供水管網(wǎng)抗寒潮性能分析

梁春東

摘? 要：為了探究地下供水管道抗寒防潮可靠度，設(shè)立地下供水管網(wǎng)在溫度變化下的構(gòu)造函數(shù)，采用二階矩陣法模擬可靠度與溫度變化的關(guān)系，并且以某市鋼結(jié)構(gòu)供水管道為例，對管網(wǎng)可靠度的影響因素執(zhí)行敏感度研究，最后采用相關(guān)公式進(jìn)行考證。結(jié)果指出，冬季溫度不同，供水管道的可靠性也隨之產(chǎn)生變化，進(jìn)行地下供水管網(wǎng)規(guī)劃時(shí)，必須考慮冬季氣溫變化的影響。當(dāng)冬季室外溫度達(dá)到零下的時(shí)候，抗寒防潮可靠性分析需要考慮管網(wǎng)冰凍應(yīng)力。

關(guān)鍵詞：供水管網(wǎng);抗寒防潮;可靠度

中圖分類號：TU991.38 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）21-0056-02

Abstract： In order to explore the reliability of cold and moisture resistance of underground water supply pipeline， the construction function of underground water supply network under temperature change is established， the relationship between reliability and temperature change is simulated by second-order matrix method， and the steel structure water supply pipeline in a city is taken as an example. The sensitivity study is carried out on the factors affecting the reliability of the pipe network， and finally the relevant formulas are used for textual research. The results show that the reliability of water supply pipeline changes with the difference of winter temperature， and the influence of winter temperature change must be considered in the planning of underground water supply network. When the outdoor temperature reaches below zero in winter， the ice stress of the pipe network should be considered in the reliability analysis of cold and moisture resistance.

Keywords： water supply network; cold and moisture resistance; reliability

引言

城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)是維系城市日常生活生產(chǎn)的重要系統(tǒng)。最近一段時(shí)間，冬季供水管道爆裂事故頻繁發(fā)生，給城市的日常正常運(yùn)作造成巨大的影響。飲用水供水管道多埋設(shè)在地底下，管道爆裂往往無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，管網(wǎng)修理恢復(fù)難度很大，故此研究城鎮(zhèn)供水管道抗寒防潮性能可靠度，之于供水管道運(yùn)作的平穩(wěn)性和安全性具有重大的意義。冬季國內(nèi)各地管道爆裂現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。居民供水系統(tǒng)受到嚴(yán)重影響。城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)冬季管道爆裂的情況嚴(yán)重制約城市的平穩(wěn)運(yùn)作和人民群眾的平時(shí)生活，因此，非常有必要探索城鎮(zhèn)供水管道抗寒防潮性能的可靠度，考量城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)的運(yùn)作安全性。供水管道網(wǎng)絡(luò)的抗寒防潮可靠度可以細(xì)化為如下3個(gè)范疇：居民供水管道系統(tǒng)中的水管抗寒防潮可靠度、居民供水管道網(wǎng)絡(luò)中的抗寒防潮是否暢通的可靠度、居民供水管道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的抗寒防潮機(jī)能的可靠度?？购莱笔欠駮惩ǖ目煽慷扔脕砜剂慷竟┧艿浪袋c(diǎn)到客戶使用終端之間是否存在暢通無阻的連通路徑，是保障居民用水安全的根基;抗寒防潮機(jī)能的可靠性是在保障管道路徑連通的前提下，同時(shí)可以保障供水壓力和供水流量等等供水能力。本文著重分析推演居民供水管道的抗寒防潮暢通的可靠度。

1 地下供水管網(wǎng)抗寒防潮可靠性計(jì)算方法

文章設(shè)立冬季地下供水管網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)造功能函數(shù)。根據(jù)管道材料的不同，相關(guān)數(shù)據(jù)也不同，文章拿鋼管舉例。設(shè)供水管道中，由s點(diǎn)經(jīng)過一系列邊緣能夠到達(dá)t點(diǎn)，可稱該一系列邊緣為s點(diǎn)到t點(diǎn)的一條通路，加入從該系列邊緣中拿掉任意一條邊，使得該通路無法連通，則把此系列邊緣稱為管道的最小路。傳遞推分拆法的主要思想是以管道的其中一個(gè)最短的最小路為起點(diǎn)，拆分下一個(gè)不相交最的小路徑，按照此種算法大大節(jié)約了計(jì)算時(shí)間和硬盤占用空間，而且可以依據(jù)顯示出來的誤差隨時(shí)隨地中斷程序的運(yùn)行，得到供水管網(wǎng)系統(tǒng)的可靠度結(jié)果。

