集水槽是一種用來均勻收集溢面清水的設(shè)備，通常應(yīng)用于沉淀池的出水端。它可以通過條形孔式或鋸齒式來實(shí)現(xiàn)水流的均勻分配。集水槽的槽體采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼板制成，經(jīng)過大型數(shù)控設(shè)備的剪切、冷沖和焊接等加工工藝，具備高強(qiáng)度、高精度、耐腐蝕、外形美觀、使用壽命長以及安裝簡便等特點(diǎn)。
形狀特征
集水槽的形狀特征包括其結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn)。在重慶地區(qū)的某個工程中，高位收水冷卻塔的集水槽被用作例子，展示了這種集水槽的具體形態(tài)及其力學(xué)特性。該集水槽的地基采用樁基形式，其斷面尺寸為5.6米乘14.0米。集水槽為地面式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，高度在14至23米之間，沿著冷卻塔的徑向布置并與中央豎井相連。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，集水槽內(nèi)部會充滿循環(huán)冷卻水。然而，傳統(tǒng)的平面假定計(jì)算方法無法滿足集水槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性需求。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
概述
隨著中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和電力需求的增長，國內(nèi)火力發(fā)電廠百萬機(jī)組的新建項(xiàng)目不斷增加，超大型自然通風(fēng)冷卻塔受到了廣泛關(guān)注。為了響應(yīng)國家節(jié)能減排和低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展目標(biāo)，具有顯著節(jié)能和降噪優(yōu)勢的高位水收水冷卻塔具有廣闊的市場前景。特別是隨著高位收水冷卻塔的逐步國產(chǎn)化，其優(yōu)勢更為突出。高位收水冷卻塔與常規(guī)濕冷塔的主要區(qū)別在于取消了底部的集水池和雨區(qū)，轉(zhuǎn)而在填料層底部采用高位收水裝置。冷卻后的循環(huán)水通過高位收水裝置的“U”型槽流入集水槽，然后進(jìn)入循環(huán)水泵房的進(jìn)水間，最終通過循環(huán)水泵加壓返回主廠房進(jìn)行循環(huán)冷卻。
結(jié)構(gòu)形式及受力特點(diǎn)
以重慶市某工程的高位收水冷卻塔集水槽為例，介紹了此類集水槽的結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn)。該工程采用的是高位收水冷卻塔，集水槽的斷面尺寸為5.6米乘14.0米，地基采用樁基形式。集水槽為地面式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，百萬機(jī)組集水槽的高度在14至23米之間。根據(jù)高位收水冷卻塔淋水構(gòu)架的柱網(wǎng)間距，集水槽縱向布置暗框架，暗框架頂梁上放置單層配水槽，暗框架沿高度方向間隔設(shè)置拉梁。暗框架與集水槽構(gòu)成一個整體，共同承擔(dān)荷載。集水槽主要承受來自集水槽內(nèi)部的水壓力，其次是單層配水槽傳遞的集中荷載和風(fēng)荷載。水壓力隨水深增大而增大，在水壓力作用下，集水槽壁板同時承受彎曲應(yīng)力和拉伸應(yīng)力。采用傳統(tǒng)平面假定方法難以精確計(jì)算集水槽壁板承受的拉伸應(yīng)力，也無法根據(jù)水壓力的特點(diǎn)進(jìn)行變截面設(shè)計(jì)，同時還忽視了暗框架與集水槽壁板作為一個整體共同承受水壓力的情況。