供水管网抗寒潮性能分析

    梁春东

    

    摘? 要：为了探究地下供水管道抗寒防潮可靠度，设立地下供水管网在温度变化下的构造函数，采用二阶矩阵法模拟可靠度与温度变化的关系，并且以某市钢结构供水管道为例，对管网可靠度的影响因素执行敏感度研究，最后采用相关公式进行考证。结果指出，冬季温度不同，供水管道的可靠性也随之产生变化，进行地下供水管网规划时，必须考虑冬季气温变化的影响。当冬季室外温度达到零下的时候，抗寒防潮可靠性分析需要考虑管网冰冻应力。

    关键词：供水管网;抗寒防潮;可靠度

    中图分类号：TU991.38 文献标志码：A? ? ? ? ?文章编号：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

    城鎮供水管网是维系城市日常生活生产的重要系统。最近一段时间，冬季供水管道爆裂事故频繁发生，给城市的日常正常运作造成巨大的影响。饮用水供水管道多埋设在地底下，管道爆裂往往无法及时发现，管网修理恢复难度很大，故此研究城镇供水管道抗寒防潮性能可靠度，之于供水管道运作的平稳性和安全性具有重大的意义。冬季国内各地管道爆裂现象时有发生。居民供水系统受到严重影响。城镇供水管网冬季管道爆裂的情况严重制约城市的平稳运作和人民群众的平时生活，因此，非常有必要探索城镇供水管道抗寒防潮性能的可靠度，考量城镇供水管网的运作安全性。供水管道网络的抗寒防潮可靠度可以细化为如下3个范畴：居民供水管道系统中的水管抗寒防潮可靠度、居民供水管道网络中的抗寒防潮是否畅通的可靠度、居民供水管道网络系统中的抗寒防潮机能的可靠度。抗寒防潮是否畅通的可靠度用来考量冬季供水管道水源点到客户使用终端之间是否存在畅通无阻的连通路径，是保障居民用水安全的根基;抗寒防潮机能的可靠性是在保障管道路径连通的前提下，同时可以保障供水压力和供水流量等等供水能力。本文着重分析推演居民供水管道的抗寒防潮畅通的可靠度。

    1 地下供水管网抗寒防潮可靠性计算方法

    文章设立冬季地下供水管网系统的构造功能函数。根据管道材料的不同，相关数据也不同，文章拿钢管举例。设供水管道中，由s点经过一系列边缘能够到达t点，可称该一系列边缘为s点到t点的一条通路，加入从该系列边缘中拿掉任意一条边，使得该通路无法连通，则把此系列边缘称为管道的最小路。传递推分拆法的主要思想是以管道的其中一个最短的最小路为起点，拆分下一个不相交最的小路径，按照此种算法大大节约了计算时间和硬盘占用空间，而且可以依据显示出来的误差随时随地中断程序的运行，得到供水管网系统的可靠度结果。

    1.1 冬季城镇地下供水管网系统管道应力

    对于城镇地下供水钢质管道，管道内存在的应力一般包含周向应力和纵向应力。周向应力一般由供水管网系统内部压力、管道自身重力、地上车辆荷载或建筑荷载、管网系统内部水体自身重量、上部覆土压力、环向泊松应力、结冰应力（气温降到零摄氏度时才能发生）等不同种类的应力构成。纵向应力一般包含泊松应力、温度变化应力、不规则沉降应力等等。

    1.2 管路构造功能函数

    管路的故障几率就是构造功能函数数值<0的几率。当构造功能函数等于0时，管路当时处于临界状态。该构造功能函数是根据管路强度破坏的理念搭建的，适合模拟焊接拼装的钢质管路在冬季破坏的情形。

    2 冬季可靠度研究

    冬季气温为0℃以上时，地下土层不会出现结冰情况，此时不存在冰冻应力。评估可靠度时需要考虑的应力为如下：针对于环向应力，鉴于居民供水管道系统内钢质管道内部压力产生的应力、管道自身重力所产生的应力、上交车辆荷载或建筑荷载（两者取最大值为准）产生的应力、管路内水体自重产生的应力、地面覆盖的土体产生的应力、环向泊松应力;针于纵向应力，應该体现泊松应力、温度变化应力及不规则沉降应力。为了更加直接地表达管路在各种不同的温度下的可靠度，文章设置气温为变化量，编制管路可靠度几率和温度的相关曲线，因为管路的安装设置一般在夏季，所以选取管路的初始安装温度为30℃。由曲线图能够得出如下结论：伴随着温度的持续降低，居民供水管网系统管道的可靠性几率表现逐渐下降的趋势。

