楊志敏 曹國憑

摘要：筆者通過闡述雨水管網(wǎng)可靠性設(shè)計國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，從管道、流速等幾個方面進行了雨水管網(wǎng)可靠性優(yōu)化設(shè)計影響因素分析，提出了雨水管網(wǎng)可靠性優(yōu)化設(shè)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(jié)果顯示可靠性分析對雨水管網(wǎng)設(shè)計意義更大。

關(guān)鍵詞：雨水管網(wǎng) ?可靠性 ?管道 ?流速

1 概述

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，我國的基礎(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)帶來了極大的影響。在雨水管網(wǎng)設(shè)計中，只有對各種影響參數(shù)進行合理的分析并設(shè)計出更優(yōu)、更合理的施工方案，才能夠適應(yīng)當前雨水管網(wǎng)設(shè)計的復(fù)雜性、多樣性及可靠性。

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

高延紅、張俊芝、丁春生等人以我國現(xiàn)行的規(guī)范設(shè)計方法為依據(jù)，分析了在屋面排水溝設(shè)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(shè)計計算方法。并且將之與歐洲相關(guān)標準做對比，分析其可靠性，并根據(jù)我國有關(guān)可靠性指標取值的相關(guān)規(guī)范，提出了屋面排水溝設(shè)計新的方法[2]。

郭宇峰在“雨水管網(wǎng)多目標優(yōu)化設(shè)計的探討”一文中探討了NSGAII算法，結(jié)合排水管網(wǎng)水力模型，實施雨水管網(wǎng)多目標優(yōu)化設(shè)計，通過案例分析，表明該優(yōu)化設(shè)計方法能滿足設(shè)計要求，并得到更經(jīng)濟的方案，還對進一步研究做了展望，以期指導(dǎo)城市排水管網(wǎng)設(shè)計[3]。

Mark等詳細分析了排水管網(wǎng)的風(fēng)險，并以數(shù)字模擬和GIS技術(shù)為依托，研究了達卡市子流域排水系統(tǒng)的風(fēng)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(wǎng)可靠性優(yōu)化設(shè)計進行深入的探討，通過對雨水管網(wǎng)優(yōu)化可靠性設(shè)計的理論進行分析，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)計指標，建立雨水管網(wǎng)優(yōu)化目標函數(shù)，進而通過優(yōu)化程序設(shè)計而對常規(guī)和優(yōu)化設(shè)計兩種方法進行結(jié)果比較，以便提高雨水管網(wǎng)可靠性設(shè)計研究。

2 工業(yè)廠區(qū)雨水管網(wǎng)設(shè)計影響因素分析

本文針對唐山某工業(yè)廠區(qū)雨水管網(wǎng)設(shè)計進行可靠性分析，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)計的約束條件、技術(shù)要求、質(zhì)量規(guī)定、環(huán)境保護等方面的條件下，使整個工業(yè)廠區(qū)雨水管網(wǎng)達到經(jīng)濟最優(yōu)，進而達到可靠性最大化。

工業(yè)廠區(qū)雨水管網(wǎng)在設(shè)計中，具有以下特點：首先，作為重力流系統(tǒng)，設(shè)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(wǎng)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(shè)計流量，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)計的基本特點，本文從流速、管道兩個方面進行工業(yè)廠區(qū)雨水管網(wǎng)可靠性因素分析，從而使得整個工業(yè)廠區(qū)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(yīng)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(xiàn)管道流速低于初選流速，或者非滿流現(xiàn)象，這種情況不會增大埋置深度，但會浪費管材，從而提高管網(wǎng)設(shè)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(qū)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(shù)

在工業(yè)廠區(qū)雨水管網(wǎng)設(shè)計中，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。隨著時間的增長，在整個管道的內(nèi)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(shù)，進而直接影響管網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)優(yōu)化設(shè)計時，最小的設(shè)計坡度對管網(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)計流速時的管道坡度。對于工業(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)項目的實際情況而選定相應(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，當在確定的設(shè)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(shè)計坡度越小[7]。

綜上所述，最小設(shè)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(guī)范設(shè)計表。

