水廠平流沉淀池壓力水流破冰方案設(shè)計(jì)

1、【doc】水廠平流沉淀池壓力水流破冰方案設(shè)計(jì)水廠平流沉淀池壓力水流破冰方案設(shè)計(jì)定j也.水廠平流沉淀池壓力水流破冰方案設(shè)計(jì).二堡一幣f）/.2-0'I,/'（中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究院天津300074）摘要靜冰壓力對(duì)市政l程的某些構(gòu)筑物威脅和砬蛛是相當(dāng)嚴(yán)重的,聘對(duì)砼剝蝕外還對(duì)構(gòu)筑物成很大的荷載,在過(guò)擊的I程設(shè)計(jì)中常采用設(shè)保溫房屋等方法防止水結(jié)冰,為此要投入大量的資金.本文針對(duì)平流沉淀池的冰載,采用新的設(shè)計(jì)方案:運(yùn)用壓力水流的原理并通過(guò)水流內(nèi)壓來(lái)砬碎冰蓋并進(jìn)而消跨冰載.采用這種方案不但可節(jié)省大量資金,同時(shí)也為市政I程界的防冰設(shè)計(jì)開(kāi)辟j一條新途徑.冰害對(duì)我國(guó)三北地區(qū)的市政工程,海工,

2、水利工程的危害和破壞是相當(dāng)嚴(yán)重的其破壞的主要方式為2類.1是動(dòng)冰壓力；2是靜冰壓力.在凈化水廠的水池類構(gòu)筑物大都受靜冰壓力的危害.有些水池池壁在冰蓋冰脹力作用下,水池池壁出現(xiàn)變形和過(guò)大裂縫,影響正常運(yùn)行.因此,對(duì)三北地區(qū)的市政工程,在敞口水池設(shè)計(jì)中對(duì)冰害的防治是必須考慮的一項(xiàng)設(shè)計(jì)內(nèi)容.多年來(lái)水池防冰害設(shè)計(jì)中采用各種各樣.為了節(jié)約投資,能埋入地下就將水池埋入地下;不能埋入地下的就采用人工或機(jī)械,設(shè)備破冰,這些措施會(huì)帶來(lái)維護(hù)管理上的不方便,固些有許多水池采用建造圍護(hù)性保溫房的方案,有的還在房屋內(nèi)設(shè)采暖設(shè)備.平流沉淀池在凈化水廠內(nèi)往往是形體最大的構(gòu)筑物，平面尺寸大都長(zhǎng)達(dá)百m且池體也相對(duì)較高，采用圍護(hù)

3、性房屋保溫的方案時(shí)使得基本建設(shè)投資往往相當(dāng)大筆者現(xiàn)結(jié)合工程實(shí)例做了如下的計(jì)算.露天敞El式水池的荷載只計(jì)入靜水壓力和靜冰壓力2項(xiàng);池內(nèi)水深4.5rn.冰蓋厚度04m（如水工藝專業(yè)同意水在冰蓋下流動(dòng)）.以水工建筑物抗冰抗凍設(shè)計(jì)規(guī)范（送審稿）中提供的有關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算,池壁厚達(dá)500mra時(shí),內(nèi)側(cè)配筋達(dá)到西2580時(shí),才僅僅滿足強(qiáng)度要求.從計(jì)算結(jié)果看上述結(jié)構(gòu)斷面尺寸和配筋量均不是1個(gè)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案.和京津地區(qū)的高等院校和科研單位的有關(guān)專家和教授進(jìn)行了調(diào)研和理論分析計(jì)算.提出在露天敞口式平流沉淀池的設(shè)計(jì)中,采用變換水流流態(tài)來(lái)防止水面冰蓋的形成,進(jìn)而消除冰壓力的設(shè)計(jì)方案壓力水流破冰法.當(dāng)水池水流為自由水

4、面時(shí)屬無(wú)壓流,當(dāng)水面結(jié)成冰蓋后且水流的水頭高于冰蓋壓力時(shí)屬有雎流.本方案的工作原理是在冬季水面結(jié)冰后,在平流池出口溢流處用自動(dòng)控制設(shè)備間斷地控制流態(tài),使其往復(fù)提高和降低水位水位超過(guò)冰蓋時(shí)就相當(dāng)于對(duì)冰蓋加壓,當(dāng)壓力超過(guò)冰蓋的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)冰蓋自行破碎.破壞了冰蓋的整體性,因而消除了冰蓋對(duì)水池池壁的冰脹壓力.水面從無(wú)冰到形成整個(gè)冰蓋是從池壁先出現(xiàn)可分半封閉階段和全封閉階段的2個(gè)階段,冰層是逐漸向中心推進(jìn)的,這時(shí)由于靠近池壁的水流流速相對(duì)中部的水流流速要小些.因此,結(jié)冰從靠近地壁部分開(kāi)始逐漸向內(nèi)擴(kuò)展.當(dāng)冰蓋尚未封閉,中部還有自由水面時(shí)為半封閉階段當(dāng)冰層逐漸向閉合形成了整體冰蓋即為全封閉階段.半封閉階

5、段的冰蓋是很薄的并凍結(jié)于池壁上,冰層均"浮"于水面.這種狀態(tài)從結(jié)構(gòu)力學(xué)的角度,其內(nèi)力和變形特點(diǎn)類似于單向懸臂板.因此,我們可以假定冰蓋為彈性固接于池壁上的單向懸臂板.為更好解決冰凍和冰脹壓力問(wèn)題，我們水）特種結(jié)構(gòu)t0%年第13卷第2期當(dāng)水位上升時(shí)OF流沉淀池由池底部來(lái)冰板的自由端在水壓（浮力）的作用下,產(chǎn)生向上變形,并隨水位升高（浮于水面）而破碎.再逐漸降低到初始水位如將水位升降周期的時(shí)間間隔撐握合適,則沉淀池水面不可能形成整體冰蓋初始的冰花可能在升降的水中消融.由于某種特殊原因,水面冰層出現(xiàn)全封閉狀態(tài),冰和其它材料一樣,在外力作用下,同樣產(chǎn)生彈性變形,塑性變形和脆性變形.

