного ковра).

Именно вид кровли во многом определяет выбор водосточных воронок, так как между ними и слоями кровлями всегда необходимо обеспечивать при монтаже внутренних водостоков водонепроницаемое сопряжение с целью обеспечения надлежащих условий для долговременной безаварийной службы системы «крыша — водосточная воронка».

Для этого дождевые воды должны сбрасываться организованно через водосборные воронки, при пропуске через кровлю которых необходимо устраивать понижение на 15–20 мм в радиусе 0,5– 1,0 м от уровня водоизоляционного ковра и водоприёмной чаши, а ось воронки располагать на расстоянии не менее 600 мм от парапета и других выступающих над кровлей частей зданий (пункт 5.25 [3]). Сброс дождевых и талых вод по внутренним водостокам должен (пункт 8.7.2 [2]) осуществляться в наружные сети дождевой или общесплавной канализации (рис. 1).

При выпадении дождей и снегопадах на кровлях скапливаются атмосферные осадки. Вес максимально допустимых для накопления на них объёмов снега/дождевых вод диктует выбор строительных конструкций по прочности. Максимальный объём дождевой воды W_max, который может накапливаться на кровле, не должен превышать по весу допустимый для неё по расчётам вес снеговой нагрузки. Накапливаемый на плоской крыше максимальный объём W_max дождевой воды, который зависит от площади водосбора F и высоты слоя h_max (рис. 2), условно можно подразделить на четыре объёма W₁, W₂, W₃ и W₄, каждый из которых будет соответствовать высотам h₁, h₂, h₃ и h₄ конкретных слоёв.

При этом максимальный объём дождевых осадков:

W_max = W₁ + W₂ + W₃ + W₄ = F(h₂ + h₃ + h₄), (1)

где одна часть W₁ — это объём дождевых осадков, которые смачивают поверхность кровли и всех имеющихся на крыше элементов (дымовых, вентиляционных и канализационных вытяжек, антенн и т.п.) и которые впоследствии испаряются. Вторая часть W₂ — это объём, принимаемый за расчётный расход Q_р, для пропуска которого подбираются размеры элементов внутренних водостоков: водосточной воронки, водосточных стояков, сборных трубопроводов и водосточных выпусков. Третья часть W₃ — это объём, который может аккумулироваться на крыше Q_ак и стекать по внутренним водостокам лишь после того, как с неё будет сброшен расчётный расход Q_р.

Четвёртая часть W₄ — это объём, который считается аварийным Q_а и для которого, чтобы исключить открытый слив дождевых вод с крыши здания (в периоды максимального накопления их объёмов на крышах), в дополнение к обычным водостокам устраивают аварийные водосточные системы — внутренние либо наружные. Анализ многочисленных практик показывает, что устройство внутренних водостоков (проектирование, монтаж и эксплуатация) тесно связано с конструкцией и архитектурой здания — это с одной стороны. С другой стороны, на выбор отдельных конструктивных элементов здания существенное влияние оказывает специфика предполагаемых к использованию внутренних водостоков:

• c одной воронкой или с несколькими;
• с учётом аккумулирующей способности кровли или без её учёта;
• без аварийного сброса или с аварийным сбросом дождевых вод;
• «безнапорных» (другие названия: самотёчные, гравитационные, открытые, традиционные, классические внутренние водостоки — БВВ) или «напорных» (динамические, гравитационно-вакуумные, сифонные, вакуумно-напорные, закрытые внутренние водостоки — НВВ).

Для безнапорных внутренних водостоков (рис. 3а) зданий принято, чтобы площадь поперечного сечения патрубка Ω_п водосборной воронки в два раза превышала суммарную площадь водоприёмных отверстий ω_во в ней:

Ω_п  > nω_во, (2)

где ω_во — площадь одного отверстия; n — количество водоприёмных отверстий.

Как следствие этого, кинетика движения дождевых вод в безнапорных внутренних водостоках практически не зависит от интенсивности их выпадения на крышу. При использовании БВВ дождевая вода совершает следующие перемещения: собирается на кровле — стекает по ней самотёком (благодаря её уклону к водосборной воронке) — проникает сквозь отверстия установленной на ней колпака (плоской решётки) — попадает в чашу водосборной воронки — проходит имеющийся в воронке патрубок — под действием силы тяжести и силы Кориолиса стекает по внутренним стенкам водосточного стояка неполным сечением вниз — накапливается в сборном подвальном трубопроводе и движется самотёком к водосточному выпуску — перетекает по нему в дворовый колодец наружной водосточной сети.

Теоретические основы работы БВВ зданий подробно излагаются в книге [4] советско-российского учёного, к.т.н. П. В. Лобачёва. На этих теоретических основах и базируются основные положения действующего сейчас Свода Правил [2], в том числе и методика расчёта площадей*1 поперечных сечений водосточных стояков, отводных трубопроводов и водосточных выпусков БВВ.

