基于可靠性的某工業廠區雨水管網優化設計

楊志敏 曹國憑

摘要：筆者通過闡述雨水管網可靠性設計國內外研究現狀，從管道、流速等幾個方面進行了雨水管網可靠性優化設計影響因素分析，提出了雨水管網可靠性優化設計的程序和模型。最后，從一般方法、基于可靠性兩種角度進行了分析比較，結果顯示可靠性分析對雨水管網設計意義更大。

關鍵詞：雨水管網 ?可靠性 ?管道 ?流速

1 概述

隨著我國經濟的迅速發展，我國的基礎設施建設也取得了重大的發展，特別是雨水管網的建設給居民的生活、生產帶來了極大的影響。在雨水管網設計中，只有對各種影響參數進行合理的分析并設計出更優、更合理的施工方案，才能夠適應當前雨水管網設計的復雜性、多樣性及可靠性。

董衛華、嚴瑞玲通過分析設計雨水管網流量的不確定性、雨水管網過水能力各水力因子的不確定性、雨水泵站的可靠性、設計雨水管道理論的可靠性等，為我國城市的雨水管網設計工作提供可靠的參考依據[1]。

高延紅、張俊芝、丁春生等人以我國現行的規范設計方法為依據，分析了在屋面排水溝設計研究中存在的各不確定性計算方面，探討了以可靠性為主要因素的設計計算方法。并且將之與歐洲相關標準做對比，分析其可靠性，并根據我國有關可靠性指標取值的相關規范，提出了屋面排水溝設計新的方法[2]。

郭宇峰在“雨水管網多目標優化設計的探討”一文中探討了NSGAII算法，結合排水管網水力模型，實施雨水管網多目標優化設計，通過案例分析，表明該優化設計方法能滿足設計要求，并得到更經濟的方案，還對進一步研究做了展望，以期指導城市排水管網設計[3]。

Mark等詳細分析了排水管網的風險，并以數字模擬和GIS技術為依托，研究了達卡市子流域排水系統的風險[4]。

本文正是在這種研究背景下展開研究的，皆在對唐山某工程雨水管網可靠性優化設計進行深入的探討，通過對雨水管網優化可靠性設計的理論進行分析，結合工廠雨水管網的特性，構建了工業廠區雨水管網可靠性優化設計指標，建立雨水管網優化目標函數，進而通過優化程序設計而對常規和優化設計兩種方法進行結果比較，以便提高雨水管網可靠性設計研究。

2 工業廠區雨水管網設計影響因素分析

本文針對唐山某工業廠區雨水管網設計進行可靠性分析，在管網規劃基礎上，在滿足工業廠區雨水管網設計的約束條件、技術要求、質量規定、環境保護等方面的條件下，使整個工業廠區雨水管網達到經濟最優，進而達到可靠性最大化。

工業廠區雨水管網在設計中，具有以下特點：首先，作為重力流系統，設計管段需從上游到下游逐段進行計算，并且具有相同的計算公式;其次，雨水管網定線時，可以充分考慮周邊的地勢地形，無需采用太長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計流量，且管道埋深不大、坡度較小，因此一般不需要設置中途泵站。依據以上雨水管網可靠性設計的基本特點，本文從流速、管道兩個方面進行工業廠區雨水管網可靠性因素分析，從而使得整個工業廠區的總造價最低。

2.1 流速

2.1.1 管徑

選擇較小的管徑，管道的流速會比初選的流速增大，同時也使得相應的坡度及管道的埋置深度增大。然而，當管徑略大于標準管徑時，容易出現管道流速低于初選流速，或者非滿流現象，這種情況不會增大埋置深度，但會浪費管材，從而提高管網設計的造價。與此同時，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，或在平埋地區不同管徑的管道可采用平接，但是在任何情況下，進水管管底不得高于出水管管底[5]。

2.1.2 粗糙系數

在工業廠區雨水管網設計中，粗糙系數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、尺寸以及在使用過程中的管底留下的沉積物，管壁結垢物等共同形成的。

