排水管道改造中的结构弹性:从理论到实践

城市排水系统的健康关系到城市更新、可持续发展等重要内容。随着城市化进程和气候变化风险加剧，城市排水管道老化、功能退化、应对突发情况能力不足等问题逐渐凸显，城市排水管道的结构弹性备受关注。本书从弹性理论出发，介绍了排水管道改造过程中，如何将弹性理论应用于工程实践，通过技术创新提升管道的结构弹性。结合具体案例，对比评估了改造后排水管道的性能和对灾害的抵抗能力。本书适合排水管道设计、建设、修复等专业领域人员阅读，也可供高等院校相关专业师生教学参考。

师自海1958年，出生于山西省运城1978年，就读于北京交通大学1983-1989年，就读于东京大学，取得工学博士学位1990-1992年，就职于中国科学院力学研究所1995年-2018年，就职于日本工营公司研究所，2018年退休长期从事混凝土材料的断裂力学研究，建立了多裂纹、混合型裂纹及动力学裂纹解析理论，分别发表于美国土木工程学会结构工程杂志、国际工程断裂力学杂志等著名国际学术期刊。同时，长期从事老旧下水管道的更新设计及相关的结构刚性理论的研究及工程实践。出版著作：Crack Analysis in Structural Concrete (Elsevier, 2009)Structural Analysis and Renovation Design of Ageing Sewers (De Gruyter, 2016)Structural Resilience in Sewer Reconstruction (Elsevier, 2017)王殿常1973年，出生于山东省梁山县1991-2000年，就读于清华大学，取得工学博士学位2001-2002年，取得德国马普海洋微生物研究所博士后2001-2017年，就职于国务院三峡办2017年至今，就职于中国长江三峡集团有限公司现任长江经济带生态环境国家工程研究中心主任、长江生态环保集团有限公司董事长。长期从事水电工程环境保护、环境污染治理、生态修复等工作，在长江上游大型水电站环境保护总体设计、环境影响评价与生态环境监测、长江大保护战略与可持续模式、长江经济带城镇水环境治理等方面开展多项研究及工程实践。主持国家级科研项目1项，参与国家、省部级等重大科研项目8项，发表论文50余篇，授权专利20余项，合作出版专著5部。

1 引言1.1 弹性研究综述 ?0011.1.1 受自然界启发的弹性方法 ?0011.1.2 系统和系统环境 ?0021.1.3 变化和干扰的破坏性能量 ?0021.1.4 弹性的本质 ?0031.1.5 弹性的量化 ?0031.2 福岛第一核电站核事故的教训 ?0041.2.1 福岛第一核电站核事故 ?0041.2.2 根本原因分析 ?0051.2.3 经验教训 ?0061.3 东京排水管道改造过程中的结构弹性构建 ?0081.3.1 排水管道老化及排水管道系统改造 ?0081.3.2 老旧排水管道改造设计中的半复合管概念 ?0081.3.3 通过排水管道改造构建弹性系统 ?0101.4 本书的主要特点 ?011参考文献 ?011

2 弹性理论及其数学概论2.1 社会生态系统中的弹性理论和实践 ?0132.1.1 弹性方法 ?0132.1.2 原则1，保持多样性和冗余性 ?0162.1.3 原则2，管理连通性 ??0172.1.4 原则3，管理慢变量和反馈 ?0182.1.5 原则4，培养复杂自适应系统思维 ??0202.1.6 原则5，鼓励学习 ?0222.1.7 原则6，拓宽参与度 ?0232.1.8 原则7，推进多中心治理 ??0242.1.9 总结 ?026参考文献 ?0262.2 社会技术系统中的弹性理论与实践 ??0312.2.1 弹性方法 ??0322.2.2 处理实际情况：响应 ?0332.2.3 处理关键问题：监测 ??0342.2.4 处理潜在问题：预期 ??0372.2.5 处理现实问题：学习 ??0392.2.6 弹性的本质是什么 ??040参考文献 ?0402.3 计算机系统中的弹性理论与实践 ?0422.3.1 新出现的挑战 ?0422.3.2 弹性方法 ??0442.3.3 辐射对电子设备的影响 ??0452.3.4 故障处理中的冗余性 ?0482.3.5 具有增强抗干扰能力的容错系统 ??0512.3.6 支持弹性的硬件和软件系统 ?053参考文献 ?0542.4 弹性理论的数学概括和非线性动力学行为的两步解 ??0562.4.1 弹性的数学定义 ?0562.4.2 非线性动力学行为的广义两步解 ??058参考文献 ?063

