基于可靠性的某工業(yè)廠區(qū)雨水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊志敏 曹國(guó)憑

摘要：筆者通過(guò)闡述雨水管網(wǎng)可靠性設(shè)計(jì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，從管道、流速等幾個(gè)方面進(jìn)行了雨水管網(wǎng)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)影響因素分析，提出了雨水管網(wǎng)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的程序和模型。最后，從一般方法、基于可靠性兩種角度進(jìn)行了分析比較，結(jié)果顯示可靠性分析對(duì)雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)意義更大。

關(guān)鍵詞：雨水管網(wǎng) ?可靠性 ?管道 ?流速

1 概述

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也取得了重大的發(fā)展，特別是雨水管網(wǎng)的建設(shè)給居民的生活、生產(chǎn)帶來(lái)了極大的影響。在雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)中，只有對(duì)各種影響參數(shù)進(jìn)行合理的分析并設(shè)計(jì)出更優(yōu)、更合理的施工方案，才能夠適應(yīng)當(dāng)前雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性、多樣性及可靠性。

董衛(wèi)華、嚴(yán)瑞玲通過(guò)分析設(shè)計(jì)雨水管網(wǎng)流量的不確定性、雨水管網(wǎng)過(guò)水能力各水力因子的不確定性、雨水泵站的可靠性、設(shè)計(jì)雨水管道理論的可靠性等，為我國(guó)城市的雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)工作提供可靠的參考依據(jù)[1]。

高延紅、張俊芝、丁春生等人以我國(guó)現(xiàn)行的規(guī)范設(shè)計(jì)方法為依據(jù)，分析了在屋面排水溝設(shè)計(jì)研究中存在的各不確定性計(jì)算方面，探討了以可靠性為主要因素的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。并且將之與歐洲相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)做對(duì)比，分析其可靠性，并根據(jù)我國(guó)有關(guān)可靠性指標(biāo)取值的相關(guān)規(guī)范，提出了屋面排水溝設(shè)計(jì)新的方法[2]。

郭宇峰在“雨水管網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的探討”一文中探討了NSGAII算法，結(jié)合排水管網(wǎng)水力模型，實(shí)施雨水管網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)案例分析，表明該優(yōu)化設(shè)計(jì)方法能滿足設(shè)計(jì)要求，并得到更經(jīng)濟(jì)的方案，還對(duì)進(jìn)一步研究做了展望，以期指導(dǎo)城市排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)[3]。

Mark等詳細(xì)分析了排水管網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)，并以數(shù)字模擬和GIS技術(shù)為依托，研究了達(dá)卡市子流域排水系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)[4]。

本文正是在這種研究背景下展開(kāi)研究的，皆在對(duì)唐山某工程雨水管網(wǎng)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行深入的探討，通過(guò)對(duì)雨水管網(wǎng)優(yōu)化可靠性設(shè)計(jì)的理論進(jìn)行分析，結(jié)合工廠雨水管網(wǎng)的特性，構(gòu)建了工業(yè)廠區(qū)雨水管網(wǎng)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)指標(biāo)，建立雨水管網(wǎng)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)而通過(guò)優(yōu)化程序設(shè)計(jì)而對(duì)常規(guī)和優(yōu)化設(shè)計(jì)兩種方法進(jìn)行結(jié)果比較，以便提高雨水管網(wǎng)可靠性設(shè)計(jì)研究。

2 工業(yè)廠區(qū)雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)影響因素分析

本文針對(duì)唐山某工業(yè)廠區(qū)雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)進(jìn)行可靠性分析，在管網(wǎng)規(guī)劃基礎(chǔ)上，在滿足工業(yè)廠區(qū)雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)的約束條件、技術(shù)要求、質(zhì)量規(guī)定、環(huán)境保護(hù)等方面的條件下，使整個(gè)工業(yè)廠區(qū)雨水管網(wǎng)達(dá)到經(jīng)濟(jì)最優(yōu)，進(jìn)而達(dá)到可靠性最大化。