粗糙系數的變化一方面反映了管網流量的變化，一方面反映了管徑的變化。由于受排水管道內的部分化學元素和微生物的腐蝕以及后沉淀等，管道中水的雜質顆粒逐漸粘附在管道內壁。隨著時間的增長，在整個管道的內壁會形成一層銹垢，它不僅會減小管道的過水有效面積，而且增加管道的粗糙系數，進而直接影響管網的過水能力。隨著時間的增長，過水能力會逐漸減小，影響整個管網的可靠程度[6]。

2.1.3 水力坡度

通過上述對水力坡度的不確定分析進行的詳細的敘述，從而在管網優化設計時，最小的設計坡度對管網的可靠性分析更為重要。它主要是指相應于管道內流速為最小設計流速時的管道坡度。對于工業廠區所選取的不同管徑的雨水管道具有不同的最小坡度，應根據項目的實際情況而選定相應的管徑。管徑相同的管道，最小坡度隨著管道的充滿度變化，當在確定的設計充滿度的條件下，最小坡度與管徑值成反比，管徑越大，則最小設計坡度越小[7]。

綜上所述，最小設計坡度值在管徑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范設計表。

2.2 管道

2.2.1 設計充滿度

設計充滿度主要是指在設計流量下，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h/D等于1時稱為滿流，h/D小于1時稱為不滿流。兩種方法各有優缺點，在工業廠區管網優化設計中，我們通常采用非滿流設計。首先，由于污水流量因其不斷變化的狀態無法精確測量計算。同時，污水管道還可能接收一部分通過檢查井蓋或管道接口滲透進來的污水或地下水。為此，為增加雨水管道設計的可靠性，給管道預留一部分空間，以防不可預見水量的涌入，進而避免污水溢出水面破壞周邊的環境衛生等;其次，污水管道內沉積的污泥在一定情況下會分解出部分有害氣體，甚至發生爆炸等。因此，有必要預留一部分空間用于管道的通風排氣[8]。

2.2.2 設計流速

該因素主要是指與設計流量、設計充滿度相應的水流平均流速。設計流速的大小會對整個管網的經濟及適用性等方面產生很大的影響。它主要分為最小設計流速以及最大設計流速。其中，最小設計流速要滿足管道內不發生淤積，而污水中所含懸浮物的成分和粒度又影響最小設計流動的確定，同時也受到管道的水力半徑、粗糙系數等影響。污水管道的最小設計流速一般為0.6m/s，而對于含有金屑、礦物固體等雜質的生產排水管道，其最小的設計流速應適當增大，也要結合工廠及周邊的實際環境而綜合確定的。最大設計流速是指保證管道在使用過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計流速為5m/s[9]。

由此可見，在工業廠區雨水管網優化設計中，設計流速的大小會影響管道在使用過程中的時間長短，合理的設計流速不僅能夠降低管網設計的綜合造價，同時也能延長管網的使用時間，提高管網設計的可靠性。

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于降低整個工程造價具有十分重要的作用，最小的覆土深度以及最大的埋設深度兩個重要的指標對管網可靠性設計不可或缺[10]。

①必須防止管道內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動荷載的影響，其最小覆土厚度值也可適當減小。

■

③必須滿足街區雨水連接管銜接的要求。

3 工業廠區雨水管網可靠性設計指標構建

通過以上對工業廠區雨水管網可靠性設計影響因素的分析，以及工業廠區雨水管網指標構建的原則，在工程系統可靠性理論基礎上，建立唐山某工業廠區雨水管網可靠性優化設計指標。

4 工業廠區雨水管網可靠性優化設計程序

4.1 雨水管網設計目標函數的建立

4.1.1 目標函數

minF=min{F1+F2}

=min■（1+e■T）C■L■+■（1+e■T）C■+Y■

4.1.2 約束條件

本文針對唐山某工業廠區雨水管網優化設計的約束條件主要是體現在以下五個方面：

①雨水管網管徑約束

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表示標準管徑的最小值，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。

