路洪波

(中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司 蘭州730000)

引言

目前,上向流懸浮濾料濾池已經(jīng)在大型污水處理廠中廣泛應(yīng)用,該濾池的原理是將污水由下向上透過(guò)濾料及抗浮濾板達(dá)到過(guò)濾的效果。其主要優(yōu)勢(shì)在于納污能力強(qiáng),易沖洗,水頭損失小,無(wú)氣水反沖設(shè)備,是一種處理效果較好的高效節(jié)能型濾池[1,2]。如圖1 所示,該濾池包括原水區(qū)、布水區(qū)、過(guò)濾區(qū)和清水區(qū)四大功能區(qū),其中,過(guò)濾區(qū)內(nèi)設(shè)有輕質(zhì)懸浮濾料層,采用EPS(可發(fā)性聚苯乙烯)輕質(zhì)懸浮濾料,該濾料具有很強(qiáng)的吸附污染物的能力,但由于該濾料的密度遠(yuǎn)小于水的密度,一旦經(jīng)由濾板孔隙流出,不僅污染環(huán)境,更會(huì)導(dǎo)致濾池徹底失去過(guò)濾作用,這就要求該濾板不但起到承受自身荷載的作用,同時(shí)也必須能夠承受濾料與水的上浮力[3,4]。本文結(jié)合工程流體力學(xué)原理,通過(guò)建立并求解濾板受力的數(shù)學(xué)模型,給出了抗浮濾板的配筋結(jié)果。

圖1 上向流懸浮濾料濾池示意Fig.1 The anti floating filter plate for up-flow filter

1 設(shè)計(jì)原理

在上向流懸浮濾料濾池中,設(shè)置抗浮濾板的主要目的在于防止濾料隨水流穿過(guò)濾板孔隙而溢出,穩(wěn)定濾池內(nèi)部水壓,承受水流向上的浮力,同時(shí)支撐自身重量,因此在濾板的設(shè)計(jì)中結(jié)合工程流體力學(xué)原理[5],采取特殊的結(jié)構(gòu)形式可以解決上向流懸浮濾料濾池中對(duì)該濾板的特殊受力要求,滿足濾池的功能要求,達(dá)到很好的過(guò)濾效果。

在濾板的受力分析中,由于EPS 濾料的密度比水小很多,因此EPS 濾料上面的抗浮濾板會(huì)受到濾料向上的浮力作用,需要考慮水頭差的存在,故濾板所受最大浮力為水頭差H所引起的水壓。濾板上設(shè)有濾頭芯,起到泄壓的作用,由于濾料對(duì)水的粘滯阻力減小了泄壓作用,故在計(jì)算濾孔的泄壓作用時(shí),結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程經(jīng)驗(yàn),以濾池中間區(qū)域的一塊濾板為受力對(duì)象,通過(guò)建立并求解濾板受力的數(shù)學(xué)模型,求得抗浮濾板的配筋結(jié)果?？垢V板配筋的詳細(xì)計(jì)算方法如下:

首先,建立濾板抗浮的平衡方程:

其中:

(1)水頭差H引起的水壓力F1

式中:F1為水頭差H引起的水壓力;H為配水渠內(nèi)設(shè)計(jì)水位至濾板底的液位高差; Δh為考慮運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)的水位超高或操作失誤引起的超高,取配水渠內(nèi)設(shè)計(jì)水位至池頂?shù)母卟睢?/p>

(2)考慮濾料對(duì)水的粘滯阻力后的泄壓作用F2

式中:F2為考慮濾料對(duì)水的粘滯力后的泄壓作用;ν為濾料對(duì)水的粘滯力影響系數(shù),根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量及現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)ν取值0.5 ～0.8;n1為一塊濾板上濾頭的個(gè)數(shù),根據(jù)工藝計(jì)算及過(guò)濾效果通常n1取49;d為濾頭內(nèi)徑。

(3)濾板自重提供的抗浮力F3

式中:F3為濾板自重提供的抗浮力;h2為濾板厚度,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝及造價(jià)等因素h2通常取100mm;A為一塊濾板的面積;γ砼為混凝土容重,根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》,γ砼取21kN/m3～23kN/m3。

(4)濾板錨筋的錨固力F4

式中:F4為濾板錨筋的錨固力;As為單肢錨筋的面積;fy為錨筋的設(shè)計(jì)強(qiáng)度值;n2為濾板每側(cè)鋼筋的錨固點(diǎn)數(shù)。

然后,將上述式(2) ～式(5)中的計(jì)算結(jié)果分別代入式(1),計(jì)算可得每塊濾板每側(cè)鋼筋的錨固點(diǎn)數(shù)n2。

2 制備安裝

2.1 制備抗浮濾板

(1)組裝模具: 如圖2 所示,模具包括預(yù)留有安裝濾頭套筒圓孔的底板和四塊側(cè)壁板,組裝完成,涂抹隔離劑,將濾頭套筒固接在模具底板預(yù)留的圓孔中,再用濾頭壓板將濾頭套筒上部壓住。

