１. 前言
水封，是阻止排水管道中的有害气体和害虫进入室内的诸多阻气密封形式中最常见的一种。是建筑排水管道系统中，阻止管道中的有害气体和害虫进入室内，保护室内空气质量，防止疾病传播、保护人们的生活质量、身体健康和生命安全的一个非常重要的环节。2003年初香港陶大花园的通过排水管道传播sars病毒致使近180人死亡，400多人被隔离治疗的“非典”事件，就是一个排水管道系统中缺失了水封这个环节的一个非常典型、非常惨痛的教训。人们不得不重新认识水封的重要性了。
1.1目前国内外对水封的要求
我国现行《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003(以下简称《规范》)中的4.5.9条规定：带水封的地漏水封深度不得小于50mm。
现行“中国工程建设标准化协会标准”《排水系统水封保护设计规程》CECS172:2004(以下简称《规程》)中的3.0.4.1条规定：存水弯水封深度不得小于50mm。
现行“中华人民共和国城镇建设行业标准” 《地漏》CJ/T 186—2003（以下简称《地漏》）中的5.3.1条规定：有水封地漏的水封深度应不小于50mm。
据有关专家介绍，某些国家规定的水封深度是不小于25mm（也有说是75mm）。
多年以来，人们在探究水封的时候，仅仅是局限于水封在静态时的这个50mm的原始深度上。而对水封深度50mm的内涵、水封在不同形态下的动态变化、作用机理以及水封的正确设计、合理评价却很少有人去研究。
２.问题
在阻止管道中有害气体、害虫进入室内的诸多阻气密封形式中，常见的密封形式有机械密封形式、充水密封（即俗称的“水封”）形式、混合密封（机械密封和充水密封兼有）形式三种。其中水以具有表面张力、流动性、侵润型等物理特性决定了水封的气密性最好，其他形密封式的气密性均不能与水封相提并论。然而任何事物都具有二面性。除其本身就有六项不利因素会导致其失效外，正确的设计则是至关重要的。
传统的理念中普遍认为：水封能力与排水能力是一个对立的矛盾体的二面。水封越浅排水条件越好，但同时水封能力越低；反之，加大水封深度提高水封能力，排水能力又必然下降。
那么，如何来正确地设计水封，评价水封就显得非常的重要。笔者在这里将多年来对“水封”的研究和感悟提出来，与大家讨论。
３.我国关于水封的现行有关规定
开始讨论之前，我们有必要把有关“水封”的现行有关规定摆出来：
3.1《规程》4.0.1—7中水封的六项不利因素：正压喷溅、负压抽吸、惯性晃动、自虹吸、蒸发、毛细作用；
3.2《地漏》5.3.1规定：有水封地漏的水封深度应不小于50mm。
3.3《地漏》5.8条规定：有水封地漏在正常排水的情况下，当排水管道负压-400Pa±10Pa(相当于-40±1mmH2O,笔者注)并维持10s时，地漏中的水封剩余量不应小于20mm；
3.4《规范》4.5.9条规定：带水封的地漏水封深度不得小于50mm；
3.5《规程》3.0.4.1条规定：存水弯水封深度不得小于50mm；
3.6《规程》5.4.4.2中关于吸气阀灵敏度的规定：开启压力-150Pa2O 2O,笔者注)；
3.7《规程》条文说明2.0.12中：筒式存水弯的筒内径一般为所接排水管管径的2.5倍左右；
4.讨论
为了讨论的方便和直观，我们选择水封最不利状况（a.水封满水，b.管内负压抽吸至负压穿透，c.压力释放水封恢复，d. 管内正压顶托至正压穿透）先做一组简图，来分析水封的变化过程，分析各项参数的变化规律以及各项参数之间的相互关系。见图1、图2、图3。
当水封内室的水面面积Sb与外室的水面面积Sa的比值为1（相当于常见的管式存水弯水封）时，见图1：
