供水管网可靠性分析

供水管网可靠性分析

摘要随着城市的现代化发展，城市的生产、生活会越来越依赖城市给水系统，而给水管网是城市给水系统重要的组成部分，其可靠运作对于充分发挥整个给水系统的经济效益与社会效益有着举足轻重的作用。因此研究给水管网的可靠性，提高其供水可靠度，使之更好的完成其给水功能是给水系统设计中的一个重要课题。本文对可靠性理论作了系统论述，根据给水管网的特点，通过两个方面来研究给水管网的可靠性，一方面是给水管网的网络结构可靠性，一方面是给水管网的综合可靠性。

关键词供水管网；可靠性分析；浅析

0前言

所谓给水工程系统的可靠性，给水管网的可靠性是指在给定的工作条件下向用水点按一定的水压和水量要求持续输水的能力。评价给水管网可靠性的方法可以分成两类:①基于水力模拟的方法，在管网组件故障状态下根据节点水压及可得水量对管网可靠性进行分析。但这类方法的共同特点是需要进行大量的水力模拟，求解时间较长；②基于水源节点和其他供水节点的可连接性对管网可靠性进行分析。这类方法主要从管网静态结构出发计算管网的可靠度，这类分析一般认为一个节点需要至少一条路径与水源点连接，该节点需求就可以满足，这显然不符合实际。

然而，从水源节点到用水节点以及从其他节点到用水节点的连接路径的存在只是符合可靠性定义的必要条件，并没有达到完全满足需水量和水压这一系统功能的充分条件。于是从80年代末起，提出了所谓水力可靠性的概念。即考虑了虽然能满足节点的可达性和可连性要求但由于需水量的随机波动和管道粗糙度的随机变化而影响不能完成输送足够的水量和水压等水力因素失效。其要求较机械可靠性更为严格。

1供水系统中元件的抗震可靠性分析方法

供水系统中的各类元件，如管段、水池、水源中的各类建、构筑物等，都有各自不同的。地震易损性分析方法，但最终都可以得到各元件的破坏状态和可靠度，在进行整个网络系统的分析时，可以把它们看成同一类元件。这里给出了埋地铸铁管道单元的抗震可靠性分析方法。

1）埋地铸铁管道震害预测方法。对于以刚性或柔性接口连接的铸铁供水管道，震害预测时以接口的变形量为预测量，这里，需同时考虑地震造成的管线轴向变形、土静压力及水内压力造成的轴向变形，最后以组合变形量作为判别指标，计算时，还可同时考虑管线敷设时间的长短及腐蚀造成的壁厚减薄的影响。

2）管道的震害划分为三个等级：①基本完好：管道可能有轻度变形，但无

破损，无渗漏，无需修复即可正常运行。②中等破坏：管道发生较大变形或有轻度破坏，有渗漏，必须采取修理措施才能正常运行。③破坏：管道破裂，接口拉脱，泄漏，必须更换管道。

判断准则为：

ΔL<[ΔL] 基本完好

[ΔL]≤ΔL<2[ΔL] 中等破坏

ΔL≥2[ΔL] 破坏

式中，ΔL为组合的轴向伸长量；[ΔL]为接口基本完好许用伸长量。

①地震造成的管道轴向变形：假定地震波为平面剪切波。管道受到剪切波的作用，也要产生轴向位移，由于管道本身的刚度作用，位移幅值要比同方向土的变形位移小些，因此引入传递系数ζ（ζ≤1.0），那么管道的轴向位移可用下式表达：Ut=ζ Ug

管道轴向应变量幅值等于：εt=εg·ζ

式中，εg=V/Cg；V为地面运动速度；Cg为面波传播速度。

在剪切波作用下，管道产生的轴向变形在同一瞬间可能包含若干个接口，接口处的拉伸变形可能使接口破坏，由应变εT累积形成的拉伸变形为：ΔLT=C1·L·εT

式中，C1为接口形式折减系数：L为单根管段长。

②土静压力造成的轴向变形：当管道的埋深为Hm时，土的静压造成管径向收缩同时轴向拉伸，但这些变形受到周围土体的限制，实际上轴向产生压缩应变εs。

εs=PsDη/2δE

式中，Ps=(1+k0)/2r·H；D为管外径；δ为管壁厚；E为管弹性模量。压缩变型为：ΔLs=εs·L。

③水内压造成的轴向变形：水内压造成的管道轴向变形和土静压造成的轴向变形相反，是拉伸应变εh。

εh=Pn·Dη/2δ·L/E·μ

式中，Pn为水内压：μ为管材泊比。拉伸变形为：ΔLh=εh·L。

④组合轴向变形：求得ΔLT、ΔLs、ΔLh即可计算组合拉伸变形量。ΔL=ΔLT-ΔLs+ΔLh。之后，根据前面的判断准则即可得到管道的震害结果。

2管线的可靠性分析

可靠性与可靠度。工程结构具有安全、适用、耐久这些性能，人们就认为它可靠。因此，可将安全性、适用性、耐久性合称为可靠性。可靠性是在一定条件下完成的，其定义为：在规定的条件和规定的时间内完成预定功能的能力。

可靠度是把可靠性作为工程结构性能的数量化指标，其定义如下：在规定的条件和规定的时间内完成预定功能的概率。

中心点法——平均值二阶矩公式：Z=R-S

式中，R为结构构件抗力；S为外部荷载效应；Z为安全裕度；Z<0时则失效。R和S都为随机变量，因而Z也为随机变量。对于某一确定的

fz（z）来说，有Pf=∫0-∞fz(z)dz=Fz(0)。

供水管网的目标函数是非线性规划问题，采用管网优化设计程序求出最优解。对于可靠性参数的计算，主要是分析系统能保持正常工作状态的概率，或者说分析故障概率、故障频率、故障循环时间、故障次数的期望值、故障持续时间的期望值以及不满足用水量的期望值。在这里随机过程的分析研究，采用马尔可夫过程来描述系统从运行到故障的随机过程，而不必考虑维修的过程，这样有利于可靠性参数的计算。对于供水系统中的水泵，主要是分析正常运行状态和故障状态的概率和频率，在设定系统为单调增加或单调降低的连续状态中，分析计算系统最小供水能力和最大供水能力是否能满足可靠性要求.在此基础上，分析用水状态频率.由于城市给水系统用水量是由最小能力状态到最大能力状态再由最大到最小状态的连续变量，这使得分析计算增加了难度，因此可简化为2～4种（每天）用水状态来分析状态频率。既要保证目标函数为最小，又必须保证供水量不小于用水量的可靠性要求，最有效的措施是设置水池或水塔，用以贮水和调节用水量，并保证水泵经济运行，上述的系统可靠性优化设计是根据运行工况采用隐枚举法优选的。另外保证系统可靠性还应采取并联系统，其可靠性随并联组分数的增加而提高，例如在管网中可将树状网转变成环状网以提高备用系数，为了建立对给水系统的可靠性约束。综合分析了多种组合系统并对各个可靠性参数所需的等级加权筛选出系统可靠性等级表.表中对可靠性参数：故障概率P（F）（%）、故障频率f（F）（次/d）、故障循环时间CT（d）、故障次数期望值E（N）（次）、故障持续时间总和期望值E（Tm）（d）、不满足用水量总期望值E（TUD）（m3）归纳了5种等级的上下界限，根据管网优化计算出的管段直径d和压力水头H，来计算可靠性等级，也就是使用优化设计模型去验算给水系统的可靠性，并根据可靠性参数进行最小费用比较，选出既满足可靠性需要，又使费用为最小的给水管网设计。