Практика показывает, что процесс организации внутреннего водостока находится на стыке трёх специальностей. Крыши (тип, уклоны, материалы покрытия кровли и т.п.) разрабатывают конструкторы либо архитекторы, они же определяют места установки кровельных воронок. При этом тип кровельных воронок определяют специалисты по водоснабжению и канализации, а сопрягают их с кровлей — строители-монтажники.

Монтаж всей водосточной системы производят специалисты по водоснабжению и канализации. Работники этой же специальности эксплуатируют, как правило, внутренние водостоки, при необходимости они же осуществляют и ремонтные работы на них. Как отмечается в [5], не в последнюю очередь именно поэтому на внутренних водостоках нередко возникают аварийные ситуации.

Например, одна из групп таких ситуаций связана с тем, что на традиционной неэксплуатируемой кровле в качестве утеплителей конструкторы/архитекторы предусматривают гигроскопичные материалы — минеральную вату, стекловату, керамзит. При этом для защиты от паров воды, которые могут проникать из тёплых помещений в утеплитель и конденсироваться в нём, на несущую плиту укладывается пароизоляция, и в то же время специалисты водоснабжения и канализации используют типовые чугунные водосборные воронки. Из-за того, что последние имеют только одну чашу, на которую заводят гидроизоляцию, соединить строителям-монтажникам пароизоляцию с кровельной воронкой водонепроницаемо удаётся только в редких случаях. В таких местах наблюдается примерно 95 % аварийных ситуаций.

Объяснение этого заключается в следующем. С течением времени пары воды неизбежно проникают в утеплитель и при понижении температуры начинают конденсироваться, заметно ухудшая теплоизоляционные свойства последнего. Кровля в месте установки воронки начинает промерзать, температура внутренней поверхности несущей плиты становится ниже точки росы и на ней начинает скапливаться конденсат.

Летом гидроизоляция может разогреваться под прямыми солнечными лучами до 8–100 °C. Пары воды, расширяясь, отрывают размягчённый полимерный слой от основания, образуя «пузыри». В ночное время пары остывают, и на кровле образуются впадины и местные понижения, в которых скапливается вода.

Все эти факторы приводят к образованию трещин и нарушению целостности гидроизоляционного слоя. Кроме того, разница коэффициентов линейного удлинения полимеров и чугуна приводит к тому, что гидроизоляция в месте примыкания к чаше чугунной воронки всегда работает под напряжением.

Необходимо также иметь в виду, что многие аварийные ситуации — повреждения кровли — связаны с конвекцией окружающего воздуха, так как она приводит к значительному увлажнению утеплителя, снижению теплоизолирующей способности материала, что также является аварийной ситуацией.

Этот феномен можно объяснить так. Нагретый воздух поднимается вверх, а холодный воздух перетекает вниз. Уносимое воздушными потоками тепло, зависящее во многом от разницы давлений внутри и снаружи здания, порой может превышать потери тепла через теплоизоляцию в 10–30 раз. При этом водяной пар в короткие сроки проникает в верхнюю часть кровли, что непременно сопровождается её повреждением.

Анализ имеющихся литературных и практических данных, а также собственный опыт автора убеждают в том, что качественно функционировать БВВ будут при правильном использовании факторов нескольких групп. К одной из них необходимо отнести выбор водосборных воронок в строгом соответствии с устройством крыши здания и материалов кровли на ней. Другая группа — это точный расчёт с учётом всех влияющих на этот феномен факторов (диаметров и гидравлических сопротивлений труб и входящих в неё элементов, в том числе водосборных воронок, а также располагаемого напора H — разности между отметками поверхности дождевой воды на кровле и лотка водосточного выпуска).

В третьей группе — качественный монтаж (качественное сопряжение водосборных воронок с кровлей, прочное и надёжное их крепление в конструкции крыши, водонепроницаемая сборка соединений, крепление труб и всех других элементов БВВ на строительных конструкциях). Четвёртую группу факторов следует связывать с надлежащей эксплуатацией (своевременной проверкой и контролем состояния водосборных воронок, поверхности кровли возле них, прочности крепления всех элементов, а также пропускных способностей всех трубопроводных участков водосточных систем — стояков, сборных линий и выпусков).

По нашему мнению, для создания напорного режима необходимо, чтобы живое сечение всех входных отверстий в листвогравиезащитном колпаке и в воздушном фильтре [6] водосборной воронки (водосборных воронках) должно превышать живое сечение её патрубка:

nω_во > Ω_п. (3)

К сожалению, никаких сведений о значениях такого превышения нигде не приводится.

Кинетика движения дождевых вод в напорных внутренних водостоках зависит от интенсивности их выпадения на крышу. При очень низкой интенсивности выпадения дождей эту кинетику в НВВ можно считать аналогичной кинетике движения дождевых вод, характерной для безнапорных внутренних водостоков.

При выпадении осадков с высокой интенсивностью дождевая вода при напорных внутренних водостоках совершает следующие перемещения: накапливается на кровле — стекает по кровле под напором к водосборной воронке — под напором проникает сквозь отверстия установленной на ней колпака (плоской решётки) — попадает в чашу водосборной воронки — заходит в патрубок воронки — образует в нём водяную пробку вследствие гидравлического сопротивления — перетекает в сборный чердачный трубопровод и наполняет его — движется по сборному чердачному трубопроводу под напором к водосточному стояку — под напором опускается по водосточному стояку полным сечением вниз к водосточному выпуску — перетекает под напором либо самотёком по нему в дворовой колодец наружной водосточной сети.