注：管式存水弯水封见附录图1。
当水封内室的水面面积Sb与外室的水面面积Sa的比值小于1（相当于常见的钟罩式地漏的碗式水封）时，见图2：
注：钟罩式地漏的碗式水封见附录图2。
当水封内室的水面面积Sb与外室的水面面积Sa的比值大于1（相当于常见的瓶式及筒式水封）时，见图3：
注：瓶式及筒式水封见附录图3、4。
图中所示各项参数的含义：
H: 水封部件高度 ha：水封水体高度
hb：原始水封深度 hc: 负压抽吸穿透后剩余的静态水封深度
hd: 最不利 动态有效水封增值 Δhi: 负压抽吸穿透后的水面落差
Δhz: 正压穿透时 水面落差（静态有效水封深度） Pa: 负压抽吸穿透瞬间的水封面
Pb: 正压顶托至穿透瞬间的水封面 Po: 原始静态水封面
Poo：负压抽吸穿透后静态水封面 Sa: 水封外室水面面积
Sb: 水封内室水面面积 n: 水封比（水封内、外室水面面积比Sb/Sa）
hc+hd: 最不利正压动态有效水封深度 ho：水封死水深度
从图1、2、3中可以看出各项参数的相互关系，进行分析后有下列关系式成立（推导过程略）：
hb=（hc+hd）/n ……………1
hb=Δhi+Δhz ……………2
hc=nΔhi ……………3
hc= hd/n ……………4
hc= hb/n+1 ……………5
hd=nΔhz ……………6
hd=n hc ……………7
Δhi=hb/n+1 ……………8
Δhi=(hc+hd)/(n+1)n ……………9
Δhz=nΔhi ……………10
Δhz=n hb/n+1 ……………11
Δhz=(hc+hd)/n+1 ……………12
将不同的参数代入不同的关系式中，即可得出相关的参数值。
若分别设定原始水封深度hb=40mm和hb=20mm，则有表-1和表-2如下：
若设定正压动态有效水封深度hc+hd=40mm，则有表-3如下：
若设定正压动态有效水封深度hc+hd=60mm，则有表-4如下：
对表-1、2、3、4中的数据进行分析（先忽略六项不利因素的影响）我们可以看出：
当原始水封深度hb=40mm、水封比n=5（相当于筒式水封）时，可抵御2000Pa的管道正压，大大超出400±10Pa的抗正压期待。当水封比n=0.5（相当于碗式水封）时，只可抵御200Pa的管道正压，又远远小于400±10Pa的抗正压期待。只有水封比n=1时（管式水封），在其原始水封深度hb=40mm时可抗400±10Pa的正压，与《地漏》5. 8条中-400±10Pa的抗正压期待相当。
如果满足400±10Pa的抗正压期待， 当水封比n=0.5时，原始水封深度hb需要80mm。当水封比n=1时，原始水封深度hb为40mm。当水封比n=5时，原始水封深度hb仅8mm即可满足。此时的静态有效水封深度只有6.7mm。
在原始水封深度hb=8mm（n=5）时满足400±10Pa的抗正压期待的同时，原始水封深度hb=8mm也意味着在负压抽吸或自虹吸时当管道内的负压值达到了-80Pa(相当于-8mmH2O)时，水封既被穿透，室内气体进入管道内。换言之就是在负压抽吸或自虹吸时当管道内的负压值达到了-80Pa时，负压抽吸或自虹吸既被破坏。而这个“破坏”有效地保护了周边洁具的水封不会被负压抽吸破坏。这个“破坏”或者说吸气特性也迎合了《规程》5.4.4.2中关于吸气阀“开启压力-150Pa2O 2O,笔者注) ”的吸气阀灵敏度的规定。也既此水封具有吸气阀的进气功能。这将有助于解决《规程》5.4.5中关于洁具环形通气的若干问题。