工業(yè)廠區(qū)雨水管網(wǎng)在設(shè)計(jì)中，具有以下特點(diǎn)：首先，作為重力流系統(tǒng)，設(shè)計(jì)管段需從上游到下游逐段進(jìn)行計(jì)算，并且具有相同的計(jì)算公式;其次，雨水管網(wǎng)定線時(shí)，可以充分考慮周邊的地勢(shì)地形，無(wú)需采用太長(zhǎng)的管道就可以將雨水就近排出;由于雨水管徑大小通常滿足雨水設(shè)計(jì)流量，且管道埋深不大、坡度較小，因此一般不需要設(shè)置中途泵站。依據(jù)以上雨水管網(wǎng)可靠性設(shè)計(jì)的基本特點(diǎn)，本文從流速、管道兩個(gè)方面進(jìn)行工業(yè)廠區(qū)雨水管網(wǎng)可靠性因素分析，從而使得整個(gè)工業(yè)廠區(qū)的總造價(jià)最低。

2.1 流速

2.1.1 管徑

選擇較小的管徑，管道的流速會(huì)比初選的流速增大，同時(shí)也使得相應(yīng)的坡度及管道的埋置深度增大。然而，當(dāng)管徑略大于標(biāo)準(zhǔn)管徑時(shí)，容易出現(xiàn)管道流速低于初選流速，或者非滿流現(xiàn)象，這種情況不會(huì)增大埋置深度，但會(huì)浪費(fèi)管材，從而提高管網(wǎng)設(shè)計(jì)的造價(jià)。與此同時(shí)，各種不同管徑的管道的連接方式也極為重要。相同管徑的管道，或在平埋地區(qū)不同管徑的管道可采用平接，但是在任何情況下，進(jìn)水管管底不得高于出水管管底[5]。

2.1.2 粗糙系數(shù)

在工業(yè)廠區(qū)雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)中，粗糙系數(shù)也是非常重要的影響要素之一，它主要是由排水管道的材質(zhì)、尺寸以及在使用過(guò)程中的管底留下的沉積物，管壁結(jié)垢物等共同形成的。

粗糙系數(shù)的變化一方面反映了管網(wǎng)流量的變化，一方面反映了管徑的變化。由于受排水管道內(nèi)的部分化學(xué)元素和微生物的腐蝕以及后沉淀等，管道中水的雜質(zhì)顆粒逐漸粘附在管道內(nèi)壁。隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，在整個(gè)管道的內(nèi)壁會(huì)形成一層銹垢，它不僅會(huì)減小管道的過(guò)水有效面積，而且增加管道的粗糙系數(shù)，進(jìn)而直接影響管網(wǎng)的過(guò)水能力。隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，過(guò)水能力會(huì)逐漸減小，影響整個(gè)管網(wǎng)的可靠程度[6]。

2.1.3 水力坡度

通過(guò)上述對(duì)水力坡度的不確定分析進(jìn)行的詳細(xì)的敘述，從而在管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，最小的設(shè)計(jì)坡度對(duì)管網(wǎng)的可靠性分析更為重要。它主要是指相應(yīng)于管道內(nèi)流速為最小設(shè)計(jì)流速時(shí)的管道坡度。對(duì)于工業(yè)廠區(qū)所選取的不同管徑的雨水管道具有不同的最小坡度，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況而選定相應(yīng)的管徑。管徑相同的管道，最小坡度隨著管道的充滿度變化，當(dāng)在確定的設(shè)計(jì)充滿度的條件下，最小坡度與管徑值成反比，管徑越大，則最小設(shè)計(jì)坡度越小[7]。

綜上所述，最小設(shè)計(jì)坡度值在管徑200mm下取0.004，管徑300mm下取值0.003更較為合理，具體的取值要參考管道水力因素規(guī)范設(shè)計(jì)表。

2.2 管道

2.2.1 設(shè)計(jì)充滿度

設(shè)計(jì)充滿度主要是指在設(shè)計(jì)流量下，雨水在管道中的水深h和管道直徑D的比值，亦稱水深比。當(dāng)h/D等于1時(shí)稱為滿流，h/D小于1時(shí)稱為不滿流。兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，在工業(yè)廠區(qū)管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，我們通常采用非滿流設(shè)計(jì)。首先，由于污水流量因其不斷變化的狀態(tài)無(wú)法精確測(cè)量計(jì)算。同時(shí)，污水管道還可能接收一部分通過(guò)檢查井蓋或管道接口滲透進(jìn)來(lái)的污水或地下水。為此，為增加雨水管道設(shè)計(jì)的可靠性，給管道預(yù)留一部分空間，以防不可預(yù)見(jiàn)水量的涌入，進(jìn)而避免污水溢出水面破壞周邊的環(huán)境衛(wèi)生等;其次，污水管道內(nèi)沉積的污泥在一定情況下會(huì)分解出部分有害氣體，甚至發(fā)生爆炸等。因此，有必要預(yù)留一部分空間用于管道的通風(fēng)排氣[8]。

