水厂平流沉淀池压力水流破冰方案设计

1、【doc】水厂平流沉淀池压力水流破冰方案设计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.二堡一币f）/.2-0'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l程的某些构筑物威胁和砬蛛是相当严重的,聘对砼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,为此要投入大量的资金.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砬碎冰盖并进而消跨冰载.采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,

2、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采用各种各样.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大的构筑物，平面尺寸大都长达百m且池体也相对较高，采用围护

3、性房屋保温的方案时使得基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El式水池的荷载只计入静水压力和静冰压力2项;池内水深4.5rn.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

4、面时属无压流,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段.半封闭阶

5、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t0%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由端在水压（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,同样产生弹性变形,塑性变形和脆性变形.

6、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一定连结力.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铰接支座.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.辣的极限强度单位:（N/mm）表1gl符号f慨于体胄干

7、拉伸lRJ070,1.00l0.30,0.40剪切lRc050,0.B0lo-15,0.30如水位周期上升最高为0.3m.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1m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d6M/Bh:计算冰体在弯矩作用下产生的应力.当设定冰盖厚度h450mm寸，冰体所产生的应力值仍大于其极限抗拉强度值说明0.3m水头对厚度450mm的冰层即可使其弯曲破坏.26以最小抗剪切极限

8、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?以上时当冰温在一10C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R0.4N/mm.而冰体抗剪能力为105N/mm0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闻.同时还表明当冰自身温度越高，在

9、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,不同的方案有不同的经济消费.针对