對于暗框架而言，采用傳統(tǒng)平面假定計(jì)算，暗框架布置間距范圍內(nèi)的水壓力均由暗框架承擔(dān)。這會導(dǎo)致暗框架結(jié)構(gòu)尺寸過大，忽略了集水槽側(cè)壁共同受力的作用，計(jì)算方法過于保守，不利于優(yōu)化設(shè)計(jì)和節(jié)約工程成本。對于集水槽的樁基布置，傳統(tǒng)的豎向荷載平均法計(jì)算出的樁數(shù)過多，難以準(zhǔn)確計(jì)算樁承受的水平力。通過對集水槽結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn)的分析可以看出，集水槽各個組成部分相互協(xié)作，共同承受集水槽內(nèi)部的水壓力和其他荷載。平面假定簡化計(jì)算只能顧此失彼，無法進(jìn)行全面計(jì)算。因此，為了真實(shí)準(zhǔn)確地模擬集水槽結(jié)構(gòu)的整體受力特性，滿足結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)，集水槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要采用三維有限元整體分析計(jì)算。
有限元仿真計(jì)算
有限元模型
利用重慶市地區(qū)某工程高位收水冷卻塔中央豎井左側(cè)集水槽的數(shù)據(jù)，建立了有限元三維模型，進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)計(jì)算。集水槽底板、側(cè)壁采用Shell181三維殼單元，暗框架柱、框架頂梁、拉梁、承臺梁及灌注樁均采用Beam188三維梁單元。這些單元能夠良好地模擬集水槽的各個組成部分。在后處理階段，可以提取集水槽側(cè)壁、底板、暗框架柱及梁的彎矩、剪力及軸力，便于直接用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和配筋計(jì)算。三維模型中共有7342個Shell181殼單元和782個Beam188梁單元。
集水槽受力荷載及設(shè)計(jì)工況
集水槽為地面式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，位于高位收水冷卻塔收水裝置下方。其所受荷載包括自身重量、集水槽內(nèi)部的水壓力、風(fēng)荷載以及單層配水槽傳遞的集中荷載。集水槽內(nèi)部的水壓力作為面荷載作用于集水槽側(cè)壁及底板，風(fēng)荷載同樣作為面荷載作用于集水槽側(cè)壁，而單層配水槽傳遞的集中荷載則作用于集水槽暗框架頂梁上。集水槽有限元分析時分為三種工況設(shè)計(jì)：工況1為集水槽建成后未投入使用，僅受風(fēng)荷載；工況2為集水槽建成并正常運(yùn)行，不受風(fēng)荷載；工況3為集水槽建成并正常運(yùn)行，受風(fēng)荷載。在內(nèi)力分析中，選取以上三種工況中最不利的組合進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
集水槽壁板內(nèi)力分析
在上述荷載和工況組合下，采用ansys有限元軟件進(jìn)行靜力計(jì)算，通過后處理可以對集水槽的各個組成部分進(jìn)行內(nèi)力分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。集水槽的內(nèi)力分析可分為集水槽壁板和暗框架（包括暗框架柱、暗框架頂梁、拉梁及承臺梁）。集水槽的整體位移變形顯示，集水槽暗框架在第6軸線上變形最大，集水槽壁板在第1、2軸線與第5、6軸線之間的變形最大。集水槽的最大變形約為14毫米。集水槽壁板在橫向和縱向均同時承受拉伸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力。