圖2 抗浮濾板示意Fig.2 The anti floating filter

(2)綁扎及固定鋼筋。濾板中錨筋規(guī)格型號(hào)根據(jù)結(jié)構(gòu)受力計(jì)算進(jìn)行設(shè)置,并考慮與濾梁鋼筋布置位置相一致,預(yù)留長(zhǎng)度應(yīng)滿足錨固要求,同時(shí)應(yīng)避開(kāi)濾板的預(yù)留企口位置并均勻設(shè)置; 濾板鋼筋與濾梁鋼筋采用點(diǎn)焊并保證可靠的連接長(zhǎng)度。

(3)澆筑混凝土,設(shè)有燕尾槽形突起的兩塊側(cè)壁板澆筑后形成抗浮濾板上下相對(duì)的上、下企口,用于后期填充微膨脹混凝土,振搗密實(shí)后進(jìn)行混凝土養(yǎng)護(hù)。

(4)抗浮濾板達(dá)到初凝強(qiáng)度后進(jìn)行拆模,拆模后繼續(xù)養(yǎng)護(hù)直到完全達(dá)到強(qiáng)度,制成單塊抗浮濾板,重復(fù)上述方法制成若干單塊抗浮濾板。

2.2 安裝抗浮濾板

(1)在濾池兩端池壁上預(yù)制濾梁,將濾梁上的鋼筋預(yù)留到位,澆筑混凝土的濾梁,并進(jìn)行濾梁混凝土的常規(guī)養(yǎng)護(hù)。

(2)安裝抗浮濾板: 將抗浮濾板吊裝就位,濾板四邊整齊、無(wú)翹缺,并保證抗浮濾板與濾梁的預(yù)留鋼筋處于同一位置、同一高度,采用點(diǎn)焊方式保證連接可靠。

(3)單塊抗浮濾板沿其縱向與其相鄰的抗浮濾板通過(guò)上、下企口對(duì)接咬合構(gòu)成具有燕尾式板縫的整體抗浮濾板,使用微膨脹混凝土澆筑燕尾式板縫,養(yǎng)護(hù)澆縫微膨脹混凝土。

(4)安裝完畢后清掃抗浮濾板,將濾頭芯螺接到濾頭套筒內(nèi)。

3 工程實(shí)例

本抗浮濾板已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用于西安市某大型污水處理廠的上向流懸浮濾料濾池中,該污水處理廠日處理規(guī)模為15 萬(wàn)t/d,濾池共分為15 格,每格處理能力為1 萬(wàn)t/d,每格濾池使用抗浮濾板50 塊。每塊抗浮濾板平面尺寸920mm×990mm,厚100mm; 企口長(zhǎng)度35mm,厚50mm;每塊抗浮濾板重量約為450kg。每塊抗浮濾板上共有49 個(gè)濾頭?？垢V板混凝土強(qiáng)度為C30,抗?jié)B等級(jí)P6,抗凍等級(jí)F150,采用HRB400 級(jí)直徑10mm 鋼筋。

根據(jù)本文第1 節(jié)計(jì)算原理,并結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn),本工程中每塊濾板每側(cè)錨固點(diǎn)取4 個(gè)即可滿足受力要求,抗浮濾板實(shí)際布置形式如圖3 所示。

圖3 上向流懸浮濾料濾池Fig.3 The anti floating filter plate for up-flow filter

本工程池體運(yùn)行過(guò)程中,正常過(guò)濾時(shí)進(jìn)水控制閥開(kāi)啟,污水自下而上流經(jīng)濾料層,通過(guò)濾料的過(guò)濾作用來(lái)達(dá)到過(guò)濾污水的效果?？垢V板起到阻擋濾料的作用,防止濾料隨水流出,污水通過(guò)濾孔透過(guò)抗浮濾板,由集水渠流出濾池。本抗浮濾板采用了企口結(jié)構(gòu)形式,解決了板縫施工過(guò)程中澆筑及支模困難的問(wèn)題; 使用微膨脹混凝土的澆筑,使得澆筑質(zhì)量得到了很大的提高,解決了漏水、漏料的問(wèn)題; 由于抗浮濾板兩端及濾梁上預(yù)留了鋼筋環(huán),使得抗浮濾板的固定、連接變得更加方便、快捷,不僅節(jié)省了人工成本還保證了安全性; 抗浮濾板充分利用自身的重量及濾孔的泄壓作用來(lái)很好得達(dá)到了抗浮的效果,不僅滿足了出水水質(zhì)的要求同時(shí)還合理地利用了材料,節(jié)省了工程造價(jià)。

該抗浮濾板在濾池運(yùn)行中應(yīng)用良好,污水處理廠在目前三年連續(xù)運(yùn)行中水質(zhì)達(dá)標(biāo),實(shí)踐證明,該上向流懸浮濾料濾池的抗浮濾板滿足工藝運(yùn)行要求,應(yīng)用效果良好。

4 結(jié)語(yǔ)

1.上向流懸浮濾料濾池的抗浮濾板應(yīng)用了工程流體力學(xué)原理,同時(shí)采用了新型的企口結(jié)構(gòu)形式,起到了基本的抗浮功能,同時(shí)具有安全、可靠、簡(jiǎn)便、實(shí)用等特點(diǎn)。

2.該抗浮濾板在該污水處理廠工程實(shí)際應(yīng)用中效果良好,作為濾池的主要部件對(duì)于保障出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)起到了重要作用,能夠滿足工藝運(yùn)行要求。