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生物曝气池结构的特殊造型和设计可以增加使用年限

来源:北京北科 时间:2011-09-27 点击次数:

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生物曝气池结构的选型
  由于污水构筑物对池体的渗漏要求较高,根据给水排水构筑物施工及验收规范(GBJ14190)第5.1.3条规定:水池施工完毕后必须进行满水试验。在满水试验中并应进行外观检查,不得有漏水现象。水池渗水量按池壁和池底的浸湿总面积计算,钢筋混凝土水池不得超过2L/m2.d,砖石砌体水池不得超过3L/m2.d.目前的钢筋混凝土水池一般采用自防水混凝土,其设计、施工须严格按照相应规范的各项技术规定操作,水池的渗漏能达到规范要求;但混凝土结构的造价较高,工艺复杂,施工周期长;土池结构最早应用于氧化塘的污水处理(新型式水处理体系革新技艺和运转数字从优预设),一般采用现场场地土料,表面压实或表面采用泥浆固结后防渗,施工简便,造价低廉,但防渗效果较差。近年来随着防渗材料土工膜的出现,其已广泛应用于水利工程的土石坝的防渗工程。同钢筋混凝土水池和砖石水池相比,采用土工膜防渗的土池结构有以下优越性:1土工膜防渗效果良好,渗透系数一般小于10-7cm/s,特别是HDPE膜,其渗透系数可达10-12cm/s,铺设土工膜土池的渗漏量极小,可满足规范的要求;2在满足防渗要求的前提下,建池土料可就地取材,比其他结构型式相比节省了大量钢材和水泥,符合环保要求;3土池结构对地基变形的适应能力较强,施工简便,造价低廉,对基础要求较低,同其他结构型式相比具有更广泛的适应性;4池体可采用人工填筑体,也可采用机械化施工;施工速度很快。
  基于以上一些特点,采用人工防渗措施的土池结构正广泛地应用于污水处理构筑物中。
  3典型工程设计
  31工程简介
  山东诸城市污水处理厂由青岛银河集团以BOT方式投资建设,采用德国专利技术Biolak污水处理工艺,设计处理能力10万m3/d,其中1期处理规模为66万m3/d,工程总占地791ha2,其中1期占地425ha2,1期工程投资约7000万元。
  工程于2003年5月开工,2004年4月进入调试运行,目前已通过环保局的验收并正式投产运行。
  污水(其中40为生活污水,60为工业废水)通过市政管网汇流进入污水处理厂,目前水量已达6.2万m3/d,接近满负荷运行。
  3.2主要建(构)筑物
  诸城市污水处理厂由预处理、生化处理和污泥处理三部分组成。主要建(构)筑物包括粗格栅及进水泵房、细格栅、污泥脱水机房、鼓风机房、污泥均质池、生物反应池等单体。作为核心处理构筑物的生物反应池体积巨大,其结构选型的好坏直接决定本工程的总投资,影响工程的经济效益。经认真研究和探讨,最终决定采用土池结构,而其余建(构)筑物均采用砖混结构或钢筋混凝土结构,生物反应池的平、剖面见1.
  33设计内容
  1工程级别及设计参数
  参考建筑结构可靠度设计统一标准(GB500682001)的相关规定,对于处理规模不超过10万t/d的污水处理厂的设计使用年限确定为50年,主要建(构)筑物的设计安全等级为二级。当采用土池结构时,由于水池内水深一般为47m,考虑到安全超高及波浪爬高后,土坡高度不会超过10m,属于低坝型式,其设计可参照提防工程设计规范(GB5028698)及碾压式土石坝设计规范(SL2742001)进行。各设计参数的选用见1.
  1工程设计参数设计项目工程设计使用年限工程级别边坡抗滑安全系数正常运用条件非常运用条件设计参数50年21.251.15
  2池体设计
  土池池体的土体设计主要包括渗流分析(防渗设计、渗流稳定计算)、边坡稳定和沉降计算三方面的内容。
  (1)渗流分析
  生物反应池为半地下结构,池体的设计渗水量要求同给水排水构筑物施工及验收规范(GBJ14190)中钢筋混凝土水池的相应规定,即单位面积,单天的渗水量Q2L/m2.d.以往土坝防渗主要采用很厚的防渗粘土斜墙或心墙,其厚度可达数米,使用粘土方量较大,而采用土工膜防渗,其厚度很薄,有的不足1mm,最厚也只有数mm,不但节约经费且防渗效果良好,本工程采用土工膜防渗。土工合成材料防渗应包括垂直铺膜防渗、坡面铺膜防渗以及水平铺盖铺膜防渗等几种形式,垂直铺膜防渗是我国近年来新开发出的一种有效的防渗方法,这种方法具有防渗作用明确、施工速度快、防渗效果显著和造价比较低的特点,但对开槽机械、土层结构、地下水位等因素要求较高,对本类型构筑物的适应性较差。生物反应池的渗漏面主要为水平池底和池体边坡,非常适用于采用坡面铺膜与水平铺盖铺膜防渗结构措施。防渗材料一般采用复合膜,如一布一膜、两布一膜。由于水池水位较浅(不超过6m),采用单层防渗结构即可满足防渗要求,单层防渗结构层从上至下依次为:防护层、上垫层、土工膜层、下垫层、支持层、坝体,如所示。
  渗流计算包括:确定坝体浸润线的位置,为坝体稳定计算提供依据;求出坝体内部各部位的渗透坡降,验算渗透破坏的可能性。
  由于土工膜沿池底及坝坡敷设,其计算模式可采用不透水地基上的斜墙土坝的渗流计算。根据文的内容,可采用以下公式计算:通过防渗层的渗流量
  q=Kg(H21-h2e-z20)/(2Tgsin)(1)
  下游坝壳的渗流量
  q=K(h2e-H2)/(2L)(2)
  式中:Kg为土工膜的渗透系数,(m/s);K为坝壳土料的渗透系数,(m/s);H1为防渗层上游水头(m);he为防渗层下游水头(m);z0为防渗层垂直厚度(m);H2为溢出水头(m),本处应为0;为池坡角度;L为浸润线水平长度(m)。
  计算时(1)、(2)式联立求解,可求得q和he.