在满足最不利正压动态有效水封深度hc+hd=40mm（正压穿透压力400Pa）前提下，原始水封深度hb会随着水封比n值的增大而减小，水封部件（如地漏、存水弯）的高度H也会随之减小。这在工程上具有非常重要的意义。我们可以依此理念设计出很薄的“吸气地漏”和很短的“吸气存水弯”。卫生间地漏的安装不用降板（沉箱）、不用穿板进入他户、不用埋在结构板内，在垫层内就可以完成安装。《规范》4.3.8条“住宅卫生间的卫生洁具排水管不宜穿越楼板进入他户”在不降板、不埋板的前提下也能很容易实现。
５. 关于《地漏》、《规范》、《规程》中有关条文的理解问题
结合《地漏》5.8条、《规范》4.5.9条、《规程》3.0.4.1条所规定的“存水弯水封深度不得小于50mm”以及水封的六项不利因素，应该可以有如下的理解：
5.1水封深度50mm中，有25%（既12.5mm）是6项不利因素的预留量，真实而有效的水封深度实为37.5mm（或40mm）。
5.2管道正压穿透喷溅的瞬间，正压动态有效水封深度hc+hd=40mm，既此时管道正压力为400Pa（40mmH2O）。压力消失后，水封即恢复至20mm的静态有效水封深度，符合管式存水弯水封（n=1）的特性。见图1-C。
５.3《地漏》5.8条规定水封必须抵御管道负压-400Pa±10Pa并维持10s。换个角度看，水封的目的是阻止管道内有害气体进入室内的，负压抽吸穿透向管道内进气也有好的一面。事实上，负压抽吸和自虹吸时能及早穿透进气在工程上还是很有积极意义的，比如：
5.3.1正压穿透压力高，负压穿透压力低，正反向水位波动的高度不对称，不能形成谐波振荡，有利于克服或缓解水封的惯性晃动。
5.3.2有利于克服负压抽吸、自虹吸对水封水的喷溅损失和高速气流对水封水的裹带损失。
5.3.3可以保护其他洁具的水封的水不被负压抽吸破坏。
5.3.4可以代替吸气阀，解决《规程》5.4.5中的很多关于洁具环形通气的问题。
5.3.5可以设计出很短的存水弯。在满足水封功效的前提下，改善存水弯的水力条件。也可以设计出很薄的地漏，使地漏既满足水封功效、又改善了的水力条件，还能适应苛刻的安装条件。
5.4《地漏》5.8条的规定中只有对管道负压时的描述：“有水封地漏在正常排水的情况下，当排水管道负压-400Pa±10Pa并维持10s时，地漏中的水封剩余量不应小于20mm”，却没有对管道正压时的描述。其实我们更关注管道正压对水封的影响。我们的目的是不让管道内的有害气体进入室内，对于室内气体进入管道不必过于在意。所以我们不必象防止水封正压穿透浊气进入室内那样来刻意防止负压抽吸穿透向管道内进气。防止正压穿透出气污染室内环境的同时，防止和减少负压抽吸穿透造成的水封水损失，并对负压抽吸时气体及早（或低压）穿透进入管道这个特性加以利用。当n≠1时，压力波动导致的水封惯性晃动会因为水封内、外室水位高度变化的不对称而被阻止并很快静止。与正在摆动的秋千，一旦限制了某一边的摆高，秋千立刻就会慢下来并很快静止是同样的道理。室内的气体进入管道与我们的目的也并不相悖。
相反，当n＜1（碗式水封），尽管原始水封深度hb=40mm，但其抗正压值却是＜400Pa。小于《地漏》5. 8条的抗正压期待。
5.5《规程》条文说明2.0.12中：筒式存水弯的筒内径一般为所接排水管管径的2.5倍左右。可以理解为水封内室的水封面积Sb与水封外室的水封面积Sa的比值为5.25，既水封比n=5.25。
５.6负压抽吸或自虹吸时，当负压高于穿透压力时，水封水会因气体反向高压穿透喷溅、裹带进入管道流走而损失。这个损失会随着水封比n值的增大而减少。当n值大过一定程度时，室内气体就会在很小的管道内负压作用下穿透水封进入管道内，气体甚至是拂水面而过，不会喷溅，不会裹带。