橫向所受拉伸應(yīng)力大于縱向，越接近集水槽底部，水壓力越大，橫向所受約束也越大，所受的拉伸應(yīng)力也就越大，最大拉伸應(yīng)力為657千牛/米，彎曲應(yīng)力最大約為-267千牛·米/米。沿集水槽長度方向（水動力及彎曲應(yīng)力），暗框架柱類似于集水槽壁板的支座，集水槽壁板的橫向與縱向彎曲應(yīng)力圖類似于連續(xù)梁，但與連續(xù)梁彎曲應(yīng)力的不同之處在于，集水槽壁板同時受拉伸應(yīng)力作用，且集水槽橫向的拉伸應(yīng)力遠(yuǎn)大于縱向所受拉伸應(yīng)力。橫向最大彎曲應(yīng)力為-258千牛·米/米，最大拉伸應(yīng)力為687千牛/米；縱向最大彎曲應(yīng)力為465千牛·米/米，最大拉伸應(yīng)力為113千牛/米。因此，集水槽壁板應(yīng)按照拉彎構(gòu)件進(jìn)行配筋計(jì)算。
結(jié)論
（1）高位收水冷卻塔集水槽為地面式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。集水槽壁板和暗框架作為一個整體共同承受槽內(nèi)水壓力、風(fēng)荷載及單層配水槽傳來的集中荷載。采用傳統(tǒng)的平面假定計(jì)算方法難以準(zhǔn)確計(jì)算出集水槽壁板所受拉力，進(jìn)行變截面設(shè)計(jì)；不能對暗框架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。（2）通過有限元三維仿真計(jì)算分析可知，集水槽壁板豎向及水平向同時承受彎矩和拉力，應(yīng)按拉彎構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；能準(zhǔn)確計(jì)算出暗框架各構(gòu)件所受的彎矩、拉力或壓力，對暗框架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少集水槽混凝土工程量，節(jié)省工程造價。（3）對于集水槽樁基而言，三維有限元仿真計(jì)算，能準(zhǔn)確計(jì)算出每根樁的樁頂豎向力及水平力，進(jìn)行樁基優(yōu)化布置和選型設(shè)計(jì)。（4）該工程#1高位收水冷卻塔集水槽已經(jīng)施工完畢，正在施工#2高位收水冷卻塔集水槽地面以上部分，預(yù)計(jì)2014年12月投產(chǎn)運(yùn)行。經(jīng)現(xiàn)場施工單位及業(yè)主反映，集水槽施工過程順利，施工效果好。
設(shè)計(jì)問題分析
概述
二沉池是城市污水生物處理工藝中重要的污水處理單元，其主要功能是促進(jìn)泥水、固液分離，同時提高回流污泥、剩余污泥的濃度。二沉池的設(shè)計(jì)和運(yùn)行受到多種因素的影響，如池型、進(jìn)水形式、表面積、池深、集水槽處的溢流堰上負(fù)荷以及污水溫度、污泥沉降性能等。就池型及構(gòu)造而言，二沉池有輻流式、平流式、豎流式等多種類型，池型也有圓形、方形等，而圓形輻流式二沉池是目前污水生物處理中最常見的形式之一。
集水槽的布置形式及存在問題
二沉池集水槽是污水沉淀過程中泥水、固液分離的最后一道環(huán)節(jié)和工序，在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，常見有內(nèi)置雙側(cè)堰式、內(nèi)置單側(cè)堰式、外置單側(cè)堰式三種布置形式。內(nèi)置單側(cè)堰式、外置單側(cè)堰式均為單側(cè)堰進(jìn)水，設(shè)計(jì)堰上負(fù)荷基本一致，從構(gòu)造和水力條件來看，兩者沒有明顯的優(yōu)劣之分。內(nèi)置雙側(cè)堰式的集水槽因堰上負(fù)荷小、出水水質(zhì)好而應(yīng)用較多。