市政排水管网科学性优化设计探讨等

来源:用户上传      作者: 江曼华等

　　摘要：市政排水管网是城市市政建设的重要组成部分，其投资比例约占整个排水系统投资的80％左右。因此，可行性优化设计市政排水管网的意义重大。阐述了国内城市基础设施排水管网的现状和排水管网建设过程中遇到的一些问题，基于设计因素，探讨了其优化措施。
　　关键词：市政工程；排水管网；优化；设计
　　中图分类号：TU992
　　文献标识码：A
　　文章编号：1672-3198(2009)09-0297-01
　　
　　城市排水管网系统的建立是随着城市发展而逐渐形成的。随着城市的发展，经济生产的不断调整，新开发区的建立，城市道路不断修建，旧城区的改扩建等，排水系统也在迅速建立，排水管网的普及率在逐年提高。但是还存在很多问题，如污水直接排入河道造成水体污染；排水体制的不确定导致雨污水合流，使污水得不到有效处理；规划设计与发展建设不协调导致污水技术条件差，满足不了使用要求；排水管网建设与污水处理厂建设不配合，导致二次污染等。这些问题均制约了城市排水设施的发展。市政排水管网的优化设计主要是解决在已定平面布置方案下，排水管径、埋深及提升泵站的优化设计以及排水管网平面布置方案的优化研究。
　　
　　1　市政排水管网现状
　　
　　1.1　规划设计问题
　　当前的排水规划一般来讲，普遍比较不合理。排水规划设计要以总体规划为前提，但管网建设有其自身的特点，它建设完成后使用期限要长达四五十年以上，如果严格以总体规划的年限、污水量标准、居住人口密度、土地服务范围等为依据，有时很难适应城市发展的需要。
　　
　　1.2　排水体制问题
　　排水体制关乎整个排水设计，当前的大部分排水体制均需改制。排水系统的体制一般分为合流制和分流制，混合制也是城市中常有的系统，是具有合流制的城市需要扩建排水系统时出现的。在大城市中，因各区域的自然条件以及修建情况相差较大，因此要因地制宜地在各区域采用不同的排水体制，如东莞市城区便是这样的混合制系统。东莞市位于广东省南部。是座历史悠久的城市，属于珠江出海口，区内水系发达，河流纵横交错。原有旧城区及各镇区，居民生活污水及工矿生产废水大部分均直接排入附近河涌而东莞南城区及松山湖高新技术开发区为新建区，所以在排水体制的选择上园地制宜地采用了不同的体制。在旧城区采用截流式合流制系统，在两河岸边建造一条截流干管，同时在截流干管处设置溢流井，并设置污水厂。晴天所有污水均送入污水处理厂，处理后排入白水河。雨天随着雨量的增加要有部分污水进入河道。但是，随着旧城不断改建，这种污染状况会逐步消除。南城区及松山湖高新技术开发则有条件采用完全分流制系统，即雨水、污水完全分开设置管道，雨水排入邻近河渠，污水则送人污水处理厂。
　　
　　2　市政排水管网优化措施
　　
　　一般来讲，排水管道优化设计主要内容为：对于某一设计管段，当设计流量确定后，在满足设计规范要求的管径和坡度的多种组合中，取得管材费用与敷设费用的平衡。当然这仅为在设计流量时的优化，但是在整个市政排水管网中，其优化设计措施必须是多层次、多角度的。
　　
　　2.1　Dijkstra算法改进优化设计
