集水槽

隨著我國的經濟建設持續發展，對電力的需求不斷加大。國內火力發電廠百萬機組新建工程陸續增多，超大型自然通風冷卻塔逐漸受到火力發電相關專業人士的重視。根據國家節能減排、低碳經濟的要求，具有明顯節能、降噪優勢的高位水收水冷卻塔具有廣闊的應用前景，尤其是隨著高位收水冷卻塔逐步國產化后，其優勢更加明顯。高位收水冷卻塔不同於常規濕冷塔之處主要在於取消了常規濕冷卻塔底部的集水池和雨區，而在填料層底部直接採用高位收水裝置。

冷卻后的循環水經高位收水裝置“U”型槽匯入集水槽至循環水泵房進水間，再經過循環水泵升壓後送回主廠房循環冷卻使用。集水槽為地面式鋼筋混凝土結構，百萬機組的集水槽高度約在14 ～23 m 之間，沿冷卻塔徑向布置，與中央豎井相連。在正常運行情況下，其內全部盛滿循環冷卻水，其結構設計採用傳統的平面假定計算不能滿足集水槽結構設計安全經濟的要求。

以重慶地區某工程高位收水冷卻塔集水槽為例，介紹高位收水冷卻塔集水槽的結構形式及受力特點。重慶地區某工程冷卻塔採用高位收水冷卻塔，集水槽斷面尺寸(B×H)：5.6 ×14.0 m，其地基形式為樁基。

集水槽為地面式鋼筋混凝土結構，百萬機組集水槽的高度在14 ～23 m，根據高位收水冷卻塔淋水構架的柱網間距，沿集水槽縱向布置暗框架，暗框架頂樑上擱置單層配水槽，暗框架沿高度方向從上至下一定間距設置拉梁。暗框架與集水槽形成一個整體，共同受力。

集水槽主要承受集水槽內的內水壓力作用，其次是單層配水槽傳來的集中荷載及風荷載。內水壓力隨水深增加，壓力越大，在內水壓力作用下，集水槽壁板同時承受彎矩與拉力作用。採用傳統平面假定方法不易準確計算出集水槽壁板承受的拉力，且不能根據水壓力的特點進行變截面設計，同時忽略了暗框架與集水槽壁板作為一個整體，共同承受內水壓力。

對於暗框架而言，採用傳統平面假定計算，暗框架布置間距範圍的內水壓力全部由暗框架承受。由此計算計算出的暗框架結構尺寸偏大，忽略了集水槽側壁共同受力的作用，計算方法偏保守。不能達到優化設計，節省工程造價的目的。

對於集水槽的樁基布置，傳統的豎向荷載平均法計算出的樁數偏多，不易準確計算出樁承受的水平力。由集水槽結構形式及受力特點分析可以看出，集水槽各部分構件之間是相互協同作用，共同承受集水槽內水壓力及其他荷載。平面假定簡化計算只能顧此失彼，不能進行整體計算。因此，為準確真實地模擬集水槽結構整體受力的特性，滿足結構優化設計的目的，集水槽的結構設計有必要採用三維有限元整體分析計算。

2.1 有限元模型

以重慶地區某工程高位收水冷卻塔中央豎井左側集水槽進行有限元三維建模，進行有限元整體結構計算。集水槽底板、側壁採用Shell181 三維殼單元，暗框架柱、框架頂梁、拉梁，承台梁及灌注樁均採用Bea m188 三維梁單元。Shell181 及Bea m188 單元能很好地模擬集水槽各部分構件。同時，在後處理時能提取集水槽側壁、底板、暗框架柱及梁的彎矩、剪力及軸力，方便直接用於結構設計，進行配筋計算。三維模型中shell181 殼單元共有7342 個，Bea m188 梁單元共計782 個。

2.2 集水槽受力荷載及設計工況

集水槽為地面式鋼筋混凝土結構，位於高位收水冷卻塔收水裝置下。其所受荷載為：自重: 25 kN/m集水槽內水壓力: 為水深的線性函數，最大為140 kN/m風荷載：基本風壓：0.40 kPa集中荷載：單層配水槽傳來的集中荷載。集水槽內水壓力作為面荷載作用於集水槽側壁及底板，風荷載作為面荷載作用於集水槽側壁，單層配水槽傳來的集中荷載作用於集水槽暗框架頂樑上。

集水槽有限元分析時分三種工況設計:

工況1 ：集水槽修建完成後，未投入運行，僅受風荷載。

工況2：集水槽修建完成後，投入正常運行，不受風荷載。

工況3：集水槽修建完成後，投入正常運行，受風荷載。

內力分析中，取以上3 種工況中最不利組合進行結構設計。

2.3 集水槽壁板內力分析

在上述荷載及工礦組合下，採用ANSYS 有限元軟體進行靜力計算，通過後處理后便能對集水槽各部分構件進行內力分析及結構設計。集水槽內力分析可以分為集水槽壁板和暗框架( 包括暗框架柱、暗框架頂梁、拉梁及承台梁)。集水槽整體位移變形可以看出，集水槽暗框架在⑥軸線變形最大，集水槽壁板在①、②與⑤、⑥軸線之間變形最大。集水槽的最大變形約為14 mm。集水槽壁板內力分析取①、②軸線跨中(X=10.4 m)、⑤、⑥軸線跨中(X=43.2 m) 及沿集水槽高度方向(Z=5.0 m) 處進行內力分析。集水槽壁板豎向、水平向均同時承受拉力和彎矩。水平向所受拉力大於豎向，越靠近集水槽底部，水壓力越大，水平向所受約束也約大，所受的拉力越大，最大拉了為657 kN/m，彎矩最大約－267 kN · m/m。沿集水槽長度方向( 水 力及彎矩，為拉彎構件，承台梁的最大彎矩為平向)，暗框架柱類似於集水槽壁板的支座，集3077 kN · m，最大軸向拉力為1258 kN。水槽壁板的水平與豎向彎矩圖類似於連續梁，但與連續梁彎矩不同之處在於，集水槽壁板同時受拉力，且集水槽水平向的拉力遠大於豎向所受拉力。水平向最大彎矩為－258 kN · m/m，最大拉力為687 kN/m ；豎向最大彎矩為465 kN · m/m，最大拉力為113 kN/m。因此，集水槽壁板應按拉彎構件進行配筋計算。

(1)高位收水冷卻塔集水槽為地面式鋼筋混凝土結構。集水槽壁板和暗框架作為一個整體共同承受槽內水壓力、風荷載及單層配水槽傳來的集中荷載。採用傳統的平面假定計算方法難以準確計算出集水槽壁板所受拉力，進行變截面設計；不能對暗框架進行優化設計。

(2)通過有限元三維模擬計算分析可知，集水槽壁板豎向及水平向同時承受彎矩和拉力，應按拉彎構件進行結構設計；能準確計算出暗框架各構件所受的彎矩、拉力或壓力，對暗框架進行優化設計，減少集水槽混凝土工程量，節省工程造價。

(3)對於集水槽樁基而言，三維有限元模擬計算，能準確計算出每根樁的樁頂豎向力及水平力，進行樁基優化布置和選型設計。

(4)該工程#1 高位收水冷卻塔集水槽已經施工完畢，正在施工#2 高位收水冷卻塔集水槽地面以上部分，預計2014 年12 月投產運行。經現場施工單位及業主反映，集水槽施工過程順利，施工效果好。

二沉池是城市污水生物處理工藝中很重要的一個污水處理單元，其主要的作用是促進泥水、固液分離，同時提高迴流污泥、剩餘污泥濃度。二沉池設計和運行過程中的影響因素很多，如二沉池池型、進水形式、表面積、池深、集水槽處的溢流堰上負荷以及污水的溫度、污泥自身的沉降性能等等。就池型及構造而言，二沉池有輻流式、平流式、豎流式3種，池型有圓形、方形，而圓形輻流式二沉池是當前污水生物處理中最常見的一種形式。

二沉池集水槽是污水沉澱過程中泥水、固液分離的最後一道環節和工序，在實際的工程設計中，常見有3種布置形式: 內置雙側堰式、內置單側堰式、外置單側堰式。內置單側堰式、外置單側堰式均為單側堰進水，設計堰上負荷基本一致，從構造和水力條件來看，兩者沒有明顯的優劣之分。內置雙側堰式的集水槽因堰上負荷小、出水水質好而應用較多。但在最近的工程設計與應用中發現雙側堰進水集水槽主要存在2個現象:

( 1)集水槽兩側水質檢測時，內側水質優於外側。

( 2)因集水槽內平衡孔開孔過大使三角堰均勻集水作用降低。為此在泉州市水質凈化中心的大力幫助下，結合泉州寶洲污水處理廠二沉池運行時出現的問題和現象進行了試驗及分析。

