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      市政給排水

      中鐵城際:城市污水管網系統設計優化

      本站     2018-10-10 10:20:15    

            隨著人口增加,城市化進程的發展,污水的排放量急劇增加,建設經濟、有效的污水管網系統是城市發展的重要任務之一。通常情況下,污水系統投資較大,償還期限長,這就需要提供一種比較先進、可靠的設計方法對污水管道進行優化設計,尋求滿足各種技術條件,且能使整個系統總費用最低的設計方案,不僅具有重要的理論和應用價值,而且具有明顯的經濟和社會效益。 

        一、前言 

        在市政與環境工程建設中,城市污水管網所占總投資的比例很大,城市污水管網是重要的城市基礎工程設施之一,擔負著收集城市生活和工業生產等污水、及時排除降落在城市市區內和流經市區的雨水的任務。排水工程設施設計與建設的質量和科學性,直接決定著城市的發展水平,影響著城市景觀和衛生環境,影響著城市的投資環境,甚至關系到城市的安全。在傳統的污水管道設計中,水力計算主要通過手工借助于計算器來完成。其計算過程是一項工作量很大,簡單、機械、重復的勞動過程,既枯燥又費時,而結果一般得不出一個最優或者較優的設計方案。即使最有經驗的工程設計人員,也不可能對每個方案進行定量的比較,只能考慮其中一部分,這樣最優方案就會被遺漏,從而導致投資出現不必要的浪費。污水管道系統的最優化設計較常規設計可節省投資5%-15%,系統規模越大,復雜性越高,通過優化設計后可節省的費用就越多?茖W合理地設計排水管網系統是城市基礎工程設施建設的重要一環,對工程設施的投資和運行管理的可靠性也起著關鍵性作用。 

        二、城市污水管網系統設計優化注意的問題 

        1、設計流速 

        污水管道的埋深對工程造價有具有重要的影響?偟膩碚f,管道埋深越大,造價越高,施工越困難,施工期越長。而且埋深對造價的影響比管徑對埋深的影響要大,當埋深較大時,埋深造價是管徑造價的好幾倍。此外,由于管到連接和埋設的連續性,可以說,在一般情況下某一管段的埋深增加了0.5米,該條管道上的下游所有管段(甚至其下游的若干條管道)都將增大埋深0.5米。如果每個管段都盡可能地減小埋深,那么對于減小整個管網的工程造價來說具有很大的意義。在一定條件下,決定管道埋深大小的關鍵因素是管道坡度。我們知道,當流速減小時,水力半徑增大,即減小流速能有效地減小管底坡度和埋深。但是,在污水管道約束條件中除了對最小管徑的管底坡度以外,沒有關于管底坡度大小的具體規定,因而無法以管底坡度作為優化選擇的決策變量。而對于設計流速卻有明確的約束條件,在滿足設計流速約束條件的前提下,選擇一個盡可能小的設計流速是對設計參數進行優化選擇的重要內容。 

        2、設計充滿度 

        在污水管道設計中,減小管徑也能減小管材與工程造價。由此可見,盡可能選擇一個較小的管徑也是十分重要的。但是,在根據污水管道設計的約束條件,除了最小管徑,也沒有對管徑大小作出具體的要求,而對設計充滿度卻有嚴格的規定,因而無法直接選取一個最優管徑來滿足有關約束條件。如果在己知設計流量并初步確定了流速的情況下,選擇一個盡可能接近最大充滿度的管徑,那么,這個管徑就是該條件下可以選擇的最小管徑。更有意義的是,這種優化選擇接近最大設計充滿度的方法,不僅可以減少管材等工程造價,而且可以在一定程度上減小管底坡度和埋深。根據水力學中水力半徑和充滿度之間的關系可知,充滿度為0.81左右以下時,水力半徑隨充滿度增大而增大。由于各種管徑的最大充滿度都不大于0.75,所以,選擇盡可能大的設計充滿度也就是選擇了盡可能大的水力半徑,其結果是減小了管道坡度和埋深?傊,減小某一管段的坡度和埋深對減小該管段和下游管道的工程造價都有十分重要的意義。在滿足污水管網各種約束條件的前提下,選取盡可能大的設計充滿度,可以進行污水管道的優化。 

