中国市政工程西南设计研究总院有限公司610081
摘要：随着城市进程的加快，城市人口不断增加，城市的污水排放量也不断上升，这给污水管网的建设带来了巨大挑战。建立一个经济有效的污水管网处理系统是当前城市发展的重要任务之一。城市污水管网工程投资巨大，设计时如何在满足规定的各种约束条件下，进行优化设计，尽量降低污水管网工程投资，是摆在工程设计人员面前的一个难题。
关键词：城市污水管网工程；设计优化
引言
城市污水管网是城市重要的基础设施，是污水收集和集中处理的关键，是污水处理保护水资源和改善环境的必要手段。污水系统投资较大，偿还期限长，这就需要提供较先进可靠的设计方法对污水管道进行优化设计，寻求满足各种技术条件，且能使整个系统总费用最低的设计方案，不仅具有重要的理论和应用价值，而且具有明显的经济和社会效益。
一、影响污水管道工程费用的主要因素
1.1管道埋深
管道埋深决定沟槽或基坑土方的开挖回填量、管材规格等级要求、支护形式及工程量、人工降低地下水位措施方法及路面恢复工程量，直接影响工程造价。
1.2管材及施工工艺
不同的施工工艺对管材、施工周期等均有决定性的影响。在沿海地区，拖拉管施工工艺要求管材为PE管、钢管等抗拉管材，最大管径规格为de630，管道埋深必须满足覆土2m以上；顶管施工工艺要求管材为钢筋混凝土管、钢管等抗压管材，最小管径规格为DN800，管道埋深必须满足覆土2m以上。
1.3边坡坡度
拉管和顶管工作一般采用沉井施工，因此边坡坡度主要针对管道开挖施工。边坡坡度对沟槽土方开挖回填量、路面恢复工程量有较大影响。
1.4人工降低地下水位
随管道埋深和地质情况的不同，沟槽或基坑需采用不同的人工降低地下水位的预降水方法。沿海地区采用的措施主要是轻型井点降水和管井降水，轻型井点降水多用于沟槽深度≤6.0m的沟槽开挖，管井降水多用于顶管、拉管工作坑和控制井的基坑降水。
1.5沟槽支护
沟槽支撑所采用的形式同样跟管道埋深有关，沿海地区主要采用钢板桩支护。钢板桩支护主要分为槽钢密排支护（6、8m）和拉森钢板桩支护（9、12m）。槽钢支护主要用于4～6m以下的沟槽支护，拉森钢板桩主要用于6m以下的沟槽支护。
二、传统污水设计存在的问题
（1）传统的开挖施工的费用函数为埋深H和管径D的二变量函数，但在沿海地区，开挖施工一般均为放坡开挖，极少采用挡土板支护，因此沟槽边坡坡度I对开挖回填的工程量和路面恢复工程量均有较大影响，需要推导出开挖施工的埋深H、管径D、沟槽边坡坡度I三变量费用函数。
（2）传统的排水管道优化设计仅考虑了开挖回填施工的费用函数，而关于拖拉管和顶管的费用函数还鲜有实例推导，开挖、拉管和顶管这三种施工工艺的经济对比和适用条件不得而知，因此需要推导出拉管、顶管施工的费用函数。
（3）传统的污水管道优化设计方法中采用的费用函数未考虑路面恢复、沟槽回填材料、人工降低地下水位措施对工程费用的影响，因此必须完善细化费用函数内容。
（4）传统的优化设计方法中管道费用函数为固定函数，而管材价格、回填材料价格等随时间波动变化较大，因此在优化设计过程中需增加调整费用函数的功能。
三、污水管网优化设计
3.1管径优化设计
管网管径常用的优化方法有线性规划方法、分段线性规划法、广义简约梯度法、二次规划法和分支定界法。但用这些方法进行优化设计的过程较复杂，计算值发散，且需要构造恰当的优化模型。除了将管径优化转化为分段管长优化问题得到的优化结果不需再处理外，其它经典优化方法得到的优化管径还需要使用分支定界法圆整到标准管径，这仅适用于小型管网。实际中所采用的圆整方法多是根据就近圆整规则进行的，启发式优化方法是以经验构造的算法为依托，根据污水管道经济流速的范围，地形和污水管道定线确定各管段水流动向，从最起端节点开始进行节点流量向排水管段的流量累加，采用就近圆整规则进行管径圆整，在合适的计算时间和计算空间下能寻找最好的解决方法。
3.2平面布局的优化设计
污水管网平面布置的优化设计原则是使管线短，管道工程量最小，水流通畅且节省能量。正确的定线是合理经济地设计污水管道系统的先决条件，对不同定线方案的优化选择更具实用价值。对于某种平面布置方案是否最优，取决于该平面布置埋深优化设计的计算结果，因此，已定管线下的优化设计是平面优化布置的基础。污水管网的平面优化布置与已定管线下的优化设计计密不可分。
3.3管道材料优化设计
适用于排除雨水和污水的混凝土管有混凝土管，轻型钢筋混凝土管和重型钢筋混凝土管三种。混凝土管材抗压性强、使用年限久、技术成熟，但重量重，运输费用较高、承插口加工精度较低，管道易渗漏，管内壁容易滋生水生物，清理困难，影响管道过水能力。随着新材料技术的发展，越来越多的城市排水系统应用了HDPE管等新型材料。常用的高密度聚乙烯（HDPE）塑料管的外壁是环状波纹结构，内壁为平滑的新型塑料管材。这种新型管材重量轻、连接可靠、抗磨损、耐腐蚀、韧性高，但承载能力差，不宜在高强度的荷载路面下铺设。管材的选择应根据工程的实际情况，综合考虑各种管材的力学性质和维护方便程度，全面对比选择。
3.4管道衔接方式优化设计
管道接口是管道系统给排水的薄弱环节，管道的衔接质量检查是污水管网优化的一个重要内容。检查井内管段衔接要在满足管段在检查井内衔接的约束条件的前提下，根据相衔接两管段的管径与管段中的污水深度情况减小下游管段埋深。当下游管段的管径比上游管段的管径大时使用管顶平接；下游管段的污水深度大于或等于上游管段中的污水深度时应使用水面平接；遇到陡坡情况下产生的下游管段管径反而比上游管段的管径小时使用管底平接。
四、污水管网系统的管理
4.1全面管理
全面调查管网的运行情况，落实责任与目标，有效发挥现有管网的效能。需要有关部门通力配合，在协调中积极对施工现场进行勘察、收集有关信息，掌握管网工作现状，在明确污水管网产权范围的前提下，对污水管线能组网运行系统管理，以提高污水收集、输送的效率为目的。逐步建立管网设施的评价标准，根据不同情况制定不同的管养维护方案。
4.2参与环保
城市污水管网关系着市民的切身利益，市民缺乏有关城市污水管网系统的知识，不能对雨、污水管道有效分辨，也造成了雨、污混接。在城市污水管网建设和改造规划时要增求市民意见，通过舆论宣传，鼓励公众参与，增进市民环保意识。
结束语：城市污水管网是城市生活中主要的基础设施，污水管网的建设和管理是城市发展首要课题之一，在管理的问题是重要的研究方向，污水管网工程设计既要满足改善水环境的要求，又要与城市总体规划相互协调，争取获得最大的社会、经济和环境效益，为城市的可持续发展创造条件。
参考文献
[1]未碧贵，张洪伟.给水排水管网设计[M].北京中国建筑工业出版社，2011.
[2]张彩侠.污水管网设计中存在的问题及对策[J].价值工程，2010（18）.