市政排水管網科學性優化設計探討等

2009-07-30 04:36:44江曼華等

現代商貿工業 2009年9期

江曼華等

摘要：市政排水管網是城市市政建設的重要組成部分，其投資比例約占整個排水系統投資的80％左右。因此，可行性優化設計市政排水管網的意義重大。闡述了國內城市基礎設施排水管網的現狀和排水管網建設過程中遇到的一些問題，基于設計因素，探討了其優化措施。

關鍵詞：市政工程；排水管網；優化；設計

中圖分類號：TU992

文獻標識碼：A

文章編號：1672-3198(2009)09-0297-01

城市排水管網系統的建立是隨著城市發展而逐漸形成的。隨著城市的發展，經濟生產的不斷調整，新開發區的建立，城市道路不斷修建，舊城區的改擴建等，排水系統也在迅速建立，排水管網的普及率在逐年提高。但是還存在很多問題，如污水直接排入河道造成水體污染；排水體制的不確定導致雨污水合流，使污水得不到有效處理；規劃設計與發展建設不協調導致污水技術條件差，滿足不了使用要求；排水管網建設與污水處理廠建設不配合，導致二次污染等。這些問題均制約了城市排水設施的發展。市政排水管網的優化設計主要是解決在已定平面布置方案下，排水管徑、埋深及提升泵站的優化設計以及排水管網平面布置方案的優化研究。

1市政排水管網現狀

1.1規劃設計問題

當前的排水規劃一般來講，普遍比較不合理。排水規劃設計要以總體規劃為前提，但管網建設有其自身的特點，它建設完成后使用期限要長達四五十年以上，如果嚴格以總體規劃的年限、污水量標準、居住人口密度、土地服務范圍等為依據，有時很難適應城市發展的需要。

1.2排水體制問題

排水體制關乎整個排水設計，當前的大部分排水體制均需改制。排水系統的體制一般分為合流制和分流制，混合制也是城市中常有的系統，是具有合流制的城市需要擴建排水系統時出現的。在大城市中，因各區域的自然條件以及修建情況相差較大，因此要因地制宜地在各區域采用不同的排水體制，如東莞市城區便是這樣的混合制系統。東莞市位于廣東省南部。是座歷史悠久的城市，屬于珠江出海口，區內水系發達，河流縱橫交錯。原有舊城區及各鎮區，居民生活污水及工礦生產廢水大部分均直接排入附近河涌而東莞南城區及松山湖高新技術開發區為新建區，所以在排水體制的選擇上園地制宜地采用了不同的體制。在舊城區采用截流式合流制系統，在兩河岸邊建造一條截流干管，同時在截流干管處設置溢流井，并設置污水廠。晴天所有污水均送入污水處理廠，處理后排入白水河。雨天隨著雨量的增加要有部分污水進入河道。但是，隨著舊城不斷改建，這種污染狀況會逐步消除。南城區及松山湖高新技術開發則有條件采用完全分流制系統，即雨水、污水完全分開設置管道，雨水排入鄰近河渠，污水則送人污水處理廠。

2市政排水管網優化措施

一般來講，排水管道優化設計主要內容為：對于某一設計管段，當設計流量確定后，在滿足設計規范要求的管徑和坡度的多種組合中，取得管材費用與敷設費用的平衡。當然這僅為在設計流量時的優化，但是在整個市政排水管網中，其優化設計措施必須是多層次、多角度的。

2.1Dijkstra算法改進優化設計

排水管網的優化設計實際上就是尋找一個以污水廠為根節點的最小費用生成樹，Dijkstra算法是構造最小生成樹的有效方法。考慮到在排水管網優化過程中，生成樹的權值隨管段的流量、埋深和長度的變化而不斷變化，因此在實際應用中通常采用變權值Dijkstra算法。現有管網平面布局優化常采用有向圖的方法，即在優化前指定網絡中各邊的方向(水流的方向)，而管網中水流的方向在初始情況下是不確定的，生成樹生長的方向可能代表了水流的反方向，因此采用元向圖進行優化更符合管網最初水流方向不確定的情況。鑒于以上原因，基于無向圖的變權值Dijkstra算法(改進Dijkstra算法)進行排水管網優化分析。改進Dijkstra算法考慮了最小生成樹生長過程中權值的變化，在多約束條件下也可以得出最優解。該算法的實質是最小費用樹的深度優先算法，又稱瞎子爬山法。該算法要處理的信息量小、速度快，對于單因素、單極值的情況非常有效。

