污水管网的优化设计研究

第28卷第21期中国给水排水Vol 28 No 212012年11月CHINA WATER WASTeWaterNov.2012污水管网的优化设计研究陆国锋,李继松,方燕!,黄天寅2(1.苏州联创工程设计咨询有限公司,江苏常熟215500;2.苏州科技学院环境科学与工程学院,江苏苏州215011)摘要:通过对污水管道工程的施工工艺及过程的研究分析,找出影响污水管道工程费用的主妥因素,归纳得出污水管道工程费用的构成,从而推导出各个施工工艺的费用函数组成,并成功解决了传统管网优仳设计方法存在的问题。在此基础上编制了一套污水管网优化设计程序系统,基于浏览器/服务器结构,方便了优化设计系统的开发、维护和升级。将该系统应用于苏南某市的污水管网设计,较好地达到了优化设计的要求,具有较高的应用价值关键词:污水管道;优化设计;费用函数中图分类号:X703文献标识码:C文章编号:1000-4602(2012)21-0099-04Design Optimization of Sewage Pipeline NetworkLU Guo-feng, LIFANG Yan. HUANG Tian-yin(L. Suzhou lianchuang Engineering Design Consulting Co. Ltd, Changshu 215500, China2. School of Environmental Science and Engineering, Suzhou University of Science and TechnologySuzhou 215011. ChinaAbstract: By analyzing the technology and the construction process of a sewage pipeline projectthe main parameters of the project cost can be determined The cost composition of project was summa-rized and the cost functions of various construction processes were derived. The problems of traditionaldesign optimization methods of the sewage pipeline network were successfully solved. A set of design optimization program system of sewage pipeline network was developed. Based on browser/server structure, itcould facilitate the developmenl, maintenance and upgrade of the optimization design system. The optimization design program system was used in the design of sewage pipeline network in a city in southern Jiangsu Province, meeting the optimization design requirement and achieving enormous economic benefitKey words: sewage pipeline; optimization design; cost function2007年5月太湖“蓝藻事件”发生后,江苏省提来越大。而采用优化设计方法进行污水管道的设计出了太湖治理的阶段性目标。为改善太湖流域水环一般能节省投资5%~15‰左右,由此将带来可观境质量,进步加大水污染治理力度,全面完成“十的经济效益{。五”太湖流域水污染防治任务,提高人民生活水1传统优化设计方法存在的问题平,促进社会、经济的可持续发展,将大力推进镇村在实际工程设计中引入传统的优化设计方法污水处理项目的启动,其中,污水管网的投资比重越存在以下问题:基金项目:江苏省科技支撑计划(社会发展)项目(BE2009607)第28卷第21期中国给水排水www.watergasheat.ce①传统的排水管道优化设计仅考虑了开挖回复,拉管、顶管施工仅需对控制井和工作坑影响范围填施工的费用函数,而关于拖拉管和顶管的费用函的路面进行恢复。回填和路面恢复对工程造价的影数还鲜有实例推导,开挖、拉管和顶管这三种施工工响较大。艺的经济对比和适用条件不得而知,因此需要推导⑤人工降低地下水位。随管道埋深和地质情出拉管、顶管施工的费用函数。况的不同,沟槽或基坑需采用不同的人工降低地下传统的开挖施的费用函数为埋深H和水位的预降水方法。太湖地区采用的措施主要是轻管径D的二变量函数,但在太湖地区,开挖施工一型井点降水和管井降水,轻型井点降水多用于沟槽般均为放坡开挖极少采用挡土板支护,因此沟槽边深度≤6.0m的沟槽开挖,管井降水多用于顶管、拉坡坡度Ⅰ对开挖回填的工程量和路面恢复工程量均管τ作坑和控制井的基坑降水有较大影响,需要推导出开挖施工的埋深H、管径⑥沟槽支护。沟槽支撑所采用的形式同样跟D、沟槽边坡坡度三变量费用函数管道埋深有关,太湖地区主要采用钢板桩支护。钢③传统的污水管道优化设计方法中采用的费板桩支护主要分为槽钢密排支护(68m)和拉森钢用函数未考虑路面恢复、沟槽回填材料、人工降低地板桩支护(9、12m)。