但在最近的工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)雙側(cè)堰進(jìn)水集水槽主要存在兩個現(xiàn)象：（1）集水槽兩側(cè)水質(zhì)檢測時，內(nèi)側(cè)水質(zhì)優(yōu)于外側(cè)。（2）因集水槽內(nèi)平衡孔開孔過大使三角堰均勻集水作用降低。為此在泉州市水質(zhì)凈化中心的幫助下，結(jié)合泉州寶洲污水處理廠二沉池運(yùn)行時出現(xiàn)的問題和現(xiàn)象進(jìn)行了試驗(yàn)及分析。
三角堰的設(shè)置位置對水質(zhì)的影響分析
寶洲污水處理廠一期規(guī)模為5萬立方米/天，現(xiàn)有直徑為45米的二沉池兩座，采用中心進(jìn)水周邊出水的圓形輻流二沉池，二沉池集水槽一般靠近池壁約0.4米處布置出水，出水采用雙側(cè)三角堰溢流出水。在實(shí)際運(yùn)行中，經(jīng)常觀察到一種現(xiàn)象：靠近池壁的出水溢流堰一側(cè)，挾帶較多的活性污泥絮體雜質(zhì)，而內(nèi)側(cè)出水溢流堰的絮體雜質(zhì)相對較少。內(nèi)側(cè)溢流堰的出水優(yōu)于外側(cè)溢流堰，調(diào)查福州市、廈門市等地污水處理廠中心進(jìn)水周邊雙側(cè)堰出水二沉池的運(yùn)行情況也與表1類似。另據(jù)國內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)資料介紹：布置在距二沉池中心2/3至3/4半徑的環(huán)形集水槽，為澄清出水的位置，但該位置受結(jié)構(gòu)形式的限制而難以實(shí)施。為進(jìn)一步的分析并檢驗(yàn)二沉池合理并的出水溢流位置，結(jié)合泉州市寶洲污水處理廠二沉池運(yùn)行的實(shí)際情況，由泉州市水質(zhì)凈化中心配合按距二沉池壁不同的距離取七點(diǎn)對水質(zhì)進(jìn)行了實(shí)測，離壁一米以外處出水水質(zhì)明顯改善，出水水質(zhì)較好的位置在離池壁2至3米處，四米以上水質(zhì)明顯變差。按一般的自由和絮凝沉淀理論，對于中心進(jìn)水周邊出水的沉淀池來說，離中心筒越近，則停留時間越短，水質(zhì)越差。但實(shí)測結(jié)果表明池壁處并不一定是出水水質(zhì)的位置，這一問題和現(xiàn)象的出現(xiàn)理論上還沒有更好的解釋，初步分析其中原因，可能是由于二沉池異重流的影響，密度和體積較小的絮體雜質(zhì)因池壁的阻擋，其流態(tài)沿池壁上升到池表面，在離開池壁一段距離后又沉至池表面以下，因此在靠近池壁一定的范圍內(nèi)，離池壁越近，出水越差。結(jié)合寶洲污水處理廠二沉池出水溢流堰距離池壁較近（為0.4米）的實(shí)際情況，由于原設(shè)計(jì)堰上負(fù)荷較低為1.4升/秒·米，即使采用單側(cè)堰出水堰上負(fù)荷也只有2.8升/秒·米，符合新編排水設(shè)計(jì)手冊提出的1.5至2.9升/秒·米的要求，因此在不受規(guī)定的設(shè)計(jì)堰上負(fù)荷影響的前提下，嘗試提出了封閉外側(cè)堰板，改進(jìn)出水條件的設(shè)想，以檢驗(yàn)實(shí)際效果。為使測試數(shù)據(jù)具有可比性，針對廠區(qū)兩座二沉池中的1號池的外側(cè)堰進(jìn)行封閉，運(yùn)行中保持兩座二沉池荷一致，實(shí)測1號池、2號池的出水水質(zhì)見表3。結(jié)果表明1號池水質(zhì)優(yōu)于2號池，且雙側(cè)堰離池壁較近時，雖然堰上負(fù)荷降低了1倍，在一定的堰上負(fù)荷范圍內(nèi)出水水質(zhì)也不如單側(cè)堰。從前述的幾種堰上溢流方式實(shí)測數(shù)據(jù)來看，在現(xiàn)有規(guī)范要求的設(shè)計(jì)水力負(fù)荷條件下，可以認(rèn)為外置單側(cè)堰出水是一種較差的溢流出水方式，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免采用，內(nèi)置單側(cè)堰和雙側(cè)堰出水則應(yīng)在滿足結(jié)構(gòu)的條件和要求下，與池壁保持一定的距離，不宜設(shè)在靠近池壁較近處。
