市政工程排水管网设计之我见

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市政工程排水管网设计之我见
摘要:本文作者分析了国内城市基础设施排水管网的现状和排
水管网建设过程中遇到的一些问题,提出了相应的优化措施。
关键词:市政工程;排水管网;设计
中图分类号:s611 文献标识码:a 文章编号:
市政排水管网的优化设计,是当前市政工程关注的重点,在当
前形势下,要充分利用排水体制,在管网上进行优化设计,合理应
用新型材料,才能使排水管网更上一层楼。
1 市政排水管网现状
1.1 规划设计问题
当前的排水规划一般来讲,普遍比较不合理。排水规划设计要
以总体规划为前提,但管网建设有其自身的特点,它建设完成后使
用期限要长达四五十年以上,如果严格以总体规划的年限、污水量
标准、居住人口密度、土地服务范围等为依据,有时很难适应城市
发展的需要。
1.2 排水体制问题
排水体制关乎整个排水设计,当前的大部分排水体制均需改制。
排水系统的体制一般分为合流制和分流制,混合制也是城市中常有
的系统,是具有合流制的城市需要扩建排水系统时出现的。在大城
市中,因各区域的自然条件以及修建情况相差较大,因此要因地制
宜地在各区域采用不同的排水体制,如东莞市城区便是这样的混合
制系统。东莞市位于广东省南部。是座历史悠久的城市,属于珠江
出海口,区内水系发达,河流纵横交错。原有旧城区及各镇区,居
民生活污水及工矿生产废水大部分均直接排入附近河涌而东莞南
城区及松山湖高新技术开发区为新建区,所以在排水体制的选择上
园地制宜地采用了不同的体制。在旧城区采用截流式合流制系统,
在两河岸边建造一条截流干管,同时在截流干管处设置溢流井,并
设置污水厂。晴天所有污水均送入污水处理厂,处理后排入白水河。
雨天随着雨量的增加要有部分污水进入河道。但是,随着旧城不断
改建,这种污染状况会逐步消除。南城区及松山湖高新技术开发则
有条件采用完全分流制系统,即雨水、污水完全分开设置管道,雨
水排入邻近河渠,污水则送人污水处理厂。
2 市政排水管网优化措施
一般来讲,排水管道优化设计主要内容为:对于某一设计管段,
当设计流量确定后,在满足设计规范要求的管径和坡度的多种组合
中,取得管材费用与敷设费用的平衡。当然这仅为在设计流量时的
优化,但是在整个市政排水管网中,其优化设计措施必须是多层次、
多角度的。
2.1 dijkstra算法改进优化设计
排水管网的优化设计实际上就是寻找一个以污水厂为根节点的
最小费用生成树,dijkstra算法是构造最小生成树的有效方法。考
虑到在排水管网优化过程中,生成树的权值随管段的流量、埋深和
长度的变化而不断变化,因此在实际应用中通常采用变权值
dijkstra算法。现有管网平面布局优化常采用有向图的方法,即在
优化前指定网络中各边的方向(水流的方向),而管网中水流的方向
在初始情况下是不确定的,生成树生长的方向可能代表了水流的反
方向,因此采用元向图进行优化更符合管网最初水流方向不确定的
情况。鉴于以上原因,基于无向图的变权值dijkstra算法(改进
dijkstra算法)进行排水管网优化分析。改进dijkstra算法考虑了
最小生成树生长过程中权值的变化,在多约束条件下也可以得出最
优解。该算法的实质是最小费用树的深度优先算法,又称瞎子爬山
法。该算法要处理的信息量小、速度快,对于单因素、单极值的情
况非常有效。
2.2 管线平面优化设计
排水管网的布置原则是既要使工程量最小,又要使水流畅通、
节省能量。正确的定线是合理经济的设计管网的先决条件。定线的
基本原则是:干管支管的设计尽量采用直线布局,不要拐弯:定线
应尽量利用地势,使污水在重力作用下流入污水厂:设计时应尽量
减少管道埋深;在管道的中途尽量减少提升泵站的设置。在早期的
研究中,设计方法为假定每一段管径相同,以挖方费用为优选依据,
选择一初始布置方案,然后通过算法逐步进行调整,后来又引入了