3 弹性评估方法和图论基础3.1 基于性能的弹性评估方法 ?0653.1.1 基于性能的弹性指标和弹性三角形 ?0653.1.2 弹性表示为系统性能恢复与损失的比率 ?0673.1.3 弹性三角形和影响函数的重新定义 ?0723.2 图论的基本概念 ?0763.2.1 图的定义和基本性质 ?0763.2.2 矩阵表示 ?0783.2.3 图的类型 ?0803.3 图论的实际应用 ?0833.3.1 寻找*短路径 ?0833.3.2 *优图的遍历 ?0853.3.3 *小生成树 ?090参考文献 ?091图论中使用的符号 ?092

4 日本为增强社会基础设施弹性所做的努力4.1 日本基础设施的发展历史 ?0934.1.1 战后70年的基础设施发展 ?0934.1.2 排水管道建设和改造的历史 ?0954.2 日本基础设施面临的挑战 ?0994.2.1 恶劣的自然条件 ?0994.2.2 老化的基础设施 ?1014.2.3 人口减少 ?1024.2.4 经济衰退和国际竞争加剧 ?1034.2.5 日益严格的财政限制 ?1034.3 日本为增强基础设施弹性采取的*新措施 ?1054.3.1 《国土强韧化基本法》的原则 ?1054.3.2 《国土强韧化基本法》的政策 ?1064.3.3 东京采取的弹性增强措施 ?108参考文献 ?111

5 东京排水管道改造和弹性增强措施5.1 东京排水管道系统概述 ?1135.1.1 排水管道项目的起源 ?1135.1.2 排水管道改造工程启动 ?1145.1.3 灾后恢复和排水管道项目 ?1145.1.4 东京及其排水管道系统的扩张 ?1145.1.5 战后恢复和排水管道项目的全面实施 ?1155.1.6 城市问题和排水管道服务的新趋势 ?1165.1.7 排水管道管理中的石油危机和财务困难 ?1185.1.8 实现100%覆盖率目标的排水管道改造 ?1185.1.9 排水管道项目实施的多方面举措 ?1195.2 维护和修复措施 ?1245.2.1 排水管道改造 ?1245.2.2 再生水中心和泵站的改造 ?1285.3 内涝防治措施 ?1305.3.1 现状与挑战 ?1305.3.2 今后的任务 ?1315.3.3 《管理计划》中的主要工作 ?1315.4 抗震措施 ?1335.4.1 现状与挑战 ?1335.4.2 今后的任务 ?1355.4.3 《管理计划》中的主要工作 ?1365.5 水环境改善 ?1405.5.1 现状与挑战 ?1405.5.2 今后的任务 ?1405.5.3 《管理计划》中的主要工作 ?1405.5.4 迄今为止取得的成效 ?1415.6 减少环境负荷 ?1425.6.1 污水深度处理 ?1425.6.2 污泥处理 ?1445.7 危机管理 ?1485.7.1 建立或加强紧急恢复准备工作，以确保排水管道系统正常运行 ?1485.7.2 与市政当局合作加强防灾措施 ?1485.7.3 加强风险沟通，以更好应对灾害 ?1495.8 以远见卓识、科学管理、迅速行动来增强弹性 ?150参考文献 ?150

6 通过技术创新提高排水管道改造的结构弹性6.1 排水管道老化问题及弹性增强措施概述 ??1536.1.1 排水管道老化问题 ?1536.1.2 排水管道弹性措施的概念 ??1556.2 排水管道资产管理 ??1566.2.1 资产管理办法 ?1566.2.2 与资产管理相关的登记系统概述 ?1576.3 存量排水管道的健全性评估方法 ?1596.3.1 技术开发背景 ?1596.3.2 新开发的系统 ?1606.4 存量排水管道的可用性评估 ?1646.5 排水管道修复 ?1656.5.1 排水管道修复的必要性 ?1656.5.2 排水管道修复方法分类 ??1676.5.3 修复方法类型 ?1686.6 排水管道修复（SPR）方法的发展 ?1736.6.1 什么是;SPR方法 ?1746.6.2 排水管道修复型材研发 ?1776.6.3 排水管道修复方法的发展历史 ??1806.6.4 排水管道修复方法施工程序 ??1826.6.5 老化排水管道的材料强度调查 ??1876.6.6 排水管道修复所需的原有管道调查 ??1896.7 通过技术创新提高排水管道系统的结构弹性 ??194参考文献 ?196