4.2 案例分析

通過從唐山市城建局搜集相關的資料，暴雨重現期選擇P=1a，暴雨強度公式為：

a=■

根據該地區的地形地勢，采用統一的平均徑流系數值，即ψ=0.50，折減系數m選取為2，徑流時間t1=10min。與此同時，針對排水區域的現狀和今后的發展，可靠性指標選取為β=2[12]。

■

借助于上述關于工業廠區雨水管網優化設計的對比表格，可以得出雨水管網可靠性優化設計的以下結論：

①表1中均可以看出，工業廠區雨水管網設計中，管長、管徑、流速、設計流量、管道輸水能力等都是影響管網設計的主要影響因素，它們一方面影響管網在使用過程中的可靠程度，另一方面也會影響工程造價。

②可靠性設計方法中的管徑一般比常規方法設計的管徑要大些，同時坡度也有所增加。這樣伴隨的結果就是后者的管網設計總造價要大于一般方法的造價，上述結果顯示可靠性設計的造價為，大于一般方法設計產生的造價。這主要是可靠性的設計對整個工業廠區的要求更高，約束條件如管徑、埋深等都會產生比較大的影響，進而提高了管網的施工費用以及材料費用等，但是管網在使用過程中的可靠性、安全性以及使用性能卻得到了提高。

③從表格1可以看出，可靠性優化設計中的可靠度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，這充分顯示出引進可靠性的設計方法對管網的設計可靠程度更高，且考慮的因素也隨之更多。

④通過上述表格的分析比較，可以看出當前管網設計中考慮可靠性優化設計造價高，對可靠性設計分析產生一定的難度。但是這種費用帶來的后續維護、檢查等會相對于一般方法較低，為此要對可靠性優化設計方法加以重視，提高整個工業廠區雨水管網的設計可靠程度以及整個使用周期的總費用。

⑤影響雨水管網可靠性優化設計指標當中，各個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的設計流量，其次是管徑、計算模型系數、水力坡度等。

5 總結

本文將工程結構可靠性設計基本理論和工業廠區項目的實際情況相結合，對工業廠區的雨水管網設計進行了研究和探討，并給定出了兩種方法的優缺點，試圖對工業廠區以及類似的項目提供一定的借鑒和指導作用。

參考文獻：

[1]黃衛華，嚴瑞玲.基于城市道路雨水管網系統設計可靠性研究[J].理論前沿，2001，8：199-201.

[2]高延紅，張俊芝，丁春生，等.基于可靠性的屋面雨水排水溝的設計[J].給水排水，2004，30（2）：52-54.

[3]郭宇峰.雨水管網多目標優化設計的探討[J].山西建筑，2011，

37（21）：121-122.

[4]Mark，o，Wennberg，C.，Kalken，T.V.Risk analysis for sewer systems based on numerical modelling and GIS [J].Safety Science，1998，30（1-2）：99-106.

[5]覃韜.城市雨水管網系統設計可靠性探析[J].中國科技博覽，2011（32）：412-413.

[6]郭海龍.影響工程結構可靠性的事物不確定性研究現狀[J].建筑，2014（11）：67-68.

[7]胡志天.我國土木工程結構可靠性發展策略探討[J].才智，2013（28）：260.

[8]姜潮，張哲，韓旭，等.一種基于證據理論的結構可靠性分析方法[J].力學學報，2013，45（1）：103-115.

[9]楊雪.排水管網數據采集方法的探討[J].測繪技術裝備，2014（2）：52-55.

[10]董魯燕，李田，錢靜，等.應用水力性能指數法制定排水管網達標改造方案[J].中國給水排水，2011，27（17）：96-100.

[11]李建勇.上海城市排水管網運營風險事件識別及應對措施

[J].給水排水，2013，39（12）：103-105.

[12]劉恒.淺談市政排水管網的優化設計[J].城市建設理論研究（電子版），2014（18）：192.

作者簡介：

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

曹國憑（1954-），男，教授，河北聯合大學市政工程碩士生導師，給水排水工程系主任。