集水槽

用来均匀收集溢面清水的设备

集水槽是用来均匀收集溢面清水的设备，主要用于沉淀池的出水端，常采用条形孔式或锯齿式。特点：集水槽槽体采用优质不锈钢板经大型数控设备剪切、冷冲、焊接而成。具有高强度，高精度，耐腐蚀，外形美观，使用寿命长，安装简便等特点。

集水槽结构设计

内容简介

随着我国的经济建设持续发展，对电力的需求不断加大。国内火力发电厂百万机组新建工程陆续增多，超大型自然通风冷却塔逐渐受到火力发电相关专业人士的重视。根据国家节能减排、低碳经济的要求，具有明显节能、降噪优势的高位水收水冷却塔具有广阔的应用前景，尤其是随着高位收水冷却塔逐步国产化后，其优势更加明显。高位收水冷却塔不同于常规湿冷塔之处主要在于取消了常规湿冷却塔底部的集水池和雨区，而在填料层底部直接采用高位收水装置。

冷却后的循环水经高位收水装置“U”型槽汇入集水槽至循环水泵房进水间，再经过循环水泵升压后送回主厂房循环冷却使用。集水槽为地面式钢筋混凝土结构，百万机组的集水槽高度约在14 ～23 m 之间，沿冷却塔径向布置，与中央竖井相连。在正常运行情况下，其内全部盛满循环冷却水，其结构设计采用传统的平面假定计算不能满足集水槽结构设计安全经济的要求。

1集水槽结构形式及受力特点

以重庆地区某工程高位收水冷却塔集水槽为例，介绍高位收水冷却塔集水槽的结构形式及受力特点。重庆地区某工程冷却塔采用高位收水冷却塔，集水槽断面尺寸(B×H)：5.6 ×14.0 m，其地基形式为桩基。

集水槽为地面式钢筋混凝土结构，百万机组集水槽的高度在14 ～23 m，根据高位收水冷却塔淋水构架的柱网间距，沿集水槽纵向布置暗框架，暗框架顶梁上搁置单层配水槽，暗框架沿高度方向从上至下一定间距设置拉梁。暗框架与集水槽形成一个整体，共同受力。

集水槽主要承受集水槽内的内水压力作用，其次是单层配水槽传来的集中荷载及风荷载。内水压力随水深增加，压力越大，在内水压力作用下，集水槽壁板同时承受弯矩与拉力作用。采用传统平面假定方法不易准确计算出集水槽壁板承受的拉力，且不能根据水压力的特点进行变截面设计，同时忽略了暗框架与集水槽壁板作为一个整体，共同承受内水压力。

对于暗框架而言，采用传统平面假定计算，暗框架布置间距范围的内水压力全部由暗框架承受。由此计算计算出的暗框架结构尺寸偏大，忽略了集水槽侧壁共同受力的作用，计算方法偏保守。不能达到优化设计，节省工程造价的目的。

对于集水槽的桩基布置，传统的竖向荷载平均法计算出的桩数偏多，不易准确计算出桩承受的水平力。由集水槽结构形式及受力特点分析可以看出，集水槽各部分构件之间是相互协同作用，共同承受集水槽内水压力及其他荷载。平面假定简化计算只能顾此失彼，不能进行整体计算。因此，为准确真实地模拟集水槽结构整体受力的特性，满足结构优化设计的目的，集水槽的结构设计有必要采用三维有限元整体分析计算。

2集水槽有限元仿真计算

2.1 有限元模型

以重庆地区某工程高位收水冷却塔中央竖井左侧集水槽进行有限元三维建模，进行有限元整体结构计算。集水槽底板、侧壁采用Shell181 三维壳单元，暗框架柱、框架顶梁、拉梁，承台梁及灌注桩均采用Bea m188 三维梁单元。Shell181 及Bea m188 单元能很好地模拟集水槽各部分构件。同时，在后处理时能提取集水槽侧壁、底板、暗框架柱及梁的弯矩、剪力及轴力，方便直接用于结构设计，进行配筋计算。三维模型中shell181 壳单元共有7342 个，Bea m188 梁单元共计782 个。

2.2 集水槽受力荷载及设计工况

集水槽为地面式钢筋混凝土结构，位于高位收水冷却塔收水装置下。其所受荷载为：自重: 25 kN/m集水槽内水压力: 为水深的线性函数，最大为140 kN/m风荷载：基本风压：0.40 kPa集中荷载：单层配水槽传来的集中荷载。集水槽内水压力作为面荷载作用于集水槽侧壁及底板，风荷载作为面荷载作用于集水槽侧壁，单层配水槽传来的集中荷载作用于集水槽暗框架顶梁上。

集水槽有限元分析时分三种工况设计:

