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污水管網(wǎng)設(shè)計(jì)中的的幾種約束條件及全局優(yōu)化方法
污水管網(wǎng)承擔(dān)著排放污水、保護(hù)環(huán)境的職能,是一個(gè)重要的基礎(chǔ)設(shè)施,合理的設(shè)計(jì)污水管網(wǎng),對基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展和功能完善有著重要的影響作用。本文分析了污水管網(wǎng)計(jì)算中的幾種約束條件和以全局優(yōu)化的思想。
關(guān)鍵詞:污水管網(wǎng);優(yōu)化設(shè)計(jì);計(jì)算方法
0 引言
污水管網(wǎng)的基本任務(wù)就是及時(shí)、安全、通暢地收集、輸送污水到污水處理設(shè)施。污水管網(wǎng)系統(tǒng)是給水排水工程的一個(gè)重要組成部分,在整個(gè)排水系統(tǒng)投資中占有相當(dāng)大的比例。污水管網(wǎng)系統(tǒng)同時(shí)是現(xiàn)代化城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施,是城市水污染防治的骨干工程。因此,設(shè)計(jì)時(shí)如何在滿足規(guī)定的各種約束條件下,優(yōu)選污水管網(wǎng)的管徑、埋深等各個(gè)組成部分,盡量降低污水管網(wǎng)的投資費(fèi)用,是污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的最終目的。
1 優(yōu)化思想
1.1 選取盡可能小的設(shè)計(jì)流速
當(dāng)水力半徑不變,管底坡度與流速的平方成正比,即減小流速能更大幅度地減小管底坡度和埋深。關(guān)于設(shè)計(jì)流速的約束條件很多,在滿足所有設(shè)計(jì)流速的約束條件的前提下,選擇一個(gè)盡可能小的設(shè)計(jì)流速是對設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化選擇的重要內(nèi)容,在程序設(shè)計(jì)中很容易實(shí)現(xiàn)。
1.2 選取盡可能大的設(shè)計(jì)充滿度
優(yōu)化選擇接近最大設(shè)計(jì)充滿度的方法,不僅可以減少管材耗量,而且還可以在一定程度上減小管底坡度和埋深,首先確定了一個(gè)盡可能小的設(shè)計(jì)流速v后,n為常數(shù),水力半徑R越大管底坡度I越小。根據(jù)水力學(xué)中水力半徑和充滿度之間的關(guān)系可知,充滿度為0.81左右以下時(shí),水力半徑隨著充滿度增大而增大。由于各種管徑的最大設(shè)計(jì)充滿度也不大于0.75,所以選擇盡可能大的設(shè)計(jì)充滿度也就是選擇了盡可能大的水力半徑,其結(jié)果是減小了管道坡度和埋深
1.3 檢查井內(nèi)管段銜接時(shí)盡可能減小下游管段埋深 在滿足管段在檢查井內(nèi)銜接的約束條件的前提下,根據(jù)相銜接兩管段的管徑與管段中的污水深度等具體情況,來選擇水面平接、管頂平接和管底平接等三種不同的銜接方式。
1.4 以全局優(yōu)化的思想指導(dǎo)設(shè)計(jì)的選擇
為了使整個(gè)工程系統(tǒng)為最優(yōu)這個(gè)全局利益,往往要求工程系統(tǒng)中的某些局部(或子系統(tǒng))利益做出一定的犧牲。盡可能減小所計(jì)算管段的坡度、埋深和管徑等,這不僅能減小該管段的工程造價(jià),而且還對減小其下游各管段的坡度和埋深也做出了貢獻(xiàn)、也是對排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)計(jì)算的全局優(yōu)化做出了貢獻(xiàn)。
2 污水管網(wǎng)設(shè)計(jì)計(jì)算的約束條件
2.1 管徑
管徑對污水管道水力計(jì)算的約束反映在兩個(gè)方面,其一是規(guī)定了最小管徑;其二是管徑的遞增或遞減方式,由于管道規(guī)格的限制,在計(jì)算過程中,管徑的遞增或遞減是非連續(xù)均勻的。
2.2 流量
設(shè)計(jì)中確定管徑時(shí),應(yīng)避免小流量選大管徑,故應(yīng)明確各種管徑對應(yīng)的最小流速(最小充滿度)時(shí)所通過的流量為最小流量。當(dāng)管段設(shè)計(jì)流量小于某一管徑的最小流量時(shí),只能選小一級的管徑。但不能小于其最小管徑。
2.3 充滿度
污水管道按部分滿流計(jì)算。每種管徑都有相應(yīng)的充滿度上限值。以最大和最小充滿度為約束條件,選用設(shè)計(jì)充滿度,可以最佳的確定管徑,達(dá)到優(yōu)化目的。
2.4 流速
管段的設(shè)計(jì)流速介于最小流速(0.6m/s)和最大流速(金屬管10m/s,非金屬管5m/s)之間。不同管徑的圓形鋼筋混凝土管,在相應(yīng)的最大充滿度下的最大流速是不同的。
2.5 坡度
規(guī)范中規(guī)定了最小管徑的最小設(shè)計(jì)坡度。各種管徑都有相應(yīng)的最小設(shè)計(jì)坡度。為保證管道的運(yùn)行和維護(hù)管理,也應(yīng)考慮確定各種管徑的最大設(shè)計(jì)坡度。在平坦地區(qū)污水管道的水力坡度應(yīng)用最小設(shè)計(jì)坡度約束,而地形坡度大的地區(qū)則應(yīng)用最大設(shè)計(jì)坡度約束。
2.6 埋深
管道起點(diǎn)的最小埋深,根據(jù)管道通過地區(qū)的地質(zhì)條件設(shè)定;當(dāng)管道坡度小于地面坡度時(shí),為保證下游管段的最小覆土厚度和減少上游管段的埋深,應(yīng)采用跌水連接。
2.7 管段銜接方式
污水管道在檢查井處的連接方式,一般有水面平接和管頂平接兩種方式。不管哪種方式連接,均不應(yīng)出現(xiàn)下游管段上端的水面高于上游管段下端的水面、管端標(biāo)高,且應(yīng)盡量減少下游管段的埋深,
3 管徑優(yōu)化計(jì)算方法
排水管網(wǎng)水力計(jì)算采用傳統(tǒng)的均勻流基本公式。但是,在約束下,為了選擇具有最大設(shè)計(jì)充滿度的管徑,也不能直接求出管段坡度和埋深。為了便于用計(jì)算機(jī)解決有關(guān)計(jì)算問題,用以下計(jì)算方法:通過一個(gè)叫做管道過水?dāng)嗝鎶A角θ的中間變量來求出管道計(jì)算中的未知設(shè)計(jì)參數(shù)
4 結(jié)語
綜上所述,通過分析優(yōu)化設(shè)計(jì)的相關(guān)約束條件,進(jìn)而提出了以選取滿足最大充滿度的污水管管徑為優(yōu)化核心約束條件,不僅簡化了優(yōu)化思想,而且該計(jì)算方式數(shù)據(jù)輸入少,可以應(yīng)用到其他任何規(guī)模的污水管網(wǎng)工程設(shè)計(jì)中,所以其在今后的污水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化計(jì)算中大有潛力。
參考文獻(xiàn)
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