2.2 管道

2.2.1 設(shè)計充滿度

設(shè)計充滿度主要是指在設(shè)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(yōu)缺點，在工業(yè)廠區(qū)管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計中，我們通常采用非滿流設(shè)計。首先，由于污水流量因其不斷變化的狀態(tài)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(shè)計的可靠性，給管道預(yù)留一部分空間，以防不可預(yù)見水量的涌入，進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)計流速

該因素主要是指與設(shè)計流量、設(shè)計充滿度相應(yīng)的水流平均流速。設(shè)計流速的大小會對整個管網(wǎng)的經(jīng)濟及適用性等方面產(chǎn)生很大的影響。它主要分為最小設(shè)計流速以及最大設(shè)計流速。其中，最小設(shè)計流速要滿足管道內(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)計流動的確定，同時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)計流速一般為0.6m/s，而對于含有金屑、礦物固體等雜質(zhì)的生產(chǎn)排水管道，其最小的設(shè)計流速應(yīng)適當增大，也要結(jié)合工廠及周邊的實際環(huán)境而綜合確定的。最大設(shè)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(shè)計流速為5m/s[9]。

由此可見，在工業(yè)廠區(qū)雨水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計中，設(shè)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(shè)計流速不僅能夠降低管網(wǎng)設(shè)計的綜合造價，同時也能延長管網(wǎng)的使用時間，提高管網(wǎng)設(shè)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(shè)深度兩個重要的指標對管網(wǎng)可靠性設(shè)計不可或缺[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(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)計指標構(gòu)建

通過以上對工業(yè)廠區(qū)雨水管網(wǎng)可靠性設(shè)計影響因素的分析，以及工業(yè)廠區(qū)雨水管網(wǎng)指標構(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)計指標。

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

4.1 雨水管網(wǎng)設(shè)計目標函數(shù)的建立

4.1.1 目標函數(shù)

minF=min{F1+F2}

=min■（1+e■T）C■L■+■（1+e■T）C■+Y■

4.1.2 約束條件

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

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(shù)。

4.2 案例分析

通過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，暴雨強度公式為：

a=■

根據(jù)該地區(qū)的地形地勢，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，徑流時間t1=10min。與此同時，針對排水區(qū)域的現(xiàn)狀和今后的發(fā)展，可靠性指標選取為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)計的對比表格，可以得出雨水管網(wǎng)可靠性優(yōu)化設(shè)計的以下結(jié)論：

①表1中均可以看出，工業(yè)廠區(qū)雨水管網(wǎng)設(shè)計中，管長、管徑、流速、設(shè)計流量、管道輸水能力等都是影響管網(wǎng)設(shè)計的主要影響因素，它們一方面影響管網(wǎng)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(shè)計方法中的管徑一般比常規(guī)方法設(shè)計的管徑要大些，同時坡度也有所增加。這樣伴隨的結(jié)果就是后者的管網(wǎng)設(shè)計總造價要大于一般方法的造價，上述結(jié)果顯示可靠性設(shè)計的造價為，大于一般方法設(shè)計產(chǎn)生的造價。這主要是可靠性的設(shè)計對整個工業(yè)廠區(qū)的要求更高，約束條件如管徑、埋深等都會產(chǎn)生比較大的影響，進而提高了管網(wǎng)的施工費用以及材料費用等，但是管網(wǎng)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(yōu)化設(shè)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(shè)計方法對管網(wǎng)的設(shè)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(wǎng)設(shè)計中考慮可靠性優(yōu)化設(shè)計造價高，對可靠性設(shè)計分析產(chǎn)生一定的難度。但是這種費用帶來的后續(xù)維護、檢查等會相對于一般方法較低，為此要對可靠性優(yōu)化設(shè)計方法加以重視，提高整個工業(yè)廠區(qū)雨水管網(wǎng)的設(shè)計可靠程度以及整個使用周期的總費用。

⑤影響雨水管網(wǎng)可靠性優(yōu)化設(shè)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(wǎng)的設(shè)計流量，其次是管徑、計算模型系數(shù)、水力坡度等。

5 總結(jié)

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

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作者簡介：

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

曹國憑（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。