    3 某城市居民供水管网抗寒防潮畅通可靠度研究

    为了评价各个相关数据对管道可靠度的制约程度，选用管道直径、管道壁厚、管道材料的屈服强度、作业压力和温度差等5个相关参数实行敏感度研究。评估敏感度指标时选取某一变化系数加大1%，其他变化系数维持不变。

    3.1 管道相关数据及其确立

    某城市居民主干供水管网，官网系统管道总长度约为48km，设置有138处管段，管段长度和管路壁厚等相关数据参见文献。管网系统共设有4个水源端，这些水源端分别处于节点104、105、107和108。本文涉及的算例中居民供水管道抗寒防潮畅通可靠性为管网系统中随机节点与4个水源端的畅通可靠性。针对拥有多个水源端的居民供水管网系统，本文采用引入模拟水源端的方案，将情况转变为管网系统中任意节点与模拟水源端之间的畅通可靠性。

    3.2 管道抗寒防潮可靠性

    根据冬季居民供水管网系统应力分析和城镇地下供水管网系统抗寒防潮可靠性研究，评估供水管网络中所有管段的冬季管路应力和抗寒防潮可靠性。得出了所有138个管段抗寒防潮可靠性评估结果，并且提出了统计结论。

    由此可见，冬季期间管段抗寒防潮可靠性大于系数0.9的有77条，占全部管段数量的55.8%;大于系数0.8的管段有56条，占全部管段数量的40.6%;大于系数0.7的管段有5条，占全部管段数量的3.6%。同时可以得出如下结论：位于南部管网系统（管段）的可靠性相对较高，位于北部管网系统（管段）的可靠性相对较低。

    3.3 管道抗寒防潮畅通可靠性

    在评估居民供水管网系统全部管段（见图1）可靠性的前提下，使用递推分解评估法估算全部管道系统全部节点的抗寒防潮畅通可靠性。提升管网系统的抗寒防潮畅通可靠性，建议最先改善管网中水源端的排布状态，使水源端最大限度地均匀排布在管网系统中;另外，实施对应的手段来提升各个管段抗寒防潮可靠性，因为畅通可靠性取决于节点与水源端之间全部路段上管段的可靠性。

    4 试验方法

    优化一次二阶矩方法与蒙特卡洛方式是求解管路可靠性常规的两种解决方案。优化一次二阶矩方式验算效率非常高，迭代遍数非常少，因为文章选取的变量非常少，计算准确度相对会非常高。蒙特卡洛法的计算准确度取决于模拟遍数，模拟遍数越高，计算数据越准确，所需的计算周期也越久。所以文章使用优化一次二阶矩方式计算管路可靠性，使用蒙特卡洛法实行验算，蒙特卡洛法的模拟次数定为十万次。当问升值0℃以上的时候，可靠性计算所采用的温度间隔为+5℃;在温度降至0℃以下的时候，可靠性运算所采用的温度间隔是+2.5℃。

    5 验证结论

    为计算有关埋地供水管路抗寒潮可靠性，文章搭建了寒潮期温度变化干扰下的相关供水管路主体构造的功能函数。使用优化一次二阶矩方式计算管路抗寒潮可靠性，并且针对干扰可靠性的随机数据实行敏感性研究，分析得出以下结果：（1）在寒潮期当气温降至最低时对供水管路可靠性的影响是非常大的，最低气温不一样，供水管道的可靠性也不一样。展开相关埋地供水管路开发时，综合考虑寒潮的影响是非常关键的技术环节。（2）在寒潮期当温度降至零下的情况时，抗寒潮可靠性研究应当考虑管路的冰冻能力。（3）展开埋地供水管路开发时，综合考虑干扰管路可靠性的各种各样不同管路应力是很重要的。

    6 结束语

    文章运用生命线工程网络连接可靠性解析的递推分解解决方案，针对城市供水管网的抗寒潮连接可靠性实行了探究，阐述关于供水管网的寒潮警报具备非常重要的参照价值。研究发现，供水管网中水源点排布与管道段可靠性是抗寒潮连接可靠性的及其关键影响要素。位于管网中央地区的呈网状节点的可靠性非常高，靠近管道网络边缘区域的像树枝形状节点的可靠性降低。距离水源点比较近的节点，可靠性非常高，距离水源点比较远端的地点，导致可靠性降低。提升管道网络抗寒潮连续畅通可靠性，建议第一先改进管网中水源点的排布状况，让水源点尽可能均匀排布在管网的中心部位;与此同时建议采用相关措施来提升每一个管道段的抗寒潮使用可靠性。

    参考文献：

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