　　排水管网的优化设计实际上就是寻找一个以污水厂为根节点的最小费用生成树，Dijkstra算法是构造最小生成树的有效方法。考虑到在排水管网优化过程中，生成树的权值随管段的流量、埋深和长度的变化而不断变化，因此在实际应用中通常采用变权值Dijkstra算法。现有管网平面布局优化常采用有向图的方法，即在优化前指定网络中各边的方向(水流的方向)，而管网中水流的方向在初始情况下是不确定的，生成树生长的方向可能代表了水流的反方向，因此采用元向图进行优化更符合管网最初水流方向不确定的情况。鉴于以上原因，基于无向图的变权值Dijkstra算法(改进Dijkstra算法)进行排水管网优化分析。改进Dijkstra算法考虑了最小生成树生长过程中权值的变化，在多约束条件下也可以得出最优解。该算法的实质是最小费用树的深度优先算法，又称瞎子爬山法。该算法要处理的信息量小、速度快，对于单因素、单极值的情况非常有效。
　　
　　2.2　管线平面优化设计
　　排水管网的布置原则是既要使工程量最小，又要使水流畅通、节省能量。正确的定线是合理经济的设计管网的先决条件。定线的基本原则是：干管支管的设计尽量采用直线布局，不要拐弯：定线应尽量利用地势，使污水在重力作用下流入污水厂：设计时应尽量减少管道埋深；在管道的中途尽量减少提升泵站的设置。在早期的研究中，设计方法为假定每一段管径相同，以挖方费用为优选依据，选择一初始布置方案，然后通过算法逐步进行调整，后来又引入了排水线的概念，将排水区域内与最终出水口节点相距同样可行管数的节点用一根排水线连接起来，这样把问题转化为最短路问题，可用动态规划法求解，但此方法把寻优的范围被限制，使人们在设计过程中很容易把最优方案排除。后来，人们把城市排水系统排水布置抽象为由点和线构成的决策图，从图论中寻找方法1986年发展到利用三种权值来解决问题，三种权值是各管段地面坡度的倒数；各管段的管长：各管段在满足最小覆土条件下，按最小坡度设计时的挖方量，分别对这三种权值运用最短路生成树算法求管线平面布置方案，再进行管径、埋深和提升泵站的优化设计，最后取投资费用最小的平面布置方案作为最优设计方案。
　　
　　2.3　环刚度的优化选择
　　环刚度是塑料埋地排水管(新型管材均可认为是塑料排水管)抗外压负载能力的综合参数，为了保证塑料埋地排水管在外压负载下安全工作，环刚度的选择是设计中的关键之一。如果管材的环刚度太小，管材可能发生过大变形或出现压屈失稳破坏。反之，如果环刚度选择得太高，必然采用过大的截面惯性矩，将造成用材料太多，成本过高。外压负载比较复杂，主要包括土壤重量和地面产生的静负载，以及运输车辆经过时产生的动负载。塑料埋地排水管承受负载的机理也比较复杂，因为塑料管属于柔性管。在外压负载下管材和周围的土壤(回填材料)产生管土共同作用。换句话说，是管材和周围土壤(回填材料)共同来承受外压负载。决定塑料埋地排水管铺设后能否正常工作的，负载、管材和土壤(回填)3个参数都很重要，而且相互影响。所以环刚度的选择不仅取决于外压负载的情况还取决于铺设后管道周围土壤(回填材料)的情况。
　　根据世界各国的经验，塑料埋地排水管在外压负载下是否能够安全使用的因素中，铺设情况是最主要的。如果铺设情况比较好，环刚度较低的管材也不会有很大变形；反之，如果铺设情况不好，即使用环刚度比较高的管材也可能变形过大和出现压屈失稳。要保证铺设情况良好并不是都能做到，同时也需要成本。根据一般生产厂家的生产规格。塑料埋地排水管可供选择的环刚度主要有4kN／m2、8kN／

m2两种规格。结合以往施工及设计经验，笔者建议在设计塑料埋地排水管时尽量选择较高的环刚度。直径在500mm以下塑料埋地排水管；一般选择环刚度8kN／m2，只有在地质条件好又没有运输车辆负载的采用环刚度4kN／m2；直径在500－1200mm的塑料埋地排水管；尽量选择环刚度8kN／m2，如果选择环刚度8kN／m2以下的要经过结构设计计算(变形验算，压届失稳计算)并严格控制铺设施工的质量(管道基础、回填材料、分层夯实等)；直径800mm以上的塑料埋地排水管：重要工程推荐使用环刚度较高(环刚度8kN／m2以上的)的金属增强复合缠绕管和玻璃钢夹砂管。如果使用环刚度较低(环刚度8kN／m2以下)的热塑性塑料管，务必要经过结构设计计算(变形验算，压屈失稳计算)并严格控制铺设施工的质量(管道基础、回填材料、分层夯实等)。