槽钢支护主要用于4-5m以下水位措施对工程费用的影响,因此必须完善细化下的沟槽支护,拉森钢板桩主要用于6m以下的沟费用函数内容。槽支护。④传统的优化设计方法中管道费用函数为固3污水管道费用函数定函数,而管材价格、回填材料价格等随时间波动变3.1工程费用组成化较大,因此在优化设计过程中需增加调整费用函综合上述分析可知,开槽施工的基本费用包括数的功能。沟槽挖土、管道砂基础、管道铺设和闭水试验、检査2影响污水管道工程费用的主要因素井、沟槽回填、沟槽排水、脚于架;增加费用包括:路通过研究分析污水管道施工工艺及施工过面恢复、井点降水、沟槽支护。拖拉施工的基本费用程23,得出影响管道工程费用的主要因素如下包括:基坑机械挖土、沉井挖土、控制井、拉管、管道①管材及施工工艺。不同的施工工艺对管混凝土包封、闭水试验、检查井、基坑回填、基坑排材、施工周期等均有决定性的影响。在太湖地区,开水、脚手架;增加费用包括:路面恢复、管井降水、注挖施工釆用的是PVC、钢筋混凝土排水管等管材;浆、基坑支护。顶管施工的基本费用包括:基坑机械拖拉管施工工艺要求管材为PE管、钢管等抗拉管挖土、沉井挖土、顶井、接受坑、顶管、闭水试验、检查材,最大管径规格为de630,管道埋深必须满足覆土井、基坑回填、基坑排水、脚手架;增加费用包括:路2m以上;顶管施工工艺要求管材为钢筋混凝土管、面恢复、管井降水、注浆、基坑支护。钢管等抗压管材,最小管径规格为DN800,管道埋深3.2费用函数的推导方法必须满足覆土2m以上。针对不同施工方法、沟槽边坡、管径、埋深条件②管道埋深。管道埋深决定沟槽或基坑土方下的管道工程费用进行测算,再分类列出结果,然后的开挖回填量、管材的规格等级要求、支护的形式及通过相关非线性曲线拟合软件,采用曲线拟合法或工程量、人工降低地下水位措施方法及路面恢复工遗传算法进行费用函数的非线性拟合,得出费用函程量,直接影响工程的造价。数,再与实际工程费用进行对比修正③边坡坡度。拉管和顶管工作一般采用沉井以苏南某市拉管施工为例进行拉管费用函数的施工,因此边坡坡度主要针对管道开挖施工。边坡推导,拉管施工费用函数主要分控制井、基坑回填和坡度对沟槽土方开挖回填量、路面恢复工程量有较拉管三大部分,三部分费用在不同管径和埋深条件大影响。下的测算结果如表1和2所示。④回填及路面恢复。原土主要用于绿化范围表1拉管费用测算结果的沟槽回填,砂石、灰土用于道路范围的沟槽回填,Tab 1 Cost calculation results of trenchless砂石主要用于已建道路上开挖后的快速回填恢复。管道外径Dmm_3540500630开挖施工需对道路范围内的管道全长进行路面修拉管费用/(元·m)4129.5170:41879www.watergasheat.com陆国锋,等:污水管网的优化设计研究第28卷第21期表2控制井和基坑回填费用测算结果Tab 2 Cost calculation results of control well and pit backfill管道埋深b/m4.555.5665控制井费用/(元·m)1016.91105.81194.61283.51372.42282.42371.22460.1「基坑凹填费用/元·m-)14351.56116871.842.0662.1932.319管道埋深H/m7.59.5控制井费用/元·m1)254902637.92854.82943.63032.5312143210.3基坑回填费用/(元·m2.4452.5722.6982.8242.9513.0773.203根据上述测算费用,利用相关软件拟合,即可得409.584+0.205D+81.917+409.584H×1,单位为出拉管施工各部分的费用函数。根据苏南某市的4项实际污水管道工程,通过拖拉管费用函数费用函数估算工程费用,并与预算费用进行对比,如包括基本费用和增加费用。基本费用又分为拉表3所示。可以发现,因支管设置数量及位置、支管管井坑、基坑回填等3项费用,其中,拉管费用L1长度、检查井间距等具体设计细节的差异,会使预算16046.448+42384.464×10-3D-30459.733费用和函数估算费用有所偏差,但函数估算费用基×10-0D2+2086294.963/D,单位为元/m;井坑费本能符合污水管网优化设计时经济比较的要求。用L2=(540.418+2840.673×10-H表3函数估算费用与预算费用的对比44783.788×104r+101685.597×106F)/(1Tab 3 Comparison between function estimation cost-585.682×10-4H2+26.943×10-35H+20.816nd budge10F0),单位为元/m;基坑回填费用L3=(0.677+函数付算顸算费用项目工程概况费用/元/(元·备注0.253H)×材料单价,单位为元/m。增加费用包括路面修复和注浆两项费用,其中,路面修复费用l4卢苇荡路/e00绿化内,H=2.5m2138021.6拖拉°=153.594元/m,注浆费用L5=(0.001D)2x(105.112+51.60lH),单位为元/m。公路040.绿化内,H=4.0m1249.9242.7拖拉③顶管费用函数中环路dc400,绿化内,H=28m2210.82217.4施拉管包括基本费用和增加费用。