7 排水管道改造的结构分析理论与试验研究7.1 引言 ?1977.2 规范要求解析 ?1987.2.1 采用复合管法改造排水管道的指南纲要 ?1987.2.2 复合结构构件的基本规范要求 ?2007.3 排水管道修复的试验研究 ?2027.3.1 承载能力的断裂试验 ?2037.3.2 结构元素测试 ?2117.4 半复合管模型和基于断裂力学的材料建模 ?2217.4.1 无张力界面模型 ?2217.4.2 材料建模 ?2247.5 基于弥散裂纹法的修复后排水管道开裂的数值分析 ?2267.5.1 案例选择 ?2267.5.2 矩形管的数值结果 ?2287.5.3 圆形管的数值结果 ?2317.5.4 小结 ?2357.6 基于离散裂纹法的修复后检查井的开裂行为的数值分析 ?2357.6.1 案例设置 ?2357.6.2 检查井试样的数值结果 ?2397.6.3 小结 ?2427.7 地下水压力下底拱衬里的屈曲理论 ?2437.7.1 地下水压力下底拱衬里的屈曲 ?2437.7.2 验证研究 ?2437.7.3 屈曲设计 ?2467.8 建立具备强度冗余的结构弹性 ?247附录 ?248附录7.A 使用正割弹性模量进行应变软化的局部弥散裂纹模型 ?248附录7.B 用于Ⅰ型开裂的EFCM公式 ?249附录7.C 底拱衬里的屈曲方程推导 ?253参考文献 ?256

8 基于性能的老旧排水管道改造设计8.1 基于性能设计提高结构弹性 ?2578.2 排水管道改造的性能要求 ?2588.2.1 性能验证的基本概念 ?2588.2.2 排水管道改造修复的性能要求 ?2598.3 正常载荷下的性能验证 ?2618.3.1 正常使用极限状态验证 ?2618.3.2 承载能力极限状态验证 ?2628.3.3 安全系数 ?2628.3.4 设计载荷 ?2638.3.5 非线性结构分析 ?2638.3.6 载荷系数性能评估 ?2668.4 地震载荷下的性能验证 ?2688.4.1 抗震性能要求验证标准 ?2688.4.2 正常使用极限状态验证 ?2708.4.3 承载能力极限状态验证 ?2708.4.4 安全系数 ?2708.4.5 验证所用的分析方法 ?2718.4.6 基于非线性动力分析的抗震验证 ?2718.5 排水管道修复后抗震性能的试验验证 ?2778.5.1 抗震验证试验 ?2778.5.2 型材拉拔试验 ?2828.6 辅助设计软件的开发 ?2858.6.1 基本功能 ?2858.6.2 运行任务 ?2908.7 设计案例研究 ?2918.7.1 结构分析的确定条件 ?2918.7.2 正常和地震载荷条件下的安全验证 ?2988.7.3 底板局部屈曲的安全验证 ?2998.7.4 确定修复条件 ?301参考文献 ?302

9 排水管道系统的结构弹性9.1 结构弹性理论 ?3059.1.1 结构损伤能量 ?3059.1.2 定义结构弹性 ?3069.2 某排水管道震后应急恢复的结构弹性评价 ?3099.2.1 排水管道系统应急修复的基本考虑因素 ?3099.2.2 关键路径法 ?3129.2.3 排水管道应急修复期间结构弹性与影响指标评价 ?3129.3 基于两个经典图论问题的震后路网应急行动 ?3249.4 两个弹性定义之间的关系 ?3299.5 关于结构弹性理论和复杂社会基础设施系统的总结 ?3309.5.1 弹性增强的四项原则 ?3309.5.2 受变化和干扰影响的复杂社会基础设施系统的安全性评价 ?3319.5.3 结构弹性理论的含义 ?331参考文献 ?332

10 不同国家的排水管道修复改造工程10.1 日本排水管道改造项目概述 ?33310.1.1 日本管道建设现状 ?33310.1.2 管道设施的抗震加固 ?33310.1.3 管道修复技术 ?33410.1.4 SPR技术 ?33610.2 老旧排水管道和非排水管道修复工程 ?33610.2.1 小管径管道修复 ?33710.2.2 大管径管道修复 ?33710.2.3 非圆形管道修复 ?33810.2.4 非排水管道修复 ?34010.3 检查井抗震加固实例 ?34110.3.1 柔性结构法 ?34110.3.2 超孔隙水压力消散法 ?34310.4 后评估调查 ?34610.4.1 施工后的长期调查 ?34610.4.2 震后调查 ?34710.5 其他国家的排水管道修复项目 ?34910.5.1 项目背景 ?34910.5.2 SPR方法的广泛应用 ?34910.6 其他国家的排水管道修复案例研究 ?35010.6.1 案例1：法国欧博讷 ?35010.6.2 案例2：德国安斯巴赫 ?35210.6.3 其他案例 ?354

附录 ?355附录10.A 来自宫城县东武污水处理办公室的当地政府报告：东日本大地震中经抗震加固的排水管道的性能 ?355

参考文献 ?360

致谢

无