５.7《规范》4.5.9条所规定的“带水封的地漏水封深度不得小于50mm”，《规程》3.0.4.1条所规定的“存水弯水封深度不得小于50mm”，指的都是原始水封深度。实际上防止有害气体破坏水封进入室内直接起作用的是“正压动态有效水封深度”。如果将原条文改为“带水封地漏正压动态有效水封深度不得小于50mm”，“存水弯正压动态有效水封深度不得小于50mm”，在理念上、逻辑上则是正确的，原始水封深度则不是关键所在。
５.8《地漏》5.8条规定“有水封地漏在正常排水的情况下，当排水管道负压-400Pa±10Pa并维持10s时，地漏中的水封剩余量不应小于20mm”，如果改为：“有水封地漏在正常排水的情况下，水封能耐住排水管道正压400Pa±10Pa并维持10s以上”，更能明确我们对水封的期待。
５.9我们习惯说的“水封破坏”是指水封由于管道内的压力波动所引起气体穿透水封的现象。实际上有一种“水封破坏”在压力消失后，水封恢复有效，我们称之为“动态失效”。动态失效又有正压动态失效和负压动态失效之分。另外一种“水封破坏”是“静态失效”，是指水封水因蒸发或其他原因未能形成水封功效，水封死水深度小于ho，水封的内、外室通畅，气体可自由流动，再次注水可解除。
６.结论
６.1我们必须防止管道内的有害气体穿透水封进入室内，污染室内环境。但我们不必象防止有害气体穿透水封进入室内那样来刻意反对负压抽吸穿透和自虹吸向管道内进气。应强调管道内的气体正压穿透水封进入室内时的压力限定值(比如400Pa)，而不必限制管道内负压时气体穿透水封进入管道内时的压力值。应对气体在负压抽吸后很快穿透水封进入管道这个特性加以利用（比如替代卫生洁具的环形通气）。及早破坏负压抽吸和自虹吸，能保护其他洁具水封不被负压抽吸破坏。
６.2对管道内正压时气体穿透水封进入室内起阻止作用的是“正压动态有效水封”。要实现水封的功能和效果，直接对“正压动态有效水封”的高度(比如40mm)加以规定就可以了。
6.3 “水封深度越浅排水条件越好，水封能力越低；水封深度越深水封能力越好，排水能力越低”的传统理念是可以改变的。那就是通过加大n值，保证“正压动态有效水封”的高度，降低“原始水封深度”。提高水封能力的同时提高排水能力。
附：水封的基本类型及其水封比
1.管式水封
管式水封的实际应用就是管式存水弯，由管子弯曲而成。按其形状又有S型、P型和U型。 见附录图1的a图。其水封比特点是水封内室水面面积Sb与外室水面面积Sa的比Sb/Sa等于1。见附录图1的b图。
2.碗式水封
碗式水封又称钟罩式水封，典型的应用就是钟罩式地漏。利用碗形部件罩在突起的出水口上而形成的水封。见附录图2的a图。其水封比特点是水封内室水面面积Sb与外室水面面积Sa的比Sb/Sa小于1。见附录图2的b图。
3.瓶式水封
瓶式水封就是将进、出水管伸入封闭筒体内，靠筒体内的存水形成的水封。见附录图3见的a图。其水封比特点是水封内室水面面积Sb与外室水面面积Sa的比Sb/Sa大于1。见附录图3的b图。
4. 筒式水封
筒式水封的实际应用就是水封盒、存水盒，是进水管伸入封闭筒体内的存水内形成的水封。筒体内径一般为进水管的2.5倍左右。见附录图4的a图。其水封比特点是水封内室水面面积Sb与外室水面面积Sa的比Sb/Sa为5.25。见附录图4的b图。
参考文献：
1.中华人民共和国城镇建设行业标准” 《地漏》CJ/T 186—2003
2.中华人民共和国国家标准《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003
3.中国工程建设标准化协会标准”《排水系统水封保护设计规程》CECS172:2004
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