基于可靠性的城市雨水管网优化设计-研究

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1、西南交通大学硕士研究生学位论文第1页第1章绪论1．1研究意义排水系统是现代化城市不可缺少的重要基础设施，也是防止城市水污染和城市排渍防涝的骨干工程。其中，生活住宅区和工矿企业的雨水和污水管道系统投资一般占整个排水系统投资的70％左右Ⅲ，而且涉及到庞大的能耗和运行管理费用。同时，随着水资源日益紧缺和水环境日益恶化，新系统的兴建和老系统的修复、改扩建等所需要的工程投入逐渐增大。因此，排水管网系统的规划、设计和运行管理是否科学、经济、实用，直接影响工程总投资、运行管理费及系统可靠性。随着城市化进程的加快，城市热岛效应和城市建设对城市气候、生态环境产生了极大的影响

2、。而城市上空形成的凝结核、热湍流以及机械湍流可以影响当地的云量和降雨量矗3。研究证明，城市化造成的热岛效应使城市局部降雨量增加口3。城市化使市区不透水地面不断增加，由于不透水地表高径流系数使径流总量增大，雨水汇流速度提高，洪峰出现时间提前心1。此外，城市化也使得城市池塘、湿地等天然调蓄系统消失，原本可以被植物吸收，洼地存贮或直接渗入地下的雨水，被地面阻隔并集聚成地面径流流入城l汀的下水道、排水渠，继而进入流经城市的河道，增加了河流的降雨径流量H¨引。上述这些变化都对城市排水管网系统的可靠性提出了更高的要求，而早期的管网优化设计模型主要以获得最小费用设计方案

3、为优化设计目标，一般只考虑平均设计条件下满足管网水力性能要求的最佳设计方案，直接考虑管网系统可靠性的模型较少，取得的成果也有限。随着系统规模的扩大，对系统设计的精确性要求以及系统运行控制的自动化要求逐渐增加，人们对系统的可靠性问题也越来越重视，开始在系统优化设计模型中考虑可靠性约束条件。由于系统的可靠性问题比较复杂，要在优化设计模型中精确考虑十分困难，因此管网系统可靠性优化研究工作比较缓慢№1。本文把雨水管网设计中的不确定性因素看作是随机变量，将可靠性理论引入到雨水管网优化设计中来，在达到可靠度要求、满足各项技术规定条件下，利用优化方法提供经济合理的设计方

4、案在实际工作中具有重要的现实意义。西南交通大学硕士研究生学位论文第2页1．2国内外研究现状本文主要对雨水管网的可靠性，优化设计方法及两方面的综合问题进行研究，有必要对可靠性研究及给排水管网优化设计领域的进展进行说明。1．2．1可靠度研究现状自上世纪20年代起，国际上开展了结构可靠性基本理论的研究，并逐步扩展到结构分析和设计的各个方面，到20世纪70年代，可靠度方法在结构设计规范中的应用成为可靠性研究的一项重要内容。国际标准化组织于1986年颁布了《结构可靠性总原则》，1988年又颁布了该标准化的修订版本，在推进世界各国结构可靠度设计方面起了重要作用。我国对

5、结构可靠度理论的研究始于20世纪50年代，曾讨论了数理统计方法在结构设计中的应用问题，60年代又提出用二阶矩模式分析结构的安全系数。自1984年起到现在，我国先后完成了第一层次的《工程结构设计可靠度统一标准》和第二层次的建筑、桥梁、港口、水利水电、铁路和公路工程结构可靠度设计统一标准的编制工作，并完成了相应结构设计规范的修订Ⅲ。在工程结构的可靠性研究中，主要有结构及结构体系可靠度的计算、目标可靠度的确定、概率极限状态设计等问题。目前，工程结构可靠度的计算方法有一次二阶矩法(包括中心点法、验算点法、映射变换法、实用分析法)、高次高阶矩法(包括二次二阶矩法、二

6、次四阶矩法)、蒙特卡罗法(Monte—Carlo)、优化法、响应面法、随机有限元法等阳H引。结构体系可靠度的研究内容非常丰富，成果也比较多，例如寻找结构主要失效模式的网络搜索法、分支一约界法，体系可靠度计算有区间估计法、蒙特卡罗重要抽样法等n0l，目标可靠指标的确定方法主要有校准法和类比法。概率极限状态设计可以直接用目标可靠指标来设计，也可以采用基于可靠性理论的分项系数表达式来设计。就排水管网设计领域来看，近年来，一些学者在排水管网可靠性方面做了一些研究，如周玉文等⋯3以可靠性分析理论为依据，提出可以用于排水管网可靠性计算的基本数学模型。张子贤等n2“13

7、3在阐明水力因子、过水能力的概率分布和统计参数的基础上，提出了基于可靠性的雨水管道水力设计方法。2004年，高延红口钉等在研究屋面雨水排水沟基于可靠性设计方法时，提出了适合我国屋面雨水排水沟设计的可靠指标取值标准。2006年，郭瑞西南交通大学硕士研究生学位论文第3页等。引n6：将结构可靠性理论引入了雨水管道中，提出了雨水管道的概率极限状态水力计算方法，给出了目标可靠指标建议值，并计算出与之相对应的分项系数，形成了基于可靠性的以分项系数表达的概率极限状态水力计算公式。1．2．2排水管网优化设计研究现状随着计算机的普及和优化理论的不断完善，在排水系统设计中应用

8、优化设计方法己成为市政工程设计中十分关注的课题。从研究成果来看，应