1.1 冬季城鎮(zhèn)地下供水管網(wǎng)系統(tǒng)管道應(yīng)力

對于城鎮(zhèn)地下供水鋼質(zhì)管道，管道內(nèi)存在的應(yīng)力一般包含周向應(yīng)力和縱向應(yīng)力。周向應(yīng)力一般由供水管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部壓力、管道自身重力、地上車輛荷載或建筑荷載、管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部水體自身重量、上部覆土壓力、環(huán)向泊松應(yīng)力、結(jié)冰應(yīng)力（氣溫降到零攝氏度時(shí)才能發(fā)生）等不同種類的應(yīng)力構(gòu)成。縱向應(yīng)力一般包含泊松應(yīng)力、溫度變化應(yīng)力、不規(guī)則沉降應(yīng)力等等。

1.2 管路構(gòu)造功能函數(shù)

管路的故障幾率就是構(gòu)造功能函數(shù)數(shù)值<0的幾率。當(dāng)構(gòu)造功能函數(shù)等于0時(shí)，管路當(dāng)時(shí)處于臨界狀態(tài)。該構(gòu)造功能函數(shù)是根據(jù)管路強(qiáng)度破壞的理念搭建的，適合模擬焊接拼裝的鋼質(zhì)管路在冬季破壞的情形。

2 冬季可靠度研究

冬季氣溫為0℃以上時(shí)，地下土層不會出現(xiàn)結(jié)冰情況，此時(shí)不存在冰凍應(yīng)力。評估可靠度時(shí)需要考慮的應(yīng)力為如下：針對于環(huán)向應(yīng)力，鑒于居民供水管道系統(tǒng)內(nèi)鋼質(zhì)管道內(nèi)部壓力產(chǎn)生的應(yīng)力、管道自身重力所產(chǎn)生的應(yīng)力、上交車輛荷載或建筑荷載（兩者取最大值為準(zhǔn)）產(chǎn)生的應(yīng)力、管路內(nèi)水體自重產(chǎn)生的應(yīng)力、地面覆蓋的土體產(chǎn)生的應(yīng)力、環(huán)向泊松應(yīng)力;針于縱向應(yīng)力，應(yīng)該體現(xiàn)泊松應(yīng)力、溫度變化應(yīng)力及不規(guī)則沉降應(yīng)力。為了更加直接地表達(dá)管路在各種不同的溫度下的可靠度，文章設(shè)置氣溫為變化量，編制管路可靠度幾率和溫度的相關(guān)曲線，因?yàn)楣苈返陌惭b設(shè)置一般在夏季，所以選取管路的初始安裝溫度為30℃。由曲線圖能夠得出如下結(jié)論：伴隨著溫度的持續(xù)降低，居民供水管網(wǎng)系統(tǒng)管道的可靠性幾率表現(xiàn)逐漸下降的趨勢。

3 某城市居民供水管網(wǎng)抗寒防潮暢通可靠度研究

為了評價(jià)各個(gè)相關(guān)數(shù)據(jù)對管道可靠度的制約程度，選用管道直徑、管道壁厚、管道材料的屈服強(qiáng)度、作業(yè)壓力和溫度差等5個(gè)相關(guān)參數(shù)實(shí)行敏感度研究。評估敏感度指標(biāo)時(shí)選取某一變化系數(shù)加大1%，其他變化系數(shù)維持不變。

3.1 管道相關(guān)數(shù)據(jù)及其確立

某城市居民主干供水管網(wǎng)，官網(wǎng)系統(tǒng)管道總長度約為48km，設(shè)置有138處管段，管段長度和管路壁厚等相關(guān)數(shù)據(jù)參見文獻(xiàn)。管網(wǎng)系統(tǒng)共設(shè)有4個(gè)水源端，這些水源端分別處于節(jié)點(diǎn)104、105、107和108。本文涉及的算例中居民供水管道抗寒防潮暢通可靠性為管網(wǎng)系統(tǒng)中隨機(jī)節(jié)點(diǎn)與4個(gè)水源端的暢通可靠性。針對擁有多個(gè)水源端的居民供水管網(wǎng)系統(tǒng)，本文采用引入模擬水源端的方案，將情況轉(zhuǎn)變?yōu)楣芫W(wǎng)系統(tǒng)中任意節(jié)點(diǎn)與模擬水源端之間的暢通可靠性。

3.2 管道抗寒防潮可靠性

根據(jù)冬季居民供水管網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)力分析和城鎮(zhèn)地下供水管網(wǎng)系統(tǒng)抗寒防潮可靠性研究，評估供水管網(wǎng)絡(luò)中所有管段的冬季管路應(yīng)力和抗寒防潮可靠性。得出了所有138個(gè)管段抗寒防潮可靠性評估結(jié)果，并且提出了統(tǒng)計(jì)結(jié)論。