基本费用又分为顶辛滃路d400路内,H=3.5m286.429675拖拉管管、顶坑、接受坑等3项费用,其中,顶管费用D1=3.3费用函数及其应用D/(2,292-1.358×10-3D)+1506.693,单位为通过数学拟合,得到苏南某市不同施工方法的元/m;顶坑费用D2=14.4+2.6H,单位为万元/座;分项费用函数如下接受坑费用D3=1+1.5H,单位为万元/座。增加费①开槽埋管费用函数用主要是路面修复费用D4=9752元/座包括基本费用和增加费用。基本费用又分为④专业措施费用函数PVC-U平壁(不含回填)或HDPE双壁(不含回主要是增加费用,包括槽钢支护或拉森桩支护、填)、沟槽回填等2项费用。其中,PVC-U平壁(不轻型井点降水或管井降水等2项费用,其中,槽钢支含回填)费用K1=-631.682+1.733D$+护费用C1=2329.8元/m;拉森桩支护费用C1=309.496”3+32.705H23+3.920D0305×102×6989.4元/m;轻型井点降水费用C2=158.8元/m;H”,单位为元/m;HDPE双壁(不含回填)K1=管井降水费用C2=13767元/座。226.211+0.008D8+202.16218+5.393H2例如,对于表3中辛滃路的函数估算费用,管道7.84D42xxm},单位为元/m;沟槽回填K2拖拉管施工,管道位于道路范围内则需考虑路面恢(-0.5-0.45/-0.0015D+H+0.001H×D+复,注浆,无降水支护措施,管径为de≈400,管道平均0.4H×l-0.0014Ⅰ×D+I×I-0.000001D2埋深H=3.5m,则总费用函数L=L1+l2+L3+L4000003×X1)×材料单价x1.219×1.05,单位+L3,将参数代入计算得到:拉管费用L1=1249.52为元/m。增加费用主要是路面修复费用K3=元/m、井坑费用L2=Ⅰ116.4I元/m、基坑回填费用101第28卷第2Ⅰ期中国给水排水www.watergasheat.cormL3=303.12元/m、路面恢复费用L4=153.60元/m、管,因此,在道路范围内管道埋深>5m的de630拖道路注浆费用L5=45.71元/m,则总费用函数L=拉管宜改为DN800顶管,当然也必须满足流速等设2868.36≈2868.4元/m计条件要求。4费用函数的分析研究5改进型优化设计系统的开发4.1施工工艺的选择传统的优化设计程序大部分是采用 fortran77或以de50管为例,对道路范围和绿化范围内管VB进行编写的单机程序,现已远远不能满足信息化道放坡开挖、支护开挖和非开挖施工(拉管、顶管)社会发展的需求,本次改进的优化设计系统采用B作费用函数曲线,进行经济比较,如图1和2所示。S构架,即浏览器/服务器结构,其优点是:在任何时可知,在道路范围内采用非开挖施工(拉管、顶管)间、任何地点、任何系统上都可以访问优化设计系的经济性最优,绿化范围内采用放坡开挖施工的经统,共享性较强,避免单机程序的限制性;简化了客济性最优,而攴护开挖施工无论在道路范围还是在户端,所有的工作都集中在服务器端,方便了优化设绿化范围均不经济。计系统的开发、维护和升级。在前台采用 EXT IS来开发具有炫丽外观的优化设计富客户端Ajax应用(RIA), EXT JS是一种用 Javascript编写的功能强大3.0的Ajax框架,编程思想是基于面向对象编程,特别放坡开挖支护开挖是其强大的表格功能能较好地适用于优化设计系统拉管的表格计算和体现4;在后台则采用ASP.NET2.01.005和数据库来实现数据的交互和存储(21。686结论平均埋深/m改进型的优化设计方法和费用函数比较适合太图1de500管道路内拉管和开挖施工经济对比湖地区的实际情况,改善了传统优化设计方法存在Fig 1 Cost comparison between trenchless construction的弊端,在实际工程设计中取得了较好的指导作用,and excavation construction in road with pipe de500具有较高的经济效益。道路范围内拉管施工虽然经9000放坡开挖济,但拉管施工对施工要求较高,工程质量也缺少完8000支护开挖善的监控手段,在实际应用时需考虑本地区施工单7000拉管6000位的施工水平。另外,研究中涉及的施工工艺和费5000用函数仅针对太湖地区,其他地区的费用函数应根据当地的实际情况重新推导1000参考文献:5L1伊学农,任群,王国华,等.给水排水管网工程设计优平均埋深m化与运行管理[M].北京:化学工业出版社,2007图2de500管绿化内拉管和开挖施工经济对比[2]董颖,吴喜军、排水管道费用函数研究[J]·市政技Fig2 Cost comparison between trenchless construction and术,2008,26(5):407-409excavation construction in greening areas with pipe de500[3]唐中良.排水管道造价指标的费用函数分析[J].中4.2d630拖拉管和DN800顶管的经济比较国市政上程,2006,(1):42-43,47道路范围内对de630拖拉管和DN800顶管作「4;徐会生,何启伟,康爱媛.深入浅出ExtS[M].北京人民邮电出版社,2009费用函数曲线结果表明,埋深>5m时,de630拖拉管和DN800顶管的费用基本接近,而DN800顶管在E-mail:huangtianyinl11@sohu.com施工质量和管道输水能力方面都优于de630拖拉收稿日期:2012-04-0102