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市政给排水

中铁城际:城市污水管网系统设计优化

本站     2018-10-10 10:20:15    

      随着人口增加,城市化进程的发展,污水的排放量急剧增加,建设经济、有效的污水管网系统是城市发展的重要任务之一。通常情况下,污水系统投资较大,偿还期限长,这就需要提供一种比较先进、可靠的设计方法对污水管道进行优化设计,寻求满足各种技术条件,且能使整个系统总费用最低的设计方案,不仅具有重要的理论和应用价值,而且具有明显的经济和社会效益。 

  一、前言 

  在市政与环境工程建设中,城市污水管网所占总投资的比例很大,城市污水管网是重要的城市基础工程设施之一,担负着收集城市生活和工业生产等污水、及时排除降落在城市市区内和流经市区的雨水的任务。排水工程设施设计与建设的质量和科学性,直接决定着城市的发展水平,影响着城市景观和卫生环境,影响着城市的投资环境,甚至关系到城市的安全。在传统的污水管道设计中,水力计算主要通过手工借助于计算器来完成。其计算过程是一项工作量很大,简单、机械、重复的劳动过程,既枯燥又费时,而结果一般得不出一个最优或者较优的设计方案。即使最有经验的工程设计人员,也不可能对每个方案进行定量的比较,只能考虑其中一部分,这样最优方案就会被遗漏,从而导致投资出现不必要的浪费。污水管道系统的最优化设计较常规设计可节省投资5%-15%,系统规模越大,复杂性越高,通过优化设计后可节省的费用就越多。科学合理地设计排水管网系统是城市基础工程设施建设的重要一环,对工程设施的投资和运行管理的可靠性也起着关键性作用。 

  二、城市污水管网系统设计优化注意的问题 

  1、设计流速 

  污水管道的埋深对工程造价有具有重要的影响。总的来说,管道埋深越大,造价越高,施工越困难,施工期越长。而且埋深对造价的影响比管径对埋深的影响要大,当埋深较大时,埋深造价是管径造价的好几倍。此外,由于管到连接和埋设的连续性,可以说,在一般情况下某一管段的埋深增加了0.5米,该条管道上的下游所有管段(甚至其下游的若干条管道)都将增大埋深0.5米。如果每个管段都尽可能地减小埋深,那么对于减小整个管网的工程造价来说具有很大的意义。在一定条件下,决定管道埋深大小的关键因素是管道坡度。我们知道,当流速减小时,水力半径增大,即减小流速能有效地减小管底坡度和埋深。但是,在污水管道约束条件中除了对最小管径的管底坡度以外,没有关于管底坡度大小的具体规定,因而无法以管底坡度作为优化选择的决策变量。而对于设计流速却有明确的约束条件,在满足设计流速约束条件的前提下,选择一个尽可能小的设计流速是对设计参数进行优化选择的重要内容。 

  2、设计充满度 

  在污水管道设计中,减小管径也能减小管材与工程造价。由此可见,尽可能选择一个较小的管径也是十分重要的。但是,在根据污水管道设计的约束条件,除了最小管径,也没有对管径大小作出具体的要求,而对设计充满度却有严格的规定,因而无法直接选取一个最优管径来满足有关约束条件。如果在己知设计流量并初步确定了流速的情况下,选择一个尽可能接近最大充满度的管径,那么,这个管径就是该条件下可以选择的最小管径。更有意义的是,这种优化选择接近最大设计充满度的方法,不仅可以减少管材等工程造价,而且可以在一定程度上减小管底坡度和埋深。根据水力学中水力半径和充满度之间的关系可知,充满度为0.81左右以下时,水力半径随充满度增大而增大。由于各种管径的最大充满度都不大于0.75,所以,选择尽可能大的设计充满度也就是选择了尽可能大的水力半径,其结果是减小了管道坡度和埋深。总之,减小某一管段的坡度和埋深对减小该管段和下游管道的工程造价都有十分重要的意义。在满足污水管网各种约束条件的前提下,选取尽可能大的设计充满度,可以进行污水管道的优化。 

  3、污水管网的布置形式 

  污水管网一般布置成树状网,根据地形的不同,可采用两种基本布置形式:平行式和交叉。(1)平行式。污水干管与等高线平行,主干管与等高线垂直。在地势向河流方向有较大倾斜的地区,可使干管与等高线及河道基本上平行,主干管与等高线及河道成一倾斜角敷设。特点:保证干管较好的水力条件,避免因干管坡度过大以至于管内流速过大,使管道受到严重冲刷或跌水井过多。适用:地形坡度大的地区。分区式:在地势高低相差很大的地区,当污水不能靠重力流至污水厂时采用。分别在高地区和低地区敷设独立的管道系统。高地区的污水靠重力流直接流入污水厂,而低地区的污水用水泵抽送至高地区干管或污水厂。优点:能充分利用地形排水,节省电力。(2)正交式。污水干管与地形等高线垂直相交,主干管与等高线平行敷设。正交式适合应用于地形平坦略向一边倾斜的地区。污水管网因地区的地形差异大,布置的形式也应结合各区域的地形特点和排水体制进行,同时要考虑排水管渠流动的特点,即小流量支管坡度大,大流量干管坡度小。实际工程往往结合上述两种布置形式,构成丰富的具体布置形式。 

  4、管材优化选择 

  钢筋混凝土管适用于排除雨水、污水,可在专门的工厂预制,分混凝土管、轻型钢筋混凝土管、重型钢筋混凝土管3种。钢筋混凝土管制造方便,而且可根据不同的抗压要求制成无压管、低压管、预应力管等,所以在排水管道系统中得到普遍应用。除用作一般自流排水管道外,钢筋混凝土管及预应力钢筋混凝土管亦可作泵站的压力管及倒虹管。随着新材料的开发与推广应用,越来越多的城市排水系统应用了HDPE管等新型材料,高密度聚乙烯塑料管是一种具有环状波纹结构外壁和平滑内壁的新型塑料管材。根据管壁结构的不同,HDPE管可分为双壁波纹管和缠绕增强管两种类型。由于其具有连接可靠、耐腐蚀、韧性高、弹性好、使用寿命长、施工方便等优点,在市政给排水工程中得到了较为广泛的应用,这类管子具有粗糙系数小、排水能力强、重量轻、耐腐蚀、耐低温和耐磨性好等优点,可以缩短施工周期、降低工程造价和提高管道系统的安全性。缺点是管材的承压能力弱,不宜布设在有高强度荷载的路面上;单位管长造价比较高。 

  三、结语 

  总之,污水管网的优化设计是给排水工程优化设计的一个重要分支,为了使整个污水处理工程系统最优,往往要求工程系统中的某些局部(或子系统)利益作出一定的牺牲,这也是全局优化基本思想的一个方面。具体地讲,如果污水管网的控制点位于边远的地势较低处,或具有相当埋深的某污水排出口,或地形逆坡处,这时,就不能因为照顾个别控制点而导致整个管网的埋深都增加。因此,可根据工程实际情况因地制宜地采取一些处理措施,如加强管材强度、回填土以提高地面标高等,以减小控制点管道的埋深,从而减小整个管网的埋深,降低工程投资。对于地面坡度不大或很平缓的这种最常见地形下的污水管道优化设计来说,对管道参数来进行优化设计,尽可能减小所优化管段的坡度、埋深和管径,这样不仅能减少该管段的工程造价,而且还对减小下游各管段的坡度和埋深具有重要意义。 


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