　　
　　3　结语
　　
　　市政排水管网的优化设计，是当前市政工程关注的重点，在当前形势下，要充分利用排水体制，在管网上进行优化设计，合理应用新型材料，才能使排水管网更上一层楼。
　　如何解决这类问题，直接关系着一大批几大类建筑新材料的推广应用，首当其冲的就是外墙内保温工艺的实施，接着是各类板材，如GRC轻质墙板、硅钙板、石膏板等，再就是目前大量应用的乳胶涂料，都会受到影响。笔者集多年的施工现场管理经验，并与济宁市市中区长城涂料开发中心经多年的研究开发，研发了一套防止墙体裂纹的施工工艺和相关的配套材料，并生产出具有弹性(柔韧性)、耐水、低碱、耐碱、粘结强度高、无毒、白度高、施工方便的优质腻子，可与各种乳胶涂料配套应用，经过多项工程应用。取得满意效果。
　　
　　2　解决墙面开裂的方法
　　
　　经过对工程的跟踪调研发现，以往山现裂纹、起皮的原因主要是由于腻子质量不好造成的，特别是温变裂纹(龟裂纹)。至于结构裂纹的发生是由于刚性的方法根本难以拉住板缝的伸缩所致。因此采用柔性及弹性的解决方案，改变工艺思路，继而开发出相关的工艺配套材料――耐水、柔性、弹性等系列腻子产品。
　　
　　2.1　腻子在解决温变裂纹(龟裂细小裂纹)中的作用和原理
　　多年形成的习惯是施工中不太重视腻子的质量，可由于腻子质量而引起涂装失败的占95％以上。故作为优质腻子应具备如下功能：弹性(柔韧性)、耐水性、底碱性、耐碱性、环保无毒性、白度高，粘结强度高(对墙面的附着力强)、施工方便。使用这种腻子再配合正确的施工工艺和其它相关辅料，从涂料的装饰效果到涂膜的耐久性都会有突破性提高。
　　2.1.1　腻子的柔性
　　腻子在整个涂刷中主要起基层与涂膜之间的粘合过渡作用。因此腻子的弹性(柔韧性)就显得非常重要。作为墙体涂刷过程中三个层面：墙体、腻子层、涂料涂膜的环境温度变化时由于变形系数不同发生变形的尺寸大不一样，变形尺寸不一样必然引起应力集中，这时三层中的腻子层若是具有弹性(柔韧性)就能起到消除应力集中的作用，有效地防止墙面起皮、脱落的发生。当这种应力集中不能被有效地消除，就会发生层面的脱离，也就出现了起皮和脱落。从目前墙面装修的情况来看，所用材料各种各样。首先墙面有水泥墙面，石膏墙面、石膏板墙面、木板墙面等，而这其中又分材质的不同，在外界温度变化时变形的程度是不同的。再就是面层涂料和乳胶涂料更是多种多样，变形情况更是复杂多样，由于有了许多不同点，势必造成应力集中后的起皮现象，从这点看腻子层的作用是多么重要，因为腻子在中间与两个层面接触，一旦腻子层的问题解决了，就能保证两个层面都不脱落(墙面起皮、脱落的两个层面都会发生)。在以往的装饰施工中，施工单位或建设单位都不太重视腻子的选择，只关心使用涂料的档次，特别是施工完毕验收时根本看不到，从表面难以验收。实践证明要消除两个层面上的应力集中。防止起皮脱落，那么腻子层必须是个柔性的层面，能够承受变形不同产生的应力。
　　2.1.2　腻子的耐水性
　　耐水性是腻子应该具备的第二特性。目前市场上流行的各种乳胶漆涂料大都具备透气性功能，涂膜有了呼吸作用，但湿气也能够轻而易举地透过涂膜接触腻子，如果使用的腻子不耐水，就会与墙体脱离，造成墙皮整片往下掉。因此要使涂膜坚固，腻子必须耐水，特别是外墙工程更为重要。