2.2管線平面優化設計

排水管網的布置原則是既要使工程量最小，又要使水流暢通、節省能量。正確的定線是合理經濟的設計管網的先決條件。定線的基本原則是：干管支管的設計盡量采用直線布局，不要拐彎：定線應盡量利用地勢，使污水在重力作用下流入污水廠：設計時應盡量減少管道埋深；在管道的中途盡量減少提升泵站的設置。在早期的研究中，設計方法為假定每一段管徑相同，以挖方費用為優選依據，選擇一初始布置方案，然后通過算法逐步進行調整，后來又引入了排水線的概念，將排水區域內與最終出水口節點相距同樣可行管數的節點用一根排水線連接起來，這樣把問題轉化為最短路問題，可用動態規劃法求解，但此方法把尋優的范圍被限制，使人們在設計過程中很容易把最優方案排除。后來，人們把城市排水系統排水布置抽象為由點和線構成的決策圖，從圖論中尋找方法1986年發展到利用三種權值來解決問題，三種權值是各管段地面坡度的倒數；各管段的管長：各管段在滿足最小覆土條件下，按最小坡度設計時的挖方量，分別對這三種權值運用最短路生成樹算法求管線平面布置方案，再進行管徑、埋深和提升泵站的優化設計，最后取投資費用最小的平面布置方案作為最優設計方案。

2.3環剛度的優化選擇

環剛度是塑料埋地排水管(新型管材均可認為是塑料排水管)抗外壓負載能力的綜合參數，為了保證塑料埋地排水管在外壓負載下安全工作，環剛度的選擇是設計中的關鍵之一。如果管材的環剛度太小，管材可能發生過大變形或出現壓屈失穩破壞。反之，如果環剛度選擇得太高，必然采用過大的截面慣性矩，將造成用材料太多，成本過高。外壓負載比較復雜，主要包括土壤重量和地面產生的靜負載，以及運輸車輛經過時產生的動負載。塑料埋地排水管承受負載的機理也比較復雜，因為塑料管屬于柔性管。在外壓負載下管材和周圍的土壤(回填材料)產生管土共同作用。換句話說，是管材和周圍土壤(回填材料)共同來承受外壓負載。決定塑料埋地排水管鋪設后能否正常工作的，負載、管材和土壤(回填)3個參數都很重要，而且相互影響。所以環剛度的選擇不僅取決于外壓負載的情況還取決于鋪設后管道周圍土壤(回填材料)的情況。

根據世界各國的經驗，塑料埋地排水管在外壓負載下是否能夠安全使用的因素中，鋪設情況是最主要的。如果鋪設情況比較好，環剛度較低的管材也不會有很大變形；反之，如果鋪設情況不好，即使用環剛度比較高的管材也可能變形過大和出現壓屈失穩。要保證鋪設情況良好并不是都能做到，同時也需要成本。根據一般生產廠家的生產規格。塑料埋地排水管可供選擇的環剛度主要有4kN／m2、8kN／

m2兩種規格。結合以往施工及設計經驗，筆者建議在設計塑料埋地排水管時盡量選擇較高的環剛度。直徑在500mm以下塑料埋地排水管；一般選擇環剛度8kN／m2，只有在地質條件好又沒有運輸車輛負載的采用環剛度4kN／m2；直徑在500－1200mm的塑料埋地排水管；盡量選擇環剛度8kN／m2，如果選擇環剛度8kN／m2以下的要經過結構設計計算(變形驗算，壓屆失穩計算)并嚴格控制鋪設施工的質量(管道基礎、回填材料、分層夯實等)；直徑800mm以上的塑料埋地排水管：重要工程推薦使用環剛度較高(環剛度8kN／m2以上的)的金屬增強復合纏繞管和玻璃鋼夾砂管。如果使用環剛度較低(環剛度8kN／m2以下)的熱塑性塑料管，務必要經過結構設計計算(變形驗算，壓屈失穩計算)并嚴格控制鋪設施工的質量(管道基礎、回填材料、分層夯實等)。