平衡孔對三角堰均勻集水的影響分析
一般的二沉池和集水槽較多地采用玻璃鋼或不銹鋼材料，為減少浮力對這類集水槽產(chǎn)生的影響，集水槽應(yīng)設(shè)平衡孔。泉州寶洲污水處理廠一期規(guī)模為五萬立方米/天，K總等于1.3，現(xiàn)有兩座圓形輻流二沉池即采用了不銹鋼材料做集水槽和三角堰板，集水槽采用雙側(cè)集水環(huán)行集水槽，環(huán)行槽每4.5度開一個平衡孔，孔徑為40毫米，共八十孔。實(shí)際運(yùn)行過程中沉淀后出水很大比例均從平衡孔中冒出，三角溢流堰出水較少從而影響出水水質(zhì)。為解決平衡孔開設(shè)影響三角堰均勻溢流出水的問題，結(jié)合泉州寶洲污水處理廠二沉池平衡孔的開設(shè)方式，平衡孔的水量可按薄壁小孔口淹沒出流公式進(jìn)行計(jì)算，平衡孔對三角堰進(jìn)水的影響按5%以內(nèi)考慮，則計(jì)算平衡孔孔徑經(jīng)推導(dǎo)計(jì)算表達(dá)式可寫為nd2=0.0232K總Q/h1/2（2）式中，n為平衡孔數(shù)；d為平衡孔孔徑（米）；K總為污水總變化系數(shù)；Q為單座二沉池設(shè)計(jì)污水量（立方米/秒）。按給水澄清池環(huán)行集水槽計(jì)算公式計(jì)算得出堰上水頭為0.03米，跌水頭為0.07米，h值按經(jīng)驗(yàn)取值為0.1米。結(jié)合寶洲污水處理廠二沉池工程實(shí)例，經(jīng)計(jì)算孔徑值為19毫米。而該項(xiàng)工程開孔為40毫米，可以看出與計(jì)算值的明顯差異，成為導(dǎo)致沉淀后的出水大部分直接從底部平衡孔流出，設(shè)計(jì)均勻分布的三角堰作用降低的根本原因。為解決三角堰不能均勻集水的現(xiàn)象，主要的措施只能是減少平衡孔數(shù)。按式（2）計(jì)算，平衡孔數(shù)只有十七個。為此本項(xiàng)工程在實(shí)際的運(yùn)行中的平衡孔現(xiàn)已減少了六十個，其配水的均勻性及出水水質(zhì)均得到了較大的改善。
結(jié)語
出水堰槽的設(shè)置方式及位置在現(xiàn)行設(shè)計(jì)水力負(fù)荷和停留時間下是影響出水水質(zhì)的一個主要因素，上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)雖然進(jìn)一步驗(yàn)證了由污水處理廠運(yùn)行維護(hù)與管理等相關(guān)文章提出的圓形中心進(jìn)水二沉池出水水質(zhì)位置不在靠近池壁處這一現(xiàn)象，但理論上還沒有較全面的解釋和分析，仍然有深入研究的必要。在工程應(yīng)用中，為確保沉淀效果和出水水質(zhì)，設(shè)計(jì)除依照規(guī)范盡可能減少堰上負(fù)荷外，還必須避免堰的設(shè)置位置不當(dāng)對出水帶來的影響，應(yīng)避免采用外置單側(cè)堰方式出水；二沉池出水設(shè)計(jì)為內(nèi)置雙側(cè)堰出水時，也宜設(shè)計(jì)離池壁2至3米處。另外二沉池出水堰槽設(shè)計(jì)平衡孔時，也應(yīng)在設(shè)計(jì)中選擇適當(dāng)?shù)挠?jì)算方法確定，使二沉池出水槽和溢流堰處在合理的運(yùn)行狀態(tài)。
參考資料 >
用于污水處理的集水槽.污水處理工程網(wǎng).2024-08-19
沉淀池集水槽的制作方法.X技術(shù).2024-08-19
集水槽的用途及構(gòu)造.環(huán)保在線.2024-08-19