浅论小区管网的优化设计

陈磊 陈思

【摘要】：摘要: 随着城市建设的发展，污水的排放问题也逐渐凸显出来，虽然给排水管网的设计与施工都有了长足的进步，但在现状中排水管网设计及建设过程中仍存在不少的问题，影响城市小区内的排水畅通。本文结合当前小区污水管网的优化设计问题，主要就设计埋深及坡度等进行了简要的分析与探讨。

【关键词】：小区；管网；优化设计

中图分类号： TU996.7+2文献标识码： A 文章编号：

引言

污水管网的优化设计主要包括两个方面的内容：（1）管线平面布置的优化选择；（2）在管线平面布置已定情况下进行管道参数的优化。小区污水管网建设方案优劣的影响因素众多，从理论和实践上看，可将这些影响因素归纳为经济、施工、维护管理、安全等四类．这些因素之间相互联系，相互制约，共同作用于污水管网的建设。如何做好这四个方面的合理安排，保证管网系统安全高效经济的运行，加大了污水管网建设方案的取舍。尤其是埋深，在一定的范围内对安全性和经济性的作用是相对的。埋深加大会增加管网造价，其经济性变差，但是同时安全性提高。于是在进行多方案比较时，如何选择一个最优的方案成为设计研究人员需要考虑的重要问题。

1管网优化设计的优化方法及内容

1.1管网优化方法

最优化的理论是一门应用非常广泛的科学，寻求问题最优解的计算方法，研究这些方法理论性质及实际的表现。近些年来，随着计算机技术的高速发展和更多优化方法的出现，优化的工具和手段都有了很大的进步，设计人员在工程实践中多采用的优化方法通常有以下几种：

直觉优化法：直觉优化又分判断性优化和选择性优化。前者是设计者根据经验和直觉，不需要通过分析计算就做出判断性选择的一种方法；后者是设计者在设计过程中根据有限的几个方案，经初步的分析计算，选择其中最佳者的一种方法。直觉优化方法是重要的、简易的方法，但它多取决于设计者丰富的设计技艺及经验判断的推理能力。

数值计算优化法：数值计算优化是指用数学方法来求得最优方案的方法。由于现在的计算机技术的发达，现代的数值计算优化都是通过计算机的数值计算作为其主要的特征。

价值分析优化法：价值分析优化法首先应需要建一个价值表，列出各项指标的经济或技术价值，然后根据各项的指标的重要程度引入权系数，再计算出各种方案的各项指标的使用价值，统计出各个方案的总使用价值，其数值最大者，即为最优的方案。

试验优化法：当对设计对象的机理不很清楚、或对其制造与施工经验不足、各个参数对设计指标的主次影响难以分清时，试验优化是一种可行的优化设计方法。根据模型试验所得的结果，可以寻找出最优方案。

1.2管网平面布局的优化设计

污水管网平面布置的优化设计的原则是管线最短、管道的工程量最小，水流通畅。正确定线是优化设计污水管网的首要条件，对不同定线方案的优化选择更具有实用价值。对于某一污水管网平面布置方案是否是最优，取决于该管网平面布置方案管径与坡度（埋深）优化设计的计算结果，因此，已定管线下的优化设计计算是进行平面优化布置的基础，两者密不可分的。目前国内在平面布局优化方面已经取得了一定的成果。如陈森发的优化树法、程奕等的决策图法等。

1.3管道的参数优化设计

管道的参数优化是指在已定管线下的污水管道上，主要是埋深和管径以及不同管段间的设计参数上的优化设计问题。对于某一设计的管段，当其流量大小确定后，满足设计规范要求的埋深与管径有许多种的组合。在这些设计组合中，如果选择的管径比较大，则管道坡度小，管道埋深浅，施工的费用低而管材的费用高：反之会施工的费用高而管材的费用低。因此，对于一段设计管段而言，总存在一组埋深和管径的组合，使其投资费用最省。但对于一段比较长而管径大的大型污水管，随着埋深的增加，埋深造价将急剧增高，此时选择较小的坡度和较大的管径是有利的。例如，某工地管径600mm的管道，其埋深5米时工程的造价是埋深3米时的3倍多。对于在管线平面布置已定情况下进行管道参数的优化设计问题，国内外做了大量工作，取得了很大的成就。

2影响管道优化的主要因素

污水管道系统的影响因素对管网建设影响的各方面，可以将污水管网系统分为四个评价指标，经济、安全、施工和维护管理。污水管道工程的造价主要与排水管道管径、埋深、管材、坡度有很大关系，同时也与检查井数量、基础处理有关，尤其是在地质条件不太好。对地基处理要求较高的地区。在此我们在埋深及坡度两个主要方面作主要分析。