3結語

市政排水管網的優化設計，是當前市政工程關注的重點，在當前形勢下，要充分利用排水體制，在管網上進行優化設計，合理應用新型材料，才能使排水管網更上一層樓。

如何解決這類問題，直接關系著一大批幾大類建筑新材料的推廣應用，首當其沖的就是外墻內保溫工藝的實施，接著是各類板材，如GRC輕質墻板、硅鈣板、石膏板等，再就是目前大量應用的乳膠涂料，都會受到影響。筆者集多年的施工現場管理經驗，并與濟寧市市中區長城涂料開發中心經多年的研究開發，研發了一套防止墻體裂紋的施工工藝和相關的配套材料，并生產出具有彈性(柔韌性)、耐水、低堿、耐堿、粘結強度高、無毒、白度高、施工方便的優質膩子，可與各種乳膠涂料配套應用，經過多項工程應用。取得滿意效果。

2解決墻面開裂的方法

經過對工程的跟蹤調研發現，以往山現裂紋、起皮的原因主要是由于膩子質量不好造成的，特別是溫變裂紋(龜裂紋)。至于結構裂紋的發生是由于剛性的方法根本難以拉住板縫的伸縮所致。因此采用柔性及彈性的解決方案，改變工藝思路，繼而開發出相關的工藝配套材料——耐水、柔性、彈性等系列膩子產品。

2.1膩子在解決溫變裂紋(龜裂細小裂紋)中的作用和原理

多年形成的習慣是施工中不太重視膩子的質量，可由于膩子質量而引起涂裝失敗的占95％以上。故作為優質膩子應具備如下功能：彈性(柔韌性)、耐水性、底堿性、耐堿性、環保無毒性、白度高，粘結強度高(對墻面的附著力強)、施工方便。使用這種膩子再配合正確的施工工藝和其它相關輔料，從涂料的裝飾效果到涂膜的耐久性都會有突破性提高。

2.1.1膩子的柔性

膩子在整個涂刷中主要起基層與涂膜之間的粘合過渡作用。因此膩子的彈性(柔韌性)就顯得非常重要。作為墻體涂刷過程中三個層面：墻體、膩子層、涂料涂膜的環境溫度變化時由于變形系數不同發生變形的尺寸大不一樣，變形尺寸不一樣必然引起應力集中，這時三層中的膩子層若是具有彈性(柔韌性)就能起到消除應力集中的作用，有效地防止墻面起皮、脫落的發生。當這種應力集中不能被有效地消除，就會發生層面的脫離，也就出現了起皮和脫落。從目前墻面裝修的情況來看，所用材料各種各樣。首先墻面有水泥墻面，石膏墻面、石膏板墻面、木板墻面等，而這其中又分材質的不同，在外界溫度變化時變形的程度是不同的。再就是面層涂料和乳膠涂料更是多種多樣，變形情況更是復雜多樣，由于有了許多不同點，勢必造成應力集中后的起皮現象，從這點看膩子層的作用是多么重要，因為膩子在中間與兩個層面接觸，一旦膩子層的問題解決了，就能保證兩個層面都不脫落(墻面起皮、脫落的兩個層面都會發生)。在以往的裝飾施工中，施工單位或建設單位都不太重視膩子的選擇，只關心使用涂料的檔次，特別是施工完畢驗收時根本看不到，從表面難以驗收。實踐證明要消除兩個層面上的應力集中。防止起皮脫落，那么膩子層必須是個柔性的層面，能夠承受變形不同產生的應力。

2.1.2膩子的耐水性

耐水性是膩子應該具備的第二特性。目前市場上流行的各種乳膠漆涂料大都具備透氣性功能，涂膜有了呼吸作用，但濕氣也能夠輕而易舉地透過涂膜接觸膩子，如果使用的膩子不耐水，就會與墻體脫離，造成墻皮整片往下掉。因此要使涂膜堅固，膩子必須耐水，特別是外墻工程更為重要。