　　2.1.3　腻子的耐碱性
　　在以往涂刷工程的另外一种现象是墙面返碱，涂膜粉化、发花、变色，这是由于基层碱性过强而引起的，市售的大部分涂料、乳胶涂料都不宜涂刷于碱性过强(PH值>10)的基层，都要求涂刷抗碱底漆后再涂刷乳胶涂料，那么刮的腻子应该是中性的，最起码应该是低碱的(PH值<9)才能满足施工要求，由于施工的墙面多种多样，其中有些墙体本身碱性就非常强(华北地区产的水泥一般碱性偏高)，那么腻子又必须具备良好的耐碱性，才能适应各种饰面涂料的施工。
　　2.1.4　腻子的渗透力
　　作为腻子应该有较强的粘结的强度，要获得腻子与墙体之间高的粘结强度，腻子还具备一定的渗透力。使腻子能与墙面牢牢地成为一体，当然刮腻子前的墙体处理是必不可少的，像消除粉尘、油污碱性和除霉等等。
　　2.1.5　腻子的毒性、白度
　　生活水准的提高，人们对于涂料的毒性非常关注，都要使用环保无毒产品，但仅涂料无毒是很不够的，如果腻子有毒也很危险，因此腻子必须是无毒害产品才安全可靠。注重基础，表里如一，这就是所谓的环保涂料套餐。不论涂刷哪种乳胶涂料，如果基层具有较高的白度都会大大提高装饰效果，并且能够节省大量乳胶涂料(10％～30％)，特别是室内装修工程使用的乳胶涂料大都是浅色的，这一点更为重要。
　　考虑到以上因素而生产出的腻子即可达到解决温变裂纹的目的。
　　
　　2.2　结构裂纹的防治
　　结构裂纹即拼结板缝在环境温度变化时板缝尺寸伸缩引起的裂纹，如果此问题不解决将影响到新型轻质板材的发展与生存、外墙内保温节能工艺的推广，当然也影响到各种饰面涂装材料的发展。
　　结构裂纹的防治采用了弹性的思路，在板缝处首先用高弹抗裂腻子(拼缝胶弹性伸长率400％)进行补缝。补缝时把板缝开出V字型坡口(坡口越宽越好)，补缝的高弹抗裂腻子干燥后(大致需2～3天)，刮耐水柔韧腻子，腻子干后涂乳胶涂料。如果建筑物地处我国南方，结构裂纹一般较严重，则采取扩宽拼接缝的施工方案。这种施工方法是根据变形分散的原理，把结构裂纹的变形有梯度地传递到腻子、饰面乳胶涂料，从而防止裂纹的产生。
　　
　　3　裂纹防治方案实施中应注意的问题
　　
　　(1)由于腻子有较强的粘结强度，粘结前被粘结面必须处理干净，无浮灰，含水率要低，最好粘结前用底涂料涂刷一遍，保证粘结强度，厚度均匀一致。
　　(2)弹性腻子的干燥速度较慢，应保证干燥时间(施工地区、季节不同会有差异)。
　　(3)饰面乳胶涂料的质量也很重要，虽然通过该施工工艺，把结构裂纹变形分散开了，能够防治绝大部分裂纹，但乳胶涂料也应该有一定的承受变形能力，况且当发生特别大的结构裂纹时(例如裂纹宽度超过1mm，甚至更宽)，此方案也应作适当调整才行，方法是加宽弹性腻子的批刮宽度和厚度。
　　(4)通过近年对墙体裂纹、起皮问题的研究，已形成了一套较完整的施工工艺和相配套的工艺材料，能够解决绝大部分结构裂纹和温变裂纹的发生。
　　
　　论正确处理墙体裂纹　　瞿宏力
　　
　　摘要：分析了墙体产生裂纹的原因，阐述了腻子在解决温变裂纹中的作用和原理，并指出裂纹防治方案实施中应注 意的问题。
　　关键词：温变裂纹；结构裂纹；腻子
　　中图分类号：TU973
　　文献标识码：A
　　文章编号：1672-3198(2009)09-0298-02
　　
　　1　产生裂纹的类型及原因
　　