6、冰體的變形過(guò)程與環(huán)境溫度,加荷的速率,荷載方向和時(shí)間等因素有關(guān).通過(guò)大量實(shí)測(cè)表明,在集中或均布荷載等力作用下,冰體首先出現(xiàn)瞬時(shí)彈性變形后相繼出現(xiàn)塑性變形.當(dāng)作用力接近冰晶體結(jié)合力時(shí)發(fā)生蠕變,當(dāng)垂直剪力或彎矩等于或大于冰晶體的抗剪,抗拉極限強(qiáng)度指標(biāo)時(shí)冰層將迅速破壞.冰蓋與2側(cè)池壁的凍結(jié)狀態(tài)可以假定為封閉式的冰蓋為簡(jiǎn)支在混凝土池壁上的單向板.在地壁與冰蓋的凍結(jié)處用于冰與混凝土內(nèi)孔隙水的凍結(jié)作用,形成混凝土與冰層有一定連結(jié)力.這種連結(jié)可假定為冰蓋2端支承.即認(rèn)為混凝土池壁為冰蓋的鉸接支座.在前面假定的基礎(chǔ)上可以計(jì)算在水壓的作用下冰層達(dá)到破壞厚度.辣的極限強(qiáng)度單位:（N/mm）表1gl符號(hào)f慨于體胄干

7、拉伸lRJ070,1.00l0.30,0.40剪切l(wèi)Rc050,0.B0lo-15,0.30如水位周期上升最高為0.3m.則作用在冰層底面所產(chǎn)生的最大壓力為3KN/m.此即為破冰的壓力,也就是冰蓋上的作用荷載為3KN/m.如冰板計(jì)算跨度為10m的單跨簡(jiǎn)支板寬度為1m時(shí)，則跨中彎矩M一37500,_/mm,板端剪力,一15N/mm按表1中2種冰溫和強(qiáng)度的計(jì)算如下.1.冰體自身溫度低于一10C時(shí)按材料力學(xué)公式d6M/Bh:計(jì)算冰體在彎矩作用下產(chǎn)生的應(yīng)力.當(dāng)設(shè)定冰蓋厚度h450mm寸，冰體所產(chǎn)生的應(yīng)力值仍大于其極限抗拉強(qiáng)度值說(shuō)明0.3m水頭對(duì)厚度450mm的冰層即可使其彎曲破壞.26以最小抗剪切極限

8、強(qiáng)度計(jì)算，450mm厚度冰層的抗剪切能力為225N/mm該值遠(yuǎn)大于水壓產(chǎn)生的剪力，=15N/mm.計(jì)算表明冰體抗剪切能力為水壓產(chǎn)生的剪切力的15倍.說(shuō)明冰層不可能產(chǎn)生整體上浮,而只能產(chǎn)生彎曲破碎2. 冰體自身溫度在一10?以上時(shí)當(dāng)冰溫在一10C上時(shí),0.3m水頭作用在冰層上的壓力可破冰厚度達(dá)700mm產(chǎn)生彎曲破壞.此時(shí)的計(jì)算冰體拉應(yīng)力為0,46N/mm.仍大于冰體極限抗拉應(yīng)力R0.4N/mm.而冰體抗剪能力為105N/mm0遠(yuǎn)大于水壓產(chǎn)生的剪力V=15N/mm因此冰層的破壞同樣是由彎曲造成的2種情況的計(jì)算表明0.3m的作用水頭可破冰的厚度在450mm700mm聞.同時(shí)還表明當(dāng)冰自身溫度越高，在

9、同樣的水頭作用下其破冰能力越強(qiáng).為此,在采用水壓破冰時(shí).冬季運(yùn)行中應(yīng)盡量縮短水位升降周期（以1 小時(shí)為宜）,延長(zhǎng)降低冰體自身強(qiáng)度的周期,從而盡可能地降低冰蓋在形成過(guò)程中+由于凍脹產(chǎn)生的作用在池壁上的壓力.總之,其升降周期必須考慮冰蓋的形成和厚度,使池壁不會(huì)受到不能承受的冰脹壓力,水面上也不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的冰塊堆積通過(guò)上述的計(jì)算分析,表明平流沉淀池采用提高水面水流,利用水壓力破壞水面產(chǎn)生的冰蓋.是可行的方案.即使由于某些特殊的原因,達(dá)到了全封閉冰蓋的情況,只要掌握好水位升降周期也能通過(guò)水壓的作用破碎冰蓋.從而盡可能地減少或消除冰蓋對(duì)池壁的冰脹壓力.水流破冰方法可采用各種方案,不同的方案有不同的經(jīng)濟(jì)消費(fèi).針對(duì)