2.1.3膩子的耐堿性

在以往涂刷工程的另外一種現象是墻面返堿，涂膜粉化、發花、變色，這是由于基層堿性過強而引起的，市售的大部分涂料、乳膠涂料都不宜涂刷于堿性過強(PH值>10)的基層，都要求涂刷抗堿底漆后再涂刷乳膠涂料，那么刮的膩子應該是中性的，最起碼應該是低堿的(PH值<9)才能滿足施工要求，由于施工的墻面多種多樣，其中有些墻體本身堿性就非常強(華北地區產的水泥一般堿性偏高)，那么膩子又必須具備良好的耐堿性，才能適應各種飾面涂料的施工。

2.1.4膩子的滲透力

作為膩子應該有較強的粘結的強度，要獲得膩子與墻體之間高的粘結強度，膩子還具備一定的滲透力。使膩子能與墻面牢牢地成為一體，當然刮膩子前的墻體處理是必不可少的，像消除粉塵、油污堿性和除霉等等。

2.1.5膩子的毒性、白度

生活水準的提高，人們對于涂料的毒性非常關注，都要使用環保無毒產品，但僅涂料無毒是很不夠的，如果膩子有毒也很危險，因此膩子必須是無毒害產品才安全可靠。注重基礎，表里如一，這就是所謂的環保涂料套餐。不論涂刷哪種乳膠涂料，如果基層具有較高的白度都會大大提高裝飾效果，并且能夠節省大量乳膠涂料(10％～30％)，特別是室內裝修工程使用的乳膠涂料大都是淺色的，這一點更為重要。

考慮到以上因素而生產出的膩子即可達到解決溫變裂紋的目的。

2.2結構裂紋的防治

結構裂紋即拼結板縫在環境溫度變化時板縫尺寸伸縮引起的裂紋，如果此問題不解決將影響到新型輕質板材的發展與生存、外墻內保溫節能工藝的推廣，當然也影響到各種飾面涂裝材料的發展。

結構裂紋的防治采用了彈性的思路，在板縫處首先用高彈抗裂膩子(拼縫膠彈性伸長率400％)進行補縫。補縫時把板縫開出V字型坡口(坡口越寬越好)，補縫的高彈抗裂膩子干燥后(大致需2～3天)，刮耐水柔韌膩子，膩子干后涂乳膠涂料。如果建筑物地處我國南方，結構裂紋一般較嚴重，則采取擴寬拼接縫的施工方案。這種施工方法是根據變形分散的原理，把結構裂紋的變形有梯度地傳遞到膩子、飾面乳膠涂料，從而防止裂紋的產生。

3裂紋防治方案實施中應注意的問題

(1)由于膩子有較強的粘結強度，粘結前被粘結面必須處理干凈，無浮灰，含水率要低，最好粘結前用底涂料涂刷一遍，保證粘結強度，厚度均勻一致。

(2)彈性膩子的干燥速度較慢，應保證干燥時間(施工地區、季節不同會有差異)。

(3)飾面乳膠涂料的質量也很重要，雖然通過該施工工藝，把結構裂紋變形分散開了，能夠防治絕大部分裂紋，但乳膠涂料也應該有一定的承受變形能力，況且當發生特別大的結構裂紋時(例如裂紋寬度超過1mm，甚至更寬)，此方案也應作適當調整才行，方法是加寬彈性膩子的批刮寬度和厚度。

(4)通過近年對墻體裂紋、起皮問題的研究，已形成了一套較完整的施工工藝和相配套的工藝材料，能夠解決絕大部分結構裂紋和溫變裂紋的發生。

論正確處理墻體裂紋瞿宏力

摘要：分析了墻體產生裂紋的原因，闡述了膩子在解決溫變裂紋中的作用和原理，并指出裂紋防治方案實施中應注意的問題。

關鍵詞：溫變裂紋；結構裂紋；膩子

中圖分類號：TU973