　　墙体裂纹分为两类：结构裂纹和温变裂纹(龟裂纹、微 细裂纹)。结构裂纹是由材料结构形成的，由于节能保温的 需要，目前在墙体材料构成中大量应用外墙保温工艺。墙 体由各类轻质保温板构成，形成许多结构板缝，这些板缝的 存在，造成了日后装修中大量结构裂纹的发生，随着温度的 变化，这些板缝的宽度也在不断变化，直接影响到墙面的最 终装修层乳胶涂料出现裂纹。
　　温变裂纹是由于构成墙体的三个层面(墙体、腻予层、 涂料层)的膨胀系数不同，在发生温度变化时产生的应力集 中不能有效消除而造成的微细裂纹。从建筑物发生裂纹的 情况看，两类裂纹是交错发生的。为解决这类问题，施工单 位“发明”了许多方法。但基本原理都是刚性的方法，设想 用各种网、带、布等材料把裂纹固定住，即强制裂纹不出现， 但实际情况是由于材料变形的内应力极大，靠强制的刚性 方法根本挡不住变形发生，裂纹照样出现。
　　如何解决这类问题，直接关系着一大批几大类建筑新 材料的推广应用，首当其冲的就是外墙内保温工艺的实施， 接着是各类板材，如GRC轻质墙板、硅钙板、石膏板等，再 就是目前大量应用的乳胶涂料，都会受到影响。笔者集多 年的施工现场管理经验，并与济宁市市中区长城涂料开发 中心经多年的研究开发，研发了一套防止墙体裂纹的施工 工艺和相关的配套材料，并生产出具有弹性(柔韧性)、耐 水、低碱、耐碱、粘结强度高、无毒、白度高、施工方便的优质 腻子，可与各种乳胶涂料配套应用，经过多项工程应用。取 得满意效果。
　　
　　2　解决墙面开裂的方法
　　
　　经过对工程的跟踪调研发现，以往山现裂纹、起皮的原 因主要是由于腻子质量不好造成的，特别是温变裂纹(龟裂 纹)。至于结构裂纹的发生是由于刚性的方法根本难以拉 住板缝的伸缩所致。因此采用柔性及弹性的解决方案，改 变工艺思路，继而开发出相关的工艺配套材料――耐水、柔 性、弹性等系列腻子产品。
　　
　　2.1　腻子在解决温变裂纹(龟裂细小裂纹)中的作用和原 理
　　多年形成的习惯是施工中不太重视腻子的质量，可由 于腻子质量而引起涂装失败的占95％以上。故作为优质腻 子应具备如下功能：弹性(柔韧性)、耐水性、底碱性、耐碱 性、环保无毒性、白度高，粘结强度高(对墙面的附着力强)、 施工方便。使用这种腻子再配合正确的施工工艺和其它相 关辅料，从涂料的装饰效果到涂膜的耐久性都会有突破性 提高。
　　2.1.1　腻子的柔性
　　腻子在整个涂刷中主要起基层与涂膜之间的粘合过渡 作用。因此腻子的弹性(柔韧性)就显得非常重要。作为墙 体涂刷过程中三个层面：墙体、腻子层、涂料涂膜的环境温 度变化时由于变形系数不同发生变形的尺寸大不一样，变 形尺寸不一样必然引起应力集中，这时三层中的腻子层若 是具有弹性(柔韧性)就能起到消除应力集中的作用，有效 地防止墙面起皮、脱落的发生。当这种应力集中不能被有 效地消除，就会发生层面的脱离，也就出现了起皮和脱落。 从目前墙面装修的情况来看，所用材料各种各样。首先墙 面有水泥墙面，石膏墙面、石膏板墙面、木板墙面等，而这其 中又分材质的不同，在外界温度变化时变形的程度是不同 的。再就是面层涂料和乳胶涂料更是多种多样，变形情况 更是复杂多样，由于有了许多不同点，势必造成应力集中后 的起皮现象，从这点看腻子层的作用是多么重要，因为腻子 在中间与两个层面接触，一旦腻子层的问题解决了，就能保 证两个层面都不脱落(墙面起皮、脱落的两个层面都会发 生)。在以往的装饰施工中，施工单位或建设单位都不太重 视腻子的选择，只关心使用涂料的档次，特别是施工完毕验 收时根本看不到，从表面难以验收。实践证明要消除两个 层面上的应力集中。防止起皮脱落，那么腻子层必须是个柔 性的层面，能够承受变形不同产生的应力。