（1）埋深

管道的内壁底到地面的距离称之为管道的埋深深度，即埋深。就一般而言，排水管网的所用的费用约占排水工程总投资量的50％~75％，而构成排水管道造价的沟槽支撑、管基处理、沟槽开挖与回填、管道铺设及地下水排除等各部分的比重与管道埋深关系尤为密切。因此，合理地确定管道埋深对于降低工程造价是非常重要的，在地形不利、土质较差的地区，若能想方设法减小管道的埋深，对于节省工程投资则更为明显。

设计地区的水文地质、地形及工程地质等条件是影响处理管径、埋深与造价关系的重要因素，而其中地形条件为主要的因素。当地形比较陡时，易出现敷设的管道坡度小于地面坡度的情况，此时应选用比较小的管径，以便适当的加大管坡，满足管道的最小的覆土厚度要求，同时还可以避免设置跌水井，又可节省污水管道的基建费用；当地形比较有利时，即管道走向坡度与地面坡度大致相同，应尽量使污水管道与地面平行敷设，增加埋深的稳定安全性；当地形平坦或地处逆坡段时，易出现敷设的管道坡度大于地面坡度的情况，此时宜采用较大些的管径，以尽量减小管道的坡度，达到减小管道埋深的目的，减少管网造价。当由于地形或其它的综合因素而导致管网的高程选择极为不利时，则应当合理地确定对整个排水管网埋深起控制作用的控制点的位置。合理控制管网的费用。

沟槽开挖量的大小最为直接联系的就是管道埋深的大小，其施工费用大约占了整个管网建设费用的一半，降低污水管网的埋深能够有效的降低管网造价。而对整个排水管网的埋设深度起控制作用的控制点，其起始的埋设深度对整个管网起到决定性的作用，故一般排水管网的控制点通常是设置在距离出水口最远的地势低洼的地区或具有相当埋深的工厂污水排出口。控制点高程的确定应当依据设计区的竖向规划，保证排水管网内各处污水均能流畅排除，且应顾及今后未来的发展，在埋深上要适当的留有余地；但也不能为了照顾个别控制点而增加整个管网系统的埋深。可视工程实际条件因地制宜地采用一些特殊处理措旌，如回填土提高地面标高、加强管材强度等，以保证管道的最小覆土厚度。

（2)管坡

在进行污水管道管网系统设计时，通常是将管道敷设的坡度与设计地区的地面坡度基本保持一致，保证管道埋深稳定，利于施工的同时也降低了管网的造价。在地势平坦或管道走向与地面坡度相反时，应尽量减小管道敷设的坡度，避免由于管坡的加大而导致管道的埋深太大，造成管网工程造价的提高。由污水管的水力学计算公式可知，设计坡度与水力半径的4/3次方成反比，与设计流速的平方成正比。水力半径是过水断面与湿周的比值，因此不同管径的污水管道有着不同的最小设计坡度。管径相同的管道，充满度的不同，其最小坡度也是不同的。在给定的设计充满度下，通常采用放大污水管径的方法来降低管道坡度，从而使管道埋深不致过大，造成管网造价的升高。如规范规定管径为300mm的污水管道其最小设计坡度为0．0022，而管径为400mm的污水管道其最小设计坡度为O．0015，显然管坡同样也是一个负向量，坡度的变大通常会导致管道埋深加大，从而使管网的造价变高。

结束语

小区管网的优化设计对于管网能够安全高效的工作具有重要的意义。合理的选择埋深，覆土厚度及管道坡度能购极大地减少工程造价，提高排水的安全稳定性，使污水管网的设计得以进一步优化。为排水管网的全局优化提供了一种有效的方法。

参考文献：

[1]陈森发，朱德炯，顾兴富，等．城市排水管网系统布局的优化设计[J]．运筹与管理，1997，6(2)：38—42．

[2]伊学农，刘遂庆．节点递归算法用于污水管网的优化设计[J]．中国给水排水，2002，18(10)：58—60．

[3]周玉文，赵洪宾．排水管网理论与计算[M]．北京：中

[4]赵梁红．关于综合评判法中确定因素隶属度的两种方法阴．绍兴：绍兴文理学院数学系，2001

[5]李郑．基于模糊综合评判的小区污水管网方案优选研究田．合肥：合肥工业大学土木建筑工程学院，2006