        3、污水管網的布置形式 

        污水管網一般布置成樹狀網,根據地形的不同,可采用兩種基本布置形式:平行式和交叉。(1)平行式。污水干管與等高線平行,主干管與等高線垂直。在地勢向河流方向有較大傾斜的地區,可使干管與等高線及河道基本上平行,主干管與等高線及河道成一傾斜角敷設。特點:保證干管較好的水力條件,避免因干管坡度過大以至于管內流速過大,使管道受到嚴重沖刷或跌水井過多。適用:地形坡度大的地區。分區式:在地勢高低相差很大的地區,當污水不能靠重力流至污水廠時采用。分別在高地區和低地區敷設獨立的管道系統。高地區的污水靠重力流直接流入污水廠,而低地區的污水用水泵抽送至高地區干管或污水廠。優點:能充分利用地形排水,節省電力。(2)正交式。污水干管與地形等高線垂直相交,主干管與等高線平行敷設。正交式適合應用于地形平坦略向一邊傾斜的地區。污水管網因地區的地形差異大,布置的形式也應結合各區域的地形特點和排水體制進行,同時要考慮排水管渠流動的特點,即小流量支管坡度大,大流量干管坡度小。實際工程往往結合上述兩種布置形式,構成豐富的具體布置形式。 

        4、管材優化選擇 

        鋼筋混凝土管適用于排除雨水、污水,可在專門的工廠預制,分混凝土管、輕型鋼筋混凝土管、重型鋼筋混凝土管3種。鋼筋混凝土管制造方便,而且可根據不同的抗壓要求制成無壓管、低壓管、預應力管等,所以在排水管道系統中得到普遍應用。除用作一般自流排水管道外,鋼筋混凝土管及預應力鋼筋混凝土管亦可作泵站的壓力管及倒虹管。隨著新材料的開發與推廣應用,越來越多的城市排水系統應用了HDPE管等新型材料,高密度聚乙烯塑料管是一種具有環狀波紋結構外壁和平滑內壁的新型塑料管材。根據管壁結構的不同,HDPE管可分為雙壁波紋管和纏繞增強管兩種類型。由于其具有連接可靠、耐腐蝕、韌性高、彈性好、使用壽命長、施工方便等優點,在市政給排水工程中得到了較為廣泛的應用,這類管子具有粗糙系數小、排水能力強、重量輕、耐腐蝕、耐低溫和耐磨性好等優點,可以縮短施工周期、降低工程造價和提高管道系統的安全性。缺點是管材的承壓能力弱,不宜布設在有高強度荷載的路面上;單位管長造價比較高。 

        三、結語 

        總之,污水管網的優化設計是給排水工程優化設計的一個重要分支,為了使整個污水處理工程系統最優,往往要求工程系統中的某些局部(或子系統)利益作出一定的犧牲,這也是全局優化基本思想的一個方面。具體地講,如果污水管網的控制點位于邊遠的地勢較低處,或具有相當埋深的某污水排出口,或地形逆坡處,這時,就不能因為照顧個別控制點而導致整個管網的埋深都增加。因此,可根據工程實際情況因地制宜地采取一些處理措施,如加強管材強度、回填土以提高地面標高等,以減小控制點管道的埋深,從而減小整個管網的埋深,降低工程投資。對于地面坡度不大或很平緩的這種最常見地形下的污水管道優化設計來說,對管道參數來進行優化設計,盡可能減小所優化管段的坡度、埋深和管徑,這樣不僅能減少該管段的工程造價,而且還對減小下游各管段的坡度和埋深具有重要意義。 


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