工况1 ：集水槽修建完成后，未投入运行，仅受风荷载。

工况2：集水槽修建完成后，投入正常运行，不受风荷载。

工况3：集水槽修建完成后，投入正常运行，受风荷载。

内力分析中，取以上3 种工况中最不利组合进行结构设计。

2.3 集水槽壁板内力分析

在上述荷载及工矿组合下，采用ANSYS 有限元软件进行静力计算，通过后处理后便能对集水槽各部分构件进行内力分析及结构设计。集水槽内力分析可以分为集水槽壁板和暗框架( 包括暗框架柱、暗框架顶梁、拉梁及承台梁)。集水槽整体位移变形可以看出，集水槽暗框架在⑥轴线变形最大，集水槽壁板在①、②与⑤、⑥轴线之间变形最大。集水槽的最大变形约为14 mm。集水槽壁板内力分析取①、②轴线跨中(X=10.4 m)、⑤、⑥轴线跨中(X=43.2 m) 及沿集水槽高度方向(Z=5.0 m) 处进行内力分析。集水槽壁板竖向、水平向均同时承受拉力和弯矩。水平向所受拉力大于竖向，越靠近集水槽底部，水压力越大，水平向所受约束也约大，所受的拉力越大，最大拉了为657 kN/m，弯矩最大约－267 kN · m/m。沿集水槽长度方向( 水力及弯矩，为拉弯构件，承台梁的最大弯矩为平向)，暗框架柱类似于集水槽壁板的支座，集3077 kN · m，最大轴向拉力为1258 kN。水槽壁板的水平与竖向弯矩图类似于连续梁，但与连续梁弯矩不同之处在于，集水槽壁板同时受拉力，且集水槽水平向的拉力远大于竖向所受拉力。水平向最大弯矩为－258 kN · m/m，最大拉力为687 kN/m ；竖向最大弯矩为465 kN · m/m，最大拉力为113 kN/m。因此，集水槽壁板应按拉弯构件进行配筋计算。

3结论

(1)高位收水冷却塔集水槽为地面式钢筋混凝土结构。集水槽壁板和暗框架作为一个整体共同承受槽内水压力、风荷载及单层配水槽传来的集中荷载。采用传统的平面假定计算方法难以准确计算出集水槽壁板所受拉力，进行变截面设计；不能对暗框架进行优化设计。

(2)通过有限元三维仿真计算分析可知，集水槽壁板竖向及水平向同时承受弯矩和拉力，应按拉弯构件进行结构设计；能准确计算出暗框架各构件所受的弯矩、拉力或压力，对暗框架进行优化设计，减少集水槽混凝土工程量，节省工程造价。

(3)对于集水槽桩基而言，三维有限元仿真计算，能准确计算出每根桩的桩顶竖向力及水平力，进行桩基优化布置和选型设计。

(4)该工程#1 高位收水冷却塔集水槽已经施工完毕，正在施工#2 高位收水冷却塔集水槽地面以上部分，预计2014 年12 月投产运行。经现场施工单位及业主反映，集水槽施工过程顺利，施工效果好。

集水槽设计存在的问题分析

概述

二沉池是城市污水生物处理工艺中很重要的一个污水处理单元,其主要的作用是促进泥水、固液分离,同时提高回流污泥、剩余污泥浓度。二沉池设计和运行过程中的影响因素很多,如二沉池池型、进水形式、表面积、池深、集水槽处的溢流堰上负荷以及污水的温度、污泥自身的沉降性能等等。就池型及构造而言,二沉池有辐流式、平流式、竖流式3种,池型有圆形、方形,而圆形辐流式二沉池是当前污水生物处理中最常见的一种形式。

1 集水槽的布置形式及存在问题

二沉池集水槽是污水沉淀过程中泥水、固液分离的最后一道环节和工序,在实际的工程设计中,常见有3种布置形式: 内置双侧堰式、内置单侧堰式、外置单侧堰式。内置单侧堰式、外置单侧堰式均为单侧堰进水,设计堰上负荷基本一致,从构造和水力条件来看,两者没有明显的优劣之分。内置双侧堰式的集水槽因堰上负荷小、出水水质好而应用较多。但在最近的工程设计与应用中发现双侧堰进水集水槽主要存在2个现象:

( 1)集水槽两侧水质检测时,内侧水质优于外侧。

( 2)因集水槽内平衡孔开孔过大使三角堰均匀集水作用降低。为此在泉州市水质净化中心的大力帮助下,结合泉州宝洲污水处理厂二沉池运行时出现的问题和现象进行了试验及分析。

