基于可靠性的某工业厂区雨水管网优化设计

摘要：笔者通过阐述雨水管网可靠性设计国内外研究现状，从管道、流速等几个方面进行了雨水管网可靠性优化设计影响因素分析，提出了雨水管网可靠性优化设计的程序和模型。最后，从一般方法、基于可靠性两种角度进行了分析比较，结果显示可靠性分析对雨水管网设计意义更大。

关键词：雨水管网 可靠性 管道 流速

1 概述

随着我国经济的迅速发展，我国的基础设施建设也取得了重大的发展，特别是雨水管网的建设给居民的生活、生产带来了极大的影响。在雨水管网设计中，只有对各种影响参数进行合理的分析并设计出更优、更合理的施工方案，才能够适应当前雨水管网设计的复杂性、多样性及可靠性。

董卫华、严瑞玲通过分析设计雨水管网流量的不确定性、雨水管网过水能力各水力因子的不确定性、雨水泵站的可靠性、设计雨水管道理论的可靠性等，为我国城市的雨水管网设计工作提供可靠的参考依据[1]。

高延红、张俊芝、丁春生等人以我国现行的规范设计方法为依据，分析了在屋面排水沟设计研究中存在的各不确定性计算方面，探讨了以可靠性为主要因素的设计计算方法。并且将之与欧洲相关标准做对比，分析其可靠性，并根据我国有关可靠性指标取值的相关规范，提出了屋面排水沟设计新的方法[2]。

郭宇峰在“雨水管网多目标优化设计的探讨”一文中探讨了NSGAII算法，结合排水管网水力模型，实施雨水管网多目标优化设计，通过案例分析，表明该优化设计方法能满足设计要求，并得到更经济的方案，还对进一步研究做了展望，以期指导城市排水管网设计[3]。

Mark等详细分析了排水管网的风险，并以数字模拟和GIS技术为依托，研究了达卡市子流域排水系统的风险[4]。

本文正是在这种研究背景下展开研究的，皆在对唐山某工程雨水管网可靠性优化设计进行深入的探讨，通过对雨水管网优化可靠性设计的理论进行分析，结合工厂雨水管网的特性，构建了工业厂区雨水管网可靠性优化设计指标，建立雨水管网优化目标函数，进而通过优化程序设计而对常规和优化设计两种方法进行结果比较，以便提高雨水管网可靠性设计研究。

2 工业厂区雨水管网设计影响因素分析

本文针对唐山某工业厂区雨水管网设计进行可靠性分析，在管网规划基础上，在满足工业厂区雨水管网设计的约束条件、技术要求、质量规定、环境保护等方面的条件下，使整个工业厂区雨水管网达到经济最优，进而达到可靠性最大化。

工业厂区雨水管网在设计中，具有以下特点：首先，作为重力流系统，设计管段需从上游到下游逐段进行计算，并且具有相同的计算公式;其次，雨水管网定线时，可以充分考虑周边的地势地形，无需采用太长的管道就可以将雨水就近排出;由于雨水管径大小通常满足雨水设计流量，且管道埋深不大、坡度较小，因此一般不需要设置中途泵站。依据以上雨水管网可靠性设计的基本特点，本文从流速、管道两个方面进行工业厂区雨水管网可靠性因素分析，从而使得整个工业厂区的总造价最低。

2.1 流速

2.1.1 管径

选择较小的管径，管道的流速会比初选的流速增大，同时也使得相应的坡度及管道的埋置深度增大。然而，当管径略大于标准管径时，容易出现管道流速低于初选流速，或者非满流现象，这种情况不会增大埋置深度，但会浪费管材，从而提高管网设计的造价。与此同时，各种不同管径的管道的连接方式也极为重要。相同管径的管道，或在平埋地区不同管径的管道可采用平接，但是在任何情况下，进水管管底不得高于出水管管底[5]。

在工业厂区雨水管网设计中，粗糙系数也是非常重要的影响要素之一，它主要是由排水管道的材质、尺寸以及在使用过程中的管底留下的沉积物，管壁结垢物等共同形成的。

粗糙系数的变化一方面反映了管网流量的变化，一方面反映了管径的变化。由于受排水管道内的部分化学元素和微生物的腐蚀以及后沉淀等，管道中水的杂质颗粒逐渐粘附在管道内壁。随着时间的增长，在整个管道的内壁会形成一层锈垢，它不仅会减小管道的过水有效面积，而且增加管道的粗糙系数，进而直接影响管网的过水能力。随着时间的增长，过水能力会逐渐减小，影响整个管网的可靠程度[6]。

2.1.3 水力坡度

通过上述对水力坡度的不确定分析进行的详细的叙述，从而在管网优化设计时，最小的设计坡度对管网的可靠性分析更为重要。它主要是指相应于管道内流速为最小设计流速时的管道坡度。对于工业厂区所选取的不同管径的雨水管道具有不同的最小坡度，应根据项目的实际情况而选定相应的管径。管径相同的管道，最小坡度随着管道的充满度变化，当在确定的设计充满度的条件下，最小坡度与管径值成反比，管径越大，则最小设计坡度越小[7]。