2.2.2 設(shè)計(jì)流速

該因素主要是指與設(shè)計(jì)流量、設(shè)計(jì)充滿度相應(yīng)的水流平均流速。設(shè)計(jì)流速的大小會(huì)對(duì)整個(gè)管網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)及適用性等方面產(chǎn)生很大的影響。它主要分為最小設(shè)計(jì)流速以及最大設(shè)計(jì)流速。其中，最小設(shè)計(jì)流速要滿足管道內(nèi)不發(fā)生淤積，而污水中所含懸浮物的成分和粒度又影響最小設(shè)計(jì)流動(dòng)的確定，同時(shí)也受到管道的水力半徑、粗糙系數(shù)等影響。污水管道的最小設(shè)計(jì)流速一般為0.6m/s，而對(duì)于含有金屑、礦物固體等雜質(zhì)的生產(chǎn)排水管道，其最小的設(shè)計(jì)流速應(yīng)適當(dāng)增大，也要結(jié)合工廠及周邊的實(shí)際環(huán)境而綜合確定的。最大設(shè)計(jì)流速是指保證管道在使用過(guò)程中不被沖刷損壞的流速，通常為10m/s，非金屬管道的最大設(shè)計(jì)流速為5m/s[9]。

由此可見(jiàn)，在工業(yè)廠區(qū)雨水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)流速的大小會(huì)影響管道在使用過(guò)程中的時(shí)間長(zhǎng)短，合理的設(shè)計(jì)流速不僅能夠降低管網(wǎng)設(shè)計(jì)的綜合造價(jià)，同時(shí)也能延長(zhǎng)管網(wǎng)的使用時(shí)間，提高管網(wǎng)設(shè)計(jì)的可靠性。

2.2.3 埋置深度

埋置深度是指地面到管道中心的距離。合理確定管道的埋置深度對(duì)于降低整個(gè)工程造價(jià)具有十分重要的作用，最小的覆土深度以及最大的埋設(shè)深度兩個(gè)重要的指標(biāo)對(duì)管網(wǎng)可靠性設(shè)計(jì)不可或缺[10]。

①必須防止管道內(nèi)雨水冰凍和因土壤凍脹而損壞管道;

②必須防止管壁因地面荷載而受到破壞。非車行道下的雨水管道若能滿足管道銜接的要求以及無(wú)動(dòng)荷載的影響，其最小覆土厚度值也可適當(dāng)減小。

■

③必須滿足街區(qū)雨水連接管銜接的要求。

3 工業(yè)廠區(qū)雨水管網(wǎng)可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)構(gòu)建

通過(guò)以上對(duì)工業(yè)廠區(qū)雨水管網(wǎng)可靠性設(shè)計(jì)影響因素的分析，以及工業(yè)廠區(qū)雨水管網(wǎng)指標(biāo)構(gòu)建的原則，在工程系統(tǒng)可靠性理論基礎(chǔ)上，建立唐山某工業(yè)廠區(qū)雨水管網(wǎng)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)指標(biāo)。

4 工業(yè)廠區(qū)雨水管網(wǎng)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)程序

4.1 雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)的建立

4.1.1 目標(biāo)函數(shù)

minF=min{F1+F2}

=min■（1+e■T）C■L■+■（1+e■T）C■+Y■

4.1.2 約束條件

本文針對(duì)唐山某工業(yè)廠區(qū)雨水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束條件主要是體現(xiàn)在以下五個(gè)方面：

