水廠平流沉淀池壓力水流破冰方案設計

1、【doc】水廠平流沉淀池壓力水流破冰方案設計水廠平流沉淀池壓力水流破冰方案設計定j也.水廠平流沉淀池壓力水流破冰方案設計.二堡一幣f）/.2-0'I,/'（中國市政工程華北設計研究院天津300074）摘要靜冰壓力對市政l程的某些構筑物威脅和砬蛛是相當嚴重的,聘對砼剝蝕外還對構筑物成很大的荷載,在過擊的I程設計中常采用設保溫房屋等方法防止水結冰,為此要投入大量的資金.本文針對平流沉淀池的冰載,采用新的設計方案:運用壓力水流的原理并通過水流內(nèi)壓來砬碎冰蓋并進而消跨冰載.采用這種方案不但可節(jié)省大量資金,同時也為市政I程界的防冰設計開辟j一條新途徑.冰害對我國三北地區(qū)的市政工程,海工,

2、水利工程的危害和破壞是相當嚴重的其破壞的主要方式為2類.1是動冰壓力；2是靜冰壓力.在凈化水廠的水池類構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)變形和過大裂縫,影響正常運行.因此,對三北地區(qū)的市政工程,在敞口水池設計中對冰害的防治是必須考慮的一項設計內(nèi)容.多年來水池防冰害設計中采用各種各樣.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械,設備破冰,這些措施會帶來維護管理上的不方便,固些有許多水池采用建造圍護性保溫房的方案,有的還在房屋內(nèi)設采暖設備.平流沉淀池在凈化水廠內(nèi)往往是形體最大的構筑物，平面尺寸大都長達百m且池體也相對較高，采用圍護

3、性房屋保溫的方案時使得基本建設投資往往相當大筆者現(xiàn)結合工程實例做了如下的計算.露天敞El式水池的荷載只計入靜水壓力和靜冰壓力2項;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）.以水工建筑物抗冰抗凍設計規(guī)范（送審稿）中提供的有關數(shù)據(jù)計算,池壁厚達500mra時,內(nèi)側配筋達到西2580時,才僅僅滿足強度要求.從計算結果看上述結構斷面尺寸和配筋量均不是1個合理的結構設計方案.和京津地區(qū)的高等院校和科研單位的有關專家和教授進行了調(diào)研和理論分析計算.提出在露天敞口式平流沉淀池的設計中,采用變換水流流態(tài)來防止水面冰蓋的形成,進而消除冰壓力的設計方案壓力水流破冰法.當水池水流為自由水

4、面時屬無壓流,當水面結成冰蓋后且水流的水頭高于冰蓋壓力時屬有雎流.本方案的工作原理是在冬季水面結冰后,在平流池出口溢流處用自動控制設備間斷地控制流態(tài),使其往復提高和降低水位水位超過冰蓋時就相當于對冰蓋加壓,當壓力超過冰蓋的極限抗拉強度時冰蓋自行破碎.破壞了冰蓋的整體性,因而消除了冰蓋對水池池壁的冰脹壓力.水面從無冰到形成整個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個階段,冰層是逐漸向中心推進的,這時由于靠近池壁的水流流速相對中部的水流流速要小些.因此,結冰從靠近地壁部分開始逐漸向內(nèi)擴展.當冰蓋尚未封閉,中部還有自由水面時為半封閉階段當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于池壁上,冰層均"浮"于水面.這種狀態(tài)從結構力學的角度,其內(nèi)力和變形特點類似于單向懸臂板.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題，我們水）特種結構t0%年第13卷第2期當水位上升時OF流沉淀池由池底部來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、冰體的變形過程與環(huán)境溫度,加荷的速率,荷載方向和時間等因素有關.通過大量實測表明,在集中或均布荷載等力作用下,冰體首先出現(xiàn)瞬時彈性變形后相繼出現(xiàn)塑性變形.當作用力接近冰晶體結合力時發(fā)生蠕變,當垂直剪力或彎矩等于或大于冰晶體的抗剪,抗拉極限強度指標時冰層將迅速破壞.冰蓋與2側池壁的凍結狀態(tài)可以假定為封閉式的冰蓋為簡支在混凝土池壁上的單向板.在地壁與冰蓋的凍結處用于冰與混凝土內(nèi)孔隙水的凍結作用,形成混凝土與冰層有一定連結力.這種連結可假定為冰蓋2端支承.即認為混凝土池壁為冰蓋的鉸接支座.在前面假定的基礎上可以計算在水壓的作用下冰層達到破壞厚度.辣的極限強度單位:（N/mm）表1gl符號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.如冰板計算跨度為10m的單跨簡支板寬度為1m時，則跨中彎矩M一37500,_/mm,板端剪力,一15N/mm按表1中2種冰溫和強度的計算如下.1.冰體自身溫度低于一10C時按材料力學公式d6M/Bh:計算冰體在彎矩作用下產(chǎn)生的應力.當設定冰蓋厚度h450mm寸，冰體所產(chǎn)生的應力值仍大于其極限抗拉強度值說明0.3m水頭對厚度450mm的冰層即可使其彎曲破壞.26以最小抗剪切極限

8、強度計算，450mm厚度冰層的抗剪切能力為225N/mm該值遠大于水壓產(chǎn)生的剪力，=15N/mm.計算表明冰體抗剪切能力為水壓產(chǎn)生的剪切力的15倍.說明冰層不可能產(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?以上時當冰溫在一10C上時,0.3m水頭作用在冰層上的壓力可破冰厚度達700mm產(chǎn)生彎曲破壞.此時的計算冰體拉應力為0,46N/mm.仍大于冰體極限抗拉應力R0.4N/mm.而冰體抗剪能力為105N/mm0遠大于水壓產(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種情況的計算表明0.3m的作用水頭可破冰的厚度在450mm700mm聞.同時還表明當冰自身溫度越高，在

9、同樣的水頭作用下其破冰能力越強.為此,在采用水壓破冰時.冬季運行中應盡量縮短水位升降周期（以1 小時為宜）,延長降低冰體自身強度的周期,從而盡可能地降低冰蓋在形成過程中+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,使池壁不會受到不能承受的冰脹壓力,水面上也不會產(chǎn)生過多的冰塊堆積通過上述的計算分析,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水壓的作用破碎冰蓋.從而盡可能地減少或消除冰蓋對池壁的冰脹壓力.水流破冰方法可采用各種方案,不同的方案有不同的經(jīng)濟消費.針對