综上所述，最小设计坡度值在管径200mm下取0.004，管径300mm下取值0.003更较为合理，具体的取值要参考管道水力因素规范设计表。

2.2 管道

2.2.1 设计充满度

设计充满度主要是指在设计流量下，雨水在管道中的水深h和管道直径D的比值，亦称水深比。当h/D等于1时称为满流，h/D小于1时称为不满流。两种方法各有优缺点，在工业厂区管网优化设计中，我们通常采用非满流设计。首先，由于污水流量因其不断变化的状态无法精确测量计算。同时，污水管道还可能接收一部分通过检查井盖或管道接口渗透进来的污水或地下水。为此，为增加雨水管道设计的可靠性，给管道预留一部分空间，以防不可预见水量的涌入，进而避免污水溢出水面破坏周边的环境卫生等;其次，污水管道内沉积的污泥在一定情况下会分解出部分有害气体，甚至发生爆炸等。因此，有必要预留一部分空间用于管道的通风排气[8]。

2.2.2 设计流速

该因素主要是指与设计流量、设计充满度相应的水流平均流速。设计流速的大小会对整个管网的经济及适用性等方面产生很大的影响。它主要分为最小设计流速以及最大设计流速。其中，最小设计流速要满足管道内不发生淤积，而污水中所含悬浮物的成分和粒度又影响最小设计流动的确定，同时也受到管道的水力半径、粗糙系数等影响。污水管道的最小设计流速一般为0.6m/s，而对于含有金屑、矿物固体等杂质的生产排水管道，其最小的设计流速应适当增大，也要结合工厂及周边的实际环境而综合确定的。最大设计流速是指保证管道在使用过程中不被冲刷损坏的流速，通常为10m/s，非金属管道的最大设计流速为5m/s[9]。 由此可见，在工业厂区雨水管网优化设计中，设计流速的大小会影响管道在使用过程中的时间长短，合理的设计流速不仅能够降低管网设计的综合造价，同时也能延长管网的使用时间，提高管网设计的可靠性。

2.2.3 埋置深度

埋置深度是指地面到管道中心的距离。合理确定管道的埋置深度对于降低整个工程造价具有十分重要的作用，最小的覆土深度以及最大的埋设深度两个重要的指标对管网可靠性设计不可或缺[10]。

①必须防止管道内雨水冰冻和因土壤冻胀而损坏管道;

②必须防止管壁因地面荷载而受到破坏。非车行道下的雨水管道若能满足管道衔接的要求以及无动荷载的影响，其最小覆土厚度值也可适当减小。

■

③必须满足街区雨水连接管衔接的要求。

3 工业厂区雨水管网可靠性设计指标构建

通过以上对工业厂区雨水管网可靠性设计影响因素的分析，以及工业厂区雨水管网指标构建的原则，在工程系统可靠性理论基础上，建立唐山某工业厂区雨水管网可靠性优化设计指标。

4 工业厂区雨水管网可靠性优化设计程序

4.1 雨水管网设计目标函数的建立

4.1.1 目标函数

=min■（1+e■T）C■L■+■（1+e■T）C■+Y■

本文针对唐山某工业厂区雨水管网优化设计的约束条件主要是体现在以下五个方面：

①雨水管网管径约束

D1，i？叟max{Dmin，■}

其中，D1，i、Dm，i分别表示所选取的最小、最大可行管径，Dmax表示标准管径的最小值，Qi表示管道流量[11]。

②流速约束

Vmin？燮V？燮Vmax

③埋深约束

Hmin？燮H？燮Hmax

④充满度约束

■=1

⑤可靠性约束

■/83■/12？叟ζ■

其中，ζ为常数。

4.2 案例分析

通过从唐山市城建局搜集相关的资料，暴雨重现期选择P=1a，暴雨强度公式为：

a=■

■

借助于上述关于工业厂区雨水管网优化设计的对比表格，可以得出雨水管网可靠性优化设计的以下结论：

①表1中均可以看出，工业厂区雨水管网设计中，管长、管径、流速、设计流量、管道输水能力等都是影响管网设计的主要影响因素，它们一方面影响管网在使用过程中的可靠程度，另一方面也会影响工程造价。

②可靠性设计方法中的管径一般比常规方法设计的管径要大些，同时坡度也有所增加。这样伴随的结果就是后者的管网设计总造价要大于一般方法的造价，上述结果显示可靠性设计的造价为，大于一般方法设计产生的造价。这主要是可靠性的设计对整个工业厂区的要求更高，约束条件如管径、埋深等都会产生比较大的影响，进而提高了管网的施工费用以及材料费用等，但是管网在使用过程中的可靠性、安全性以及使用性能却得到了提高。

④通过上述表格的分析比较，可以看出当前管网设计中考虑可靠性优化设计造价高，对可靠性设计分析产生一定的难度。但是这种费用带来的后续维护、检查等会相对于一般方法较低，为此要对可靠性优化设计方法加以重视，提高整个工业厂区雨水管网的设计可靠程度以及整个使用周期的总费用。

⑤影响雨水管网可靠性优化设计指标当中，各个影响因素都占有重要的比重。其中，影响程度最大的因素是管网的设计流量，其次是管径、计算模型系数、水力坡度等。

5 总结

本文将工程结构可靠性设计基本理论和工业厂区项目的实际情况相结合，对工业厂区的雨水管网设计进行了研究和探讨，并给定出了两种方法的优缺点，试图对工业厂区以及类似的项目提供一定的借鉴和指导作用。