①雨水管網(wǎng)管徑約束

Di∈{D1，i，D2，i，D3，i…，Dm，i}

D1，i？叟max{Dmin，■}

其中，D1，i、Dm，i分別表示所選取的最小、最大可行管徑，Dmax表示標(biāo)準(zhǔn)管徑的最小值，Qi表示管道流量[11]。

②流速約束

Vmin？燮V？燮Vmax

③埋深約束

Hmin？燮H？燮Hmax

④充滿度約束

■=1

⑤可靠性約束

■/83■/12？叟ζ■

其中，ζ為常數(shù)。

4.2 案例分析

通過(guò)從唐山市城建局搜集相關(guān)的資料，暴雨重現(xiàn)期選擇P=1a，暴雨強(qiáng)度公式為：

a=■

根據(jù)該地區(qū)的地形地勢(shì)，采用統(tǒng)一的平均徑流系數(shù)值，即ψ=0.50，折減系數(shù)m選取為2，徑流時(shí)間t1=10min。與此同時(shí)，針對(duì)排水區(qū)域的現(xiàn)狀和今后的發(fā)展，可靠性指標(biāo)選取為β=2[12]。

■

借助于上述關(guān)于工業(yè)廠區(qū)雨水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的對(duì)比表格，可以得出雨水管網(wǎng)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的以下結(jié)論：

①表1中均可以看出，工業(yè)廠區(qū)雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)中，管長(zhǎng)、管徑、流速、設(shè)計(jì)流量、管道輸水能力等都是影響管網(wǎng)設(shè)計(jì)的主要影響因素，它們一方面影響管網(wǎng)在使用過(guò)程中的可靠程度，另一方面也會(huì)影響工程造價(jià)。

②可靠性設(shè)計(jì)方法中的管徑一般比常規(guī)方法設(shè)計(jì)的管徑要大些，同時(shí)坡度也有所增加。這樣伴隨的結(jié)果就是后者的管網(wǎng)設(shè)計(jì)總造價(jià)要大于一般方法的造價(jià)，上述結(jié)果顯示可靠性設(shè)計(jì)的造價(jià)為，大于一般方法設(shè)計(jì)產(chǎn)生的造價(jià)。這主要是可靠性的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)工業(yè)廠區(qū)的要求更高，約束條件如管徑、埋深等都會(huì)產(chǎn)生比較大的影響，進(jìn)而提高了管網(wǎng)的施工費(fèi)用以及材料費(fèi)用等，但是管網(wǎng)在使用過(guò)程中的可靠性、安全性以及使用性能卻得到了提高。

③從表格1可以看出，可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)中的可靠度Ps均大于一般方法，如管徑為400，600的管道，可靠度分別為0.5608以及0.8623，這充分顯示出引進(jìn)可靠性的設(shè)計(jì)方法對(duì)管網(wǎng)的設(shè)計(jì)可靠程度更高，且考慮的因素也隨之更多。

④通過(guò)上述表格的分析比較，可以看出當(dāng)前管網(wǎng)設(shè)計(jì)中考慮可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)造價(jià)高，對(duì)可靠性設(shè)計(jì)分析產(chǎn)生一定的難度。但是這種費(fèi)用帶來(lái)的后續(xù)維護(hù)、檢查等會(huì)相對(duì)于一般方法較低，為此要對(duì)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法加以重視，提高整個(gè)工業(yè)廠區(qū)雨水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)可靠程度以及整個(gè)使用周期的總費(fèi)用。

⑤影響雨水管網(wǎng)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)指標(biāo)當(dāng)中，各個(gè)影響因素都占有重要的比重。其中，影響程度最大的因素是管網(wǎng)的設(shè)計(jì)流量，其次是管徑、計(jì)算模型系數(shù)、水力坡度等。

5 總結(jié)

本文將工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)基本理論和工業(yè)廠區(qū)項(xiàng)目的實(shí)際情況相結(jié)合，對(duì)工業(yè)廠區(qū)的雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究和探討，并給定出了兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，試圖對(duì)工業(yè)廠區(qū)以及類似的項(xiàng)目提供一定的借鑒和指導(dǎo)作用。

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作者簡(jiǎn)介：

楊志敏（1984-），女，河北唐山人，本科，冀東發(fā)展集團(tuán)有限責(zé)任公司工程管理部工程師。

曹國(guó)憑（1954-），男，教授，河北聯(lián)合大學(xué)市政工程碩士生導(dǎo)師，給水排水工程系主任。