水厂平流沉淀池压力水流破冰方案设计

1、水厂平流沉淀池压力水流破冰方案设计定j也水厂平流沉淀池压力水流破冰方案设计三堡一币 f）/.2-0一 i.,/。（中国市政工程华北设计研究院天津300074）摘要静冰压力对市政1程的某些构筑物威胁和竝蛛是相当严重的, 聘对班剥蚀外还对构筑物成很大的荷载，在过击的i程设计中常采用设保温房 屋等方法防止水结冰，为此耍投入大量的资金本文针对平流沉淀池的冰载，采用 新的设计方案:运用压力水流的原理并通过水流内压来竝碎冰盖并进而消跨冰 载釆用这种方案不但可节省大量资金,同时也为市政i程界的防冰设计开辟j 一条 新途径.冰害对我国三北地区的市政工程,海工，水利工程的危害和破坏是相当严重的其破坏的主要方式为

2、2类.1是动冰压力;2是静 冰压力在净化水厂的水池类构筑物大都受 静冰压力的危害有些水池池壁在冰盖冰胀 力作用下，水池池壁出现变形和过大裂缝，影 响正常运行因此，对三北地区的市政工程， 在敞口水池设计中对冰害的防治是必须考虑 的一项设计内容 多年来水池防冰害设计中釆用各种各样 的方案为了节约投资，能埋入地下就将水 池埋入地下;不能埋入地下的就采用人工或 机械，设备破冰，这些措施会带来维护管理 上的不方便，固些有许多水池采用建造围护 性保温房的方案，有的还在房屋内设采暖设 备平流沉淀池在净化水厂内往往是形体最 人的构筑物,平面尺寸大都长达百m且池体 也相对较高，采用围护性房屋保温的方案吋 使得基

3、本建设投资往往相当大 笔者现结合工程实例做了如下的计算. 露天敞e1式水池的荷载只计入静水压力和静 冰压力2项;池内水深4.5m.冰盖厚度04m （如水工艺专业同意水在冰盖下流动）以水工建筑物抗冰抗冻设计规范（送审稿）中 提供的有关数据计算，池壁厚达500mra时， 内侧配筋达到西2580时，才仅仅满足强度 要求从计算结果看上述结构断面尺寸和配 筋量均不是1个合理的结构设计方案.和京津地区的高等院校和科研单位的有关专 家和教授进行了调研和理论分析计算提出 在露天敞口式平流沉淀池的设计中，采用变 换水流流态来防止水面冰盖的形成，进而消 除冰压力的设计方案压力水流破冰法.当水池水流为自由水面时属无

4、压流，当 水面结成冰盖后且水流的水头高于冰盖压力 时属有雎流.本方案的工作原理是在冬季水 面结冰后，在平流池出口溢流处用自动控制 设备间断地控制流态，使其往复提高和降低 水位水位超过冰盖时就相当于对冰盖加压， 当压力超过冰盖的极限抗拉强度时冰盖自行 破碎破坏了冰盖的整体性,因而消除了冰 盖对水池池壁的冰胀压力.水面从无冰到形成整个冰盖是从池壁先出现可分半封闭阶段和全封闭阶段的2个阶 段，冰层是逐渐向中心推进的，这时由于靠 近池壁的水流流速相对中部的水流流速要小 些因此，结冰从靠近地壁部分开始逐渐向内扩展当冰盖尚未封闭,中部还有自由 水面时为半封闭阶段当冰层逐渐向闭合形 成了整体冰盖即为全封闭阶

5、段.半封闭阶段的冰盖是很薄的并冻结于池 壁上，冰层均''浮"于水面这种状态从结 构力学的角度，其内力和变形特点类似于单 向悬臂板因此，我们可以假定冰盖为弹性 固接于池壁上的单向悬臂板.为更好解决冰冻和冰胀压力问题，我们水） 特种结构to%年第13卷第2期 当水位上升时of流沉淀池由池底部来 冰板的自市端在水压（浮力）的作用下，产生向上变形，并随水位升高（浮于水面）而 破碎再逐渐降低到初始水位如将水位升 降周期的时间间隔撑握合适，则沉淀池水面 不可能形成整体冰盖初始的冰花可能在升 降的水中消融.由于某种特殊原因，水面冰层出现全封闭状态，冰和其它材料一样，在外力作用下，