寶洲污水處理廠一期規模為5萬m/d,現有直徑為45 m二沉池2座，採用中心進水周邊出水圓形輻流二沉池，二沉池集水槽一般靠近池壁約0. 4 m 處布置出水，出水採用雙側三角堰溢流出水。在實際運行中，可常觀察到一種現象: 靠近池壁的出水溢流堰一側，挾帶較多的活性污泥絮體雜質，而內側出水溢流堰的絮體雜質相對較少。內側溢流堰的出水優於外側溢流堰，調查福州、廈門等地污水處理廠中心進水周邊雙側堰出水二沉池的運行情況也與表1類似。另據國內外有關文獻資料介紹: 布置在距二沉池中心2 /3～3 /4半徑的環形集水槽，為澄清出水的位置，但該位置受結構形式的限制而難以實施。為進一步的分析並檢驗二沉池合理並的出水溢流位置，結合泉州市寶洲污水處理廠二沉池運行的實際情況，由泉州市水質凈化中心配合按距二沉池壁不同的距離取7點對水質時行了實測，離壁1 m 以外處出水水質明顯改善，出水水質較好的位置在離池壁2～3 m 處, 4 m 以上水質明顯變差。按一般的自由和絮凝沉澱理論，對於中心進水周邊出水的沉澱池來說，離中心筒越近，則停留時間越短，水質越差。但實測結果表明池壁處並不一定是出水水質的位置，這一問題和現象的出現理論上還沒有更好的解釋，初步分析其中原因，應該是由於二沉池異重流的影響，密度和體積較小的絮體雜質因池壁的阻擋，其流態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範圍內，離池壁越近，出水越差。結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 m )的實際情況, 由於原設計堰上負荷較低為1. 4 L /( s·m) ,即使採用單側堰出水堰上負荷也只有2. 8 L /( s·m ) , 符合新編排水設計手冊提出的1. 5～2. 9 L /( s·m )的要求，因此在不受規定的設計堰上負荷影響的前提下，嘗試提出了封閉外側堰板，改進出水條件的設想，以檢驗實際效果。為使測試數據具有可比性，針對廠區2座二沉池中的1號池的外側堰進行封閉，運行中保持二座二沉池荷一致，實測1號池、2號池的出水水質見表3。結果表明1號池水質優於2號池，且雙側堰離池壁較近時，雖然堰上負荷降低了1倍，在一定的堰上負荷範圍內出水水質也不如單側堰。從前述的幾種堰上溢流方式實測數據來看，在現有規範要求的設計水力負荷條件下，可以認為外置單側堰出水是一種較差的溢流出水方式 ,設計中應盡量避免採用 ,內置單側堰和雙側堰出水則應在滿足結構的條件和要求下 ,與池壁保持一定的距離 ,不宜設在靠近池壁較近處。

一般的二沉池和集水槽較多地採用玻璃鋼或不鏽鋼材料 ,為減少浮力對這類集水槽產生的影響 ,集水槽應設平衡孔。泉州寶洲污水處理廠一期規模為5.0萬 m3 /d, K總 = 1. 3,現有 2座圓形輻流二沉池即採用了不鏽鋼材料做集水槽和三角堰板 ,集水槽採用雙側集水環行集水槽 ,環行槽每 4. 5°開一個平衡孔 ,孔徑為 40 mm,共 80孔。實際運行過程中沉澱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。為解決平衡孔開設影響三角堰均勻溢流出水的問題 ,結合泉州寶洲污水處理廠二沉池平衡孔的開設方式 ,平衡孔的水量可按薄壁小孔口淹沒出流公式進行計算 ,平衡孔對三角堰進水的影響按 5% 以內考慮 ,則計算平衡孔孔徑經推導計算表達式可寫為nd2 = 0. 023 2K總 Q / h1 /2 ( 2) 式中 , n 為平衡孔數; d 為平衡孔孔徑 ( m ); K總為污水總變化係數; Q 為單座二沉池設計污水量 ( m3 /s)。按給水澄清池環行集水槽計算公式計算得出堰上水頭為 0. 03 m ,跌水頭為 0. 07 m , h 值按經驗取值為 0. 1 m。結合寶洲污水處理廠二沉池工程實例，經計算孔徑值為 19 mm。而該項工程開孔為 40 mm ,可以看出與計算值的明顯差異 ,成為導致沉澱后的出水大部分直接從底部平衡孔流出 ,設計均勻分佈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象 ,主要的措施只能是減少平衡孔數。按式 ( 2)計算 ,平衡孔數只有17個。為此本項工程在實際的運行中的平衡孔現已減少了 60個 ,其配水的均勻性及出水水質均得到了較大的改善。

出水堰槽的設置方式及位置在現行設計水力負荷和停留時間下是影響出水水質的一個主要因素 , 上述試驗數據雖然進一步驗證了由污水處理廠運行維護與管理等相關文章提出的圓形中心進水二沉池出水水質位置不在靠近池壁處這一現象 ,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。在工程應用中 ,為確保沉澱效果和出水水質 ,設計除依照規範儘可能減少堰上負荷外 ,還必須避免堰的設置位置不當對出水帶來的影響 ,應避免採用外置單側堰方式出水; 二沉池出水設計為內置雙側堰出水時 ,也宜設計離池壁 2～ 3 m處。另外二沉池出水堰槽設計平衡孔時 ,也應在設計中選擇適當的計算方法確定 ,使二沉池出水槽和溢流堰處在合理的運行狀態。