  从而求得防渗层下游坝体浸润线方程为:
  q=2qx/K(3)式中:x为以溢出点为抛物线焦点,建立x向坐标。
  渗漏量计算在上部计算的基础上,应核算土工膜防渗结构的渗漏量,其主要由两部分组成:由于土工膜的渗透性产生的渗漏量,简称为土工膜的渗漏量;施工中产生的土工膜的缺陷(破损和接缝不实)产生的渗漏量,简称为缺陷渗漏量。设计中应分别计算。
  a.土工膜的渗漏量
  土工膜属于非孔隙介质,目前对土工膜在水力梯度作用下的渗透机理的研究还不完全清楚,可一般采用达西定律计算;
  Qg=KgiA=Kg(H/Tg)A(4)
  式中:Qg为土工膜的渗漏量,(m3/s);i为水力梯度;H为土工膜上、下水头差,(m);A为土工膜的渗透面积,(m2)。
  b.缺陷渗漏量
  由于施工造成的缺陷可采用等效孔径分析,一般把等效直径小于2mm的孔称为小孔,表示接缝缺陷;等效直径为10mm的孔称为大孔,表示偶然因素引起的缺陷。根据Brown等的试验表明,如果土工膜下面土层的ks-3m/s时,渗漏量可采用Bernoulli公式计算:Qf=A12gH(5)
  式中:Q为缺陷渗漏量(m3/s);A1为土工膜缺陷孔的面积总和(m2);g为重力加速度(m/s2);为流量系数,可取0.60.7.
  总渗漏量Q=Qg Qf,设计中可根据渗漏量要求,确定土工膜的渗透系数Kg,合理选择土工膜的性能参数。
  (2)边坡稳定分析
  用土工膜防渗的土坝,稳定分析包括:采用圆弧滑动面或折线滑动面计算坝坡的抗滑稳定;计算斜铺土工膜与其邻接土石料接触面的抗滑稳定,即土工膜与上面保护层、土工膜与下面垫层之间的平面滑动稳定性。
  坝坡稳定计算由于水池的运行特点,主要的计算工况有:设计水位下的稳定渗流期或不稳定渗流期的背水侧边坡计算;施工期的临水及背水边坡计算;地震时的临水及背水边坡计算。
  同水利工程的同类设计相比,本工程的计算工况大为简化,计算中应根据池体的填筑土料和浸润线形式的不同,适当按圆弧滑动面或折线滑动面分析,目前该类计算软件较多,基本可满足设计计算要求。
  土工膜稳定计算
  由于土工膜与土、砂、卵石间的摩擦系数小于土石料间的内摩擦系数,斜坡铺设的土工膜与上、下保护层之间滑动的可能性较大。当膜下有积水时,由于土工膜下的土料不同,积水的消散情况不同,各种工况的计算应采用不同的计算模式,该内容可详见文献[1].
  (3)沉降分析
  沉降包括池体和基础的最终沉降量两部分,可采用分层总和法计算。水池填筑高度一般为56m,池体一般由粘土、壤土、砂壤土等土料碾压而成,该类土料的压缩性较小,当池身填土施工质量能达到设计要求时,池体由于自身固结引起的沉降量很小。而且由于池体体积较大,外部荷载较小,由此引起的池体变形量也很小。本类工程设计中的沉降一般可不必单独计算,根据经验,可按坝高的1/50预留超高。
  34经济效益分析
  诸城水质净化厂工程2003年5月正式开工,2003年11月竣工,同年12月1日通水运行,其中生物曝气池的建设工期为120d.该工程运行1年多来,各项技术指标正常,取得了良好的社会效益。同原设计的钢筋混凝土水池相比,节省了工程投资,比较如2