6、同样产生弹性变形,塑性变形和脆性变形冰 体的变形过程与环境温度，加荷的速率，荷 载方向和时间等因素有关通过大量实测表 明，在集中或均布荷载等力作用下,冰体首 先出现瞬时弹性变形后相继出现塑性变形. 当作用力接近冰晶体结合力时发生蠕变，当 垂直剪力或弯矩等于或大于冰晶体的抗剪， 抗拉极限强度指标时冰层将迅速破坏. 冰盖与2侧池壁的冻结状态可以假定为 封闭式的冰盖为简支在混凝土池壁上的单向 板在地壁与冰盖的冻结处用于冰与混凝土 内孔隙水的冻结作用，形成混凝土与冰层有定连结力这种连结可假定为冰盖2端支 承即认为混凝土池壁为冰盖的较接支座. 在前面假定的基础上可以计算在水压的 作用下冰层达到破坏厚度.

7、辣的极限强度单位:(n/mm)表1gl符号f慨于体胄干拉伸 1rj070-1.0010.300.40剪切 1rc050o.bolo-150.30如水位周期上升最高为03m则作用在冰层底面所产生的最大压力为3kn/m.此 即为破冰的压力，也就是冰盖上的作用荷载 为3kn/m.如冰板计算跨度为10m的单跨 简支板宽度为lm时，则跨中弯矩m一 37500,_/mm,板端剪力一 15n/mm 按表1中2种冰温和强度的计算如下.1.冰体自身温度低于一 10c时按材料力学公式d 一 6m/bh:计算冰体 在弯矩作用下产生的应力当设定冰盖厚度 h 一 450mm吋,冰体所产生的应力值仍大于 其极限抗拉强度值

8、说明0.3m水头对厚度 450mm的冰层叩可使其弯曲破坏.26以最小抗剪切极限强度计算,450mm厚度冰层的抗剪切能力为225n/mm,该值远大于水压产生的剪力=15n/mm.计算表明冰体抗剪切能力为水压产生的剪切力的15倍.说明冰层不可能产生整体上浮，而只能产生弯曲破碎2冰体自身温度在一 10°c以上吋当冰温在一 10c上时,0.3m水头作 用在冰层上的压力可破冰厚度达700mm.产 生弯曲破坏此时的计算冰体拉应力为 0,46n/mm.仍大于冰体极限抗拉应力r 一 0.4n/mm.而冰体抗剪能力为105n/mm仍 远大于水压产生的剪力v. =15n/mm,因 此冰层的破坏同样是由弯

9、曲造成的 2种情况的计算表明0.3m的作用水头 可破冰的厚度在450mm700mm之闻同 时还表明当冰自身温度越高，在同样的水头 作用下其破冰能力越强为此，在采用水压 破冰时冬季运行中应尽量缩短水位升降周 期（以1小时为宜），延长降低冰体自身强度 的周期，从而尽可能地降低冰盖在形成过程 中+由于冻胀产生的作用在池壁上的压力总 之,其升降周期必须考虑冰盖的形成和厚度， 使池壁不会受到不能承受的冰胀压力，水面 上也不会产生过多的冰块堆积 通过上述的计算分析，表明平流沉淀池 采用提高水面水流，利用水压力破坏水面产 生的冰盖是可行的方案即使由于某些特 殊的原因，达到了全封闭冰盖的情况，只要 掌握好水位升降周期也能通过水压的作用破 碎冰盖从而尽可能地减少或消除冰盖对池 壁的冰胀压力.水流破冰方法可采用各种方案,不同的方