由此可見，冬季期間管段抗寒防潮可靠性大于系數(shù)0.9的有77條，占全部管段數(shù)量的55.8%;大于系數(shù)0.8的管段有56條，占全部管段數(shù)量的40.6%;大于系數(shù)0.7的管段有5條，占全部管段數(shù)量的3.6%。同時(shí)可以得出如下結(jié)論：位于南部管網(wǎng)系統(tǒng)（管段）的可靠性相對較高，位于北部管網(wǎng)系統(tǒng)（管段）的可靠性相對較低。

3.3 管道抗寒防潮暢通可靠性

在評估居民供水管網(wǎng)系統(tǒng)全部管段（見圖1）可靠性的前提下，使用遞推分解評估法估算全部管道系統(tǒng)全部節(jié)點(diǎn)的抗寒防潮暢通可靠性。提升管網(wǎng)系統(tǒng)的抗寒防潮暢通可靠性，建議最先改善管網(wǎng)中水源端的排布狀態(tài)，使水源端最大限度地均勻排布在管網(wǎng)系統(tǒng)中;另外，實(shí)施對應(yīng)的手段來提升各個(gè)管段抗寒防潮可靠性，因?yàn)闀惩煽啃匀Q于節(jié)點(diǎn)與水源端之間全部路段上管段的可靠性。

4 試驗(yàn)方法

優(yōu)化一次二階矩方法與蒙特卡洛方式是求解管路可靠性常規(guī)的兩種解決方案。優(yōu)化一次二階矩方式驗(yàn)算效率非常高，迭代遍數(shù)非常少，因?yàn)槲恼逻x取的變量非常少，計(jì)算準(zhǔn)確度相對會非常高。蒙特卡洛法的計(jì)算準(zhǔn)確度取決于模擬遍數(shù)，模擬遍數(shù)越高，計(jì)算數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確，所需的計(jì)算周期也越久。所以文章使用優(yōu)化一次二階矩方式計(jì)算管路可靠性，使用蒙特卡洛法實(shí)行驗(yàn)算，蒙特卡洛法的模擬次數(shù)定為十萬次。當(dāng)問升值0℃以上的時(shí)候，可靠性計(jì)算所采用的溫度間隔為+5℃;在溫度降至0℃以下的時(shí)候，可靠性運(yùn)算所采用的溫度間隔是+2.5℃。

5 驗(yàn)證結(jié)論

為計(jì)算有關(guān)埋地供水管路抗寒潮可靠性，文章搭建了寒潮期溫度變化干擾下的相關(guān)供水管路主體構(gòu)造的功能函數(shù)。使用優(yōu)化一次二階矩方式計(jì)算管路抗寒潮可靠性，并且針對干擾可靠性的隨機(jī)數(shù)據(jù)實(shí)行敏感性研究，分析得出以下結(jié)果：（1）在寒潮期當(dāng)氣溫降至最低時(shí)對供水管路可靠性的影響是非常大的，最低氣溫不一樣，供水管道的可靠性也不一樣。展開相關(guān)埋地供水管路開發(fā)時(shí)，綜合考慮寒潮的影響是非常關(guān)鍵的技術(shù)環(huán)節(jié)。（2）在寒潮期當(dāng)溫度降至零下的情況時(shí)，抗寒潮可靠性研究應(yīng)當(dāng)考慮管路的冰凍能力。（3）展開埋地供水管路開發(fā)時(shí)，綜合考慮干擾管路可靠性的各種各樣不同管路應(yīng)力是很重要的。

6 結(jié)束語

文章運(yùn)用生命線工程網(wǎng)絡(luò)連接可靠性解析的遞推分解解決方案，針對城市供水管網(wǎng)的抗寒潮連接可靠性實(shí)行了探究，闡述關(guān)于供水管網(wǎng)的寒潮警報(bào)具備非常重要的參照價(jià)值。研究發(fā)現(xiàn)，供水管網(wǎng)中水源點(diǎn)排布與管道段可靠性是抗寒潮連接可靠性的及其關(guān)鍵影響要素。位于管網(wǎng)中央地區(qū)的呈網(wǎng)狀節(jié)點(diǎn)的可靠性非常高，靠近管道網(wǎng)絡(luò)邊緣區(qū)域的像樹枝形狀節(jié)點(diǎn)的可靠性降低。距離水源點(diǎn)比較近的節(jié)點(diǎn)，可靠性非常高，距離水源點(diǎn)比較遠(yuǎn)端的地點(diǎn)，導(dǎo)致可靠性降低。提升管道網(wǎng)絡(luò)抗寒潮連續(xù)暢通可靠性，建議第一先改進(jìn)管網(wǎng)中水源點(diǎn)的排布狀況，讓水源點(diǎn)盡可能均勻排布在管網(wǎng)的中心部位;與此同時(shí)建議采用相關(guān)措施來提升每一個(gè)管道段的抗寒潮使用可靠性。

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