2集水槽三角堰的设置位置对水质的影响分析

宝洲污水处理厂一期规模为5万m/d,现有直径为45 m二沉池2座,采用中心进水周边出水圆形辐流二沉池,二沉池集水槽一般靠近池壁约0. 4 m 处布置出水,出水采用双侧三角堰溢流出水。在实际运行中,可常观察到一种现象: 靠近池壁的出水溢流堰一侧,挟带较多的活性污泥絮体杂质,而内侧出水溢流堰的絮体杂质相对较少。内侧溢流堰的出水优于外侧溢流堰,调查福州、厦门等地污水处理厂中心进水周边双侧堰出水二沉池的运行情况也与表1类似。另据国内外有关文献资料介绍: 布置在距二沉池中心2 /3～3 /4半径的环形集水槽,为澄清出水的位置,但该位置受结构形式的限制而难以实施。为进一步的分析并检验二沉池合理并的出水溢流位置,结合泉州市宝洲污水处理厂二沉池运行的实际情况,由泉州市水质净化中心配合按距二沉池壁不同的距离取7点对水质时行了实测,离壁1 m 以外处出水水质明显改善,出水水质较好的位置在离池壁2～3 m 处, 4 m 以上水质明显变差。按一般的自由和絮凝沉淀理论,对于中心进水周边出水的沉淀池来说,离中心筒越近,则停留时间越短,水质越差。但实测结果表明池壁处并不一定是出水水质的位置,这一问题和现象的出现理论上还没有更好的解释,初步分析其中原因,应该是由于二沉池异重流的影响,密度和体积较小的絮体杂质因池壁的阻挡,其流态沿池壁上升到池表面,在离开池壁一段距离后又沉至池表面以下,因此在靠近池壁一定的范围内,离池壁越近,出水越差。结合宝洲污水处理厂二沉池出水溢流堰距离池壁较近(为0. 4 m )的实际情况, 由于原设计堰上负荷较低为1. 4 L /( s·m) ,即使采用单侧堰出水堰上负荷也只有2. 8 L /( s·m ) , 符合新编排水设计手册提出的1. 5～2. 9 L /( s·m )的要求,因此在不受规定的设计堰上负荷影响的前提下,尝试提出了封闭外侧堰板,改进出水条件的设想,以检验实际效果。为使测试数据具有可比性,针对厂区2座二沉池中的1号池的外侧堰进行封闭,运行中保持二座二沉池荷一致,实测1号池、2号池的出水水质见表3。结果表明1号池水质优于2号池,且双侧堰离池壁较近时,虽然堰上负荷降低了1倍,在一定的堰上负荷范围内出水水质也不如单侧堰。从前述的几种堰上溢流方式实测数据来看,在现有规范要求的设计水力负荷条件下,可以认为外置单侧堰出水是一种较差的溢流出水方式 ,设计中应尽量避免采用 ,内置单侧堰和双侧堰出水则应在满足结构的条件和要求下 ,与池壁保持一定的距离 ,不宜设在靠近池壁较近处。

集水槽平衡孔对三角堰均匀集水的影响分析

一般的二沉池和集水槽较多地采用玻璃钢或不锈钢材料 ,为减少浮力对这类集水槽产生的影响 ,集水槽应设平衡孔。泉州宝洲污水处理厂一期规模为5.0万 m3 /d, K总 = 1. 3,现有 2座圆形辐流二沉池即采用了不锈钢材料做集水槽和三角堰板 ,集水槽采用双侧集水环行集水槽 ,环行槽每 4. 5°开一个平衡孔 ,孔径为 40 mm,共 80孔。实际运行过程中沉淀后出水很大比例均从平衡孔中冒出 ,三角溢流堰出水较少从而影响出水水质。为解决平衡孔开设影响三角堰均匀溢流出水的问题 ,结合泉州宝洲污水处理厂二沉池平衡孔的开设方式 ,平衡孔的水量可按薄壁小孔口淹没出流公式进行计算 ,平衡孔对三角堰进水的影响按 5% 以内考虑 ,则计算平衡孔孔径经推导计算表达式可写为nd2 = 0. 023 2K总 Q / h1 /2 ( 2) 式中 , n 为平衡孔数; d 为平衡孔孔径 ( m ); K总为污水总变化系数; Q 为单座二沉池设计污水量 ( m3 /s)。按给水澄清池环行集水槽计算公式计算得出堰上水头为 0. 03 m ,跌水头为 0. 07 m , h 值按经验取值为 0. 1 m。结合宝洲污水处理厂二沉池工程实例,经计算孔径值为 19 mm。而该项工程开孔为 40 mm ,可以看出与计算值的明显差异 ,成为导致沉淀后的出水大部分直接从底部平衡孔流出 ,设计均匀分布的三角堰作用降低的根本原因。为解决三角堰不能均匀集水的现象 ,主要的措施只能是减少平衡孔数。按式 ( 2)计算 ,平衡孔数只有17个。为此本项工程在实际的运行中的平衡孔现已减少了 60个 ,其配水的均匀性及出水水质均得到了较大的改善。

结语

出水堰槽的设置方式及位置在现行设计水力负荷和停留时间下是影响出水水质的一个主要因素 , 上述试验数据虽然进一步验证了由污水处理厂运行维护与管理等相关文章提出的圆形中心进水二沉池出水水质位置不在靠近池壁处这一现象 ,但理论上还没有较全面的解释和分析 ,仍然有深入研究的必要。在工程应用中 ,为确保沉淀效果和出水水质 ,设计除依照规范尽可能减少堰上负荷外 ,还必须避免堰的设置位置不当对出水带来的影响 ,应避免采用外置单侧堰方式出水; 二沉池出水设计为内置双侧堰出水时 ,也宜设计离池壁 2～ 3 m处。另外二沉池出水堰槽设计平衡孔时 ,也应在设计中选择适当的计算方法确定 ,使二沉池出水槽和溢流堰处在合理的运行状态。

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