　　2.1.2　腻子的耐水性
　　耐水性是腻子应该具备的第二特性。目前市场上流行的 各种乳胶漆涂料大都具备透气性功能，涂膜有了呼吸作用，但 湿气也能够轻而易举地透过涂膜接触腻子，如果使用的腻子不 耐水，就会与墙体脱离，造成墙皮整片往下掉。因此要使涂膜 坚固，腻子必须耐水，特别是外墙工程更为重要。
　　2.1.3　腻子的耐碱性
　　在以往涂刷工程的另外一种现象是墙面返碱，涂膜粉 化、发花、变色，这是由于基层碱性过强而引起的，市售的大 部分涂料、乳胶涂料都不宜涂刷于碱性过强(PH值>10)的 基层，都要求涂刷抗碱底漆后再涂刷乳胶涂料，那么刮的腻 子应该是中性的，最起码应该是低碱的(PH值<9)才能满 足施工要求，由于施工的墙面多种多样，其中有些墙体本身 碱性就非常强(华北地区产的水泥一般碱性偏高)，那么腻 子又必须具备良好的耐碱性，才能适应各种饰面涂料的施 工。
　　2.1.4　腻子的渗透力
　　作为腻子应该有较强的粘结的强度，要获得腻子与墙 体之间高的粘结强度，腻子还具备一定的渗透力。使腻子 能与墙面牢牢地成为一体，当然刮腻子前的墙体处理是必 不可少的，像消除粉尘、油污碱性和除霉等等。
　　2.1.5　腻子的毒性、白度
　　生活水准的提高，人们对于涂料的毒性非常关注，都要 使用环保无毒产品，但仅涂料无毒是很不够的，如果腻子有 毒也很危险，因此腻子必须是无毒害产品才安全可靠。注 重基础，表里如一，这就是所谓的环保涂料套餐。不论涂刷 哪种乳胶涂料，如果基层具有较高的白度都会大大提高装 饰效果，并且能够节省大量乳胶涂料(10％～30％)，特别是 室内装修工程使用的乳胶涂料大都是浅色的，这一点更为 重要。
　　考虑到以上因素而生产出的腻子即可达到解决温变裂 纹的目的。
　　
　　2.2　结构裂纹的防治
　　结构裂纹即拼结板缝在环境温度变化时板缝尺寸伸缩 引起的裂纹，如果此问题不解决将影响到新型轻质板材的 发展与生存、外墙内保温节能工艺的推广，当然也影响到各 种饰面涂装材料的发展。
　　结构裂纹的防治采用了弹性的思路，在板缝处首先用 高弹抗裂腻子(拼缝胶弹性伸长率400％)进行补缝。补缝 时把板缝开出V字型坡口(坡口越宽越好)，补缝的高弹抗 裂腻子干燥后(大致需2～3天)，刮耐水柔韧腻子，腻子干 后涂乳胶涂料。如果建筑物地处我国南方，结构裂纹一般 较严重，则采取扩宽拼接缝的施工方案。这种施工方法是 根据变形分散的原理，把结构裂纹的变形有梯度地传递到 腻子、饰面乳胶涂料，从而防止裂纹的产生。
　　
　　3　裂纹防治方案实施中应注意的问题
　　
　　(1)由于腻子有较强的粘结强度，粘结前被粘结面必须 处理干净，无浮灰，含水率要低，最好粘结前用底涂料涂刷 一遍，保证粘结强度，厚度均匀一致。
　　(2)弹性腻子的干燥速度较慢，应保证干燥时间(施工 地区、季节不同会有差异)。
　　(3)饰面乳胶涂料的质量也很重要，虽然通过该施工工 艺，把结构裂纹变形分散开了，能够防治绝大部分裂纹，但 乳胶涂料也应该有一定的承受变形能力，况且当发生特别 大的结构裂纹时(例如裂纹宽度超过1mm，甚至更宽)，此方 案也应作适当调整才行，方法是加宽弹性腻子的批刮宽度 和厚度。
　　(4)通过近年对墙体裂纹、起皮问题的研究，已形成了 一套较完整的施工工艺和相配套的工艺材料，能够解决绝 大部分结构裂纹和温变裂纹的发生。

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