Динамика такого движения объясняется советско-российским учёным-гидравликом, к.т.н. А. Я. Добромысловым следующим образом [7].

Функционирование напорных водостоков (рис. 3б) зданий в отдельные моменты может быть идентичным работе внутренней бытовой канализации [8]. При отсутствии опускного движения жидкости в стояках обоих систем вследствие гравитационного напора из наружных сетей по ним в атмосферу поднимается воздух. Как только в стояках возникает опускное движение дождевой воды (канализационных стоков), воздух начинает движение в обратном направлении — сверху вниз. Здесь жидкость начинает обладать эжектирующей способностью, то есть приобретает возможность увлекать за собой воздух. Например, как показывают расчёты, в стояке диаметром 100 мм жидкость в количестве 1 л/с стремится увлечь из атмосферы 25 л/с воздуха. То есть в определённый момент может наступить движение стоков в напорном режиме. Подобный режим возникает благодаря тому, что при опускном движении дождевая вода создаёт разрежение большой величины (до 800 мбар или 8000 мм вод. ст.). Именно под действием такого разрежения дождевые стоки с кровли поступают через воронку в систему водоотводящих трубопроводов под напором — внутренняя водосточная система начинает работать в напорном режиме, как только величина притока атмосферных осадков становится равной пропускной способности воронки. Для этого на кровле здания должен образоваться слой воды определённой высоты h. Кстати, именно вес этого слоя дождевой воды следует использовать при расчётах нагрузок на кровлю, если не учитываются аккумулирующие Q_ак и аварийные расходы Q_а. В связи с этим следует считать оптимальной конструкцию водосточной воронки, обеспечивающую при прочих равных условиях отвод стоков по НВВ при минимальном значении h.

К сожалению, проектирование, расчёт, монтаж и эксплуатация напорных внутренних водостоков зданий не регламентированы. Анализ имеющихся в отдельных зарубежных фирмах (Wavin, Geberit, Uponor и др.) методик для конструирования напорных внутренних водостоков зданий с использованием пластмассовых труб^*1 показывает, что для создания и поддержания напорного режима, точнее — для обеспечения соответствующих условий для надёжного функционирования НВВ здания — требуется использовать те же слагаемые, которые перечислены выше для БВВ.

Также нельзя упускать из вида и то, что на возникновение и поддержание того или иного режима течения дождевых стоков существенное влияние будут оказывать не только правильно выбранные для расчётных площадей водосборные воронки, конструкции которых для безнапорного и напорного режимов могут принципиально отличается друг от друга^*2, но и качество монтажа как БВВ, так и НВВ.

В общих случаях внутренние водостоки монтируются [9] с использованием водосборных воронок, трубных изделий (труб и фасонных соединительных частей из металлов/полимеров)^*3 и подходящего для каждого конкретного случая крепежа для их крепления к строительным конструкциям. Водосборные воронки должны располагаться равномерно по площади кровли на пониженных участках.

Число воронок в зависимости от их пропускной способности, площади кровли и района строительства рассчитываются по [2, 12]. Присоединение воронок, установленных по обеим сторонам деформационного шва, к одному стояку или к общей подвесной линии допускается предусматривать при условии обязательного устройства компенсационных стыков. На крышах с чердаком и в покрытиях с вентилируемыми воздушными каналами приёмные патрубки водосборных воронок и охлаждаемые участки водостоков должны быть теплоизолированы, обогреваемы^*4 и иметь противопожарные устройства^*5. В крышах с несущим настилом из профилированного листа для установки водосточных воронок должны быть предусмотрены поддоны. Водонепроницаемое соединение водоизоляционного ковра с водосборной воронкой может быть предусмотрено при помощи съёмного или несъёмного фланца (рис. 4) либо интегрированного соединительного фартука, при этом последний должен быть совместимым с материалом водоизоляционного ковра.

Внутренние водостоки должны быть защищены от засорения листвоуловителем, гравиеуловителем в виде колпаков или решётками (рис. 5), монтируемыми непосредственно на воронках.

В заключение необходимо отметить следующее. Рассмотренные автором в данной статье (в свете современных представлений) факторы влияния на качественное функционирование внутренних водостоков зданий, естественно, полностью не охватывают всех факторов. Некоторые из них будут рассмотрены в следующих статьях, как и было указано.

Тем не менее, своевременный их учёт должен существенно облегчить решение стоящей перед архитекторами, проектировщиками, монтажниками и эксплуатантами задачи — существенно ограничить негативное воздействие атмосферных осадков на долговечность зданий и, к тому же, одновременно с этим (за счёт правильного выбора режимов работы безнапорного либо напорного водоотводов) минимизировать [13] затраты на весь жизненный цикл (ЖЦ: проектирование → монтаж → ремонт → эксплуатацию) внутренних водостоков^*6.

---