排水线的概念,将排水区域内与最终出水口节点相距同样可行管数
的节点用一根排水线连接起来,这样把问题转化为最短路问题,可
用动态规划法求解,但此方法把寻优的范围被限制,使人们在设计
过程中很容易把最优方案排除。后来,人们把城市排水系统排水布
置抽象为由点和线构成的决策图,从图论中寻找方法1986年发展
到利用三种权值来解决问题,三种权值是各管段地面坡度的倒数;
各管段的管长:各管段在满足最小覆土条件下,按最小坡度设计时
的挖方量,分别对这三种权值运用最短路生成树算法求管线平面布
置方案,再进行管径、埋深和提升泵站的优化设计,最后取投资费
用最小的平面布置方案作为最优设计方案。
2.3 环刚度的优化选择
环刚度是塑料埋地排水管(新型管材均可认为是塑料排水管)抗
外压负载能力的综合参数,为了保证塑料埋地排水管在外压负载下
安全工作,环刚度的选择是设计中的关键之一。如果管材的环刚度
太小,管材可能发生过大变形或出现压屈失稳破坏。反之,如果环
刚度选择得太高,必然采用过大的截面惯性矩,将造成用材料太多,
成本过高。外压负载比较复杂,主要包括土壤重量和地面产生的静
负载,以及运输车辆经过时产生的动负载。塑料埋地排水管承受负
载的机理也比较复杂,因为塑料管属于柔性管。在外压负载下管材
和周围的土壤(回填材料)产生管土共同作用。换句话说,是管材和
周围土壤(回填材料)共同来承受外压负载。决定塑料埋地排水管铺
设后能否正常工作的,负载、管材和土壤(回填)3个参数都很重要,
而且相互影响。所以环刚度的选择不仅取决于外压负载的情况还取
决于铺设后管道周围土壤(回填材料)的情况。
根据世界各国的经验,塑料埋地排水管在外压负载下是否能够
安全使用的因素中,铺设情况是最主要的。如果铺设情况比较好,
环刚度较低的管材也不会有很大变形;反之,如果铺设情况不好,
即使用环刚度比较高的管材也可能变形过大和出现压屈失稳。要保
证铺设情况良好并不是都能做到,同时也需要成本。根据一般生产
厂家的生产规格。塑料埋地排水管可供选择的环刚度主要有4kn/
㎡、8kn/㎡两种规格。结合以往施工及设计经验,笔者建议在设
计塑料埋地排水管时尽量选择较高的环刚度。直径在500mm以下塑
料埋地排水管;一般选择环刚度8kn/m2,只有在地质条件好又没
有运输车辆负载的采用环刚度4kn/㎡;直径在500-1200mm的塑
料埋地排水管;尽量选择环刚度8kn/㎡,如果选择环刚度8kn/
㎡以下的要经过结构设计计算(变形验算,压届失稳计算)并严格控
制铺设施工的质量(管道基础、回填材料、分层夯实等);直径800mm
以上的塑料埋地排水管:重要工程推荐使用环刚度较高(环刚度8kn
/㎡以上的)的金属增强复合缠绕管和玻璃钢夹砂管。如果使用环
刚度较低(环刚度8kn/㎡以下)的热塑性塑料管,务必要经过结构
设计计算(变形验算,压屈失稳计算)并严格控制铺设施工的质量
(管道基础、回填材料、分层夯实等)。
3 结语
市政排水管网是城市市政建设的重要组成部分,其投资比例约
占整个排水系统投资的80%左右。因此,可行性优化设计市政排水
管网的意义重大。城市排水管网系统的建立是随着城市发展而逐渐
形成的。随着城市的发展,经济生产的不断调整,新开发区的建立,
城市道路不断修建,旧城区的改扩建等,排水系统也在迅速建立,
排水管网的普及率在逐年提高。但是还存在很多问题,如污水直接
排入河道造成水体污染;排水体制的不确定导致雨污水合流,使污
水得不到有效处理;规划设计与发展建设不协调导致污水技术条件
差,满足不了使用要求;排水管网建设与污水处理厂建设不配合,
导致二次污染等。这些问题均制约了城市排水设施的发展。市政排
水管网的优化设计主要是解决在已定平面布置方案下,排水管径、
埋深及提升泵站的优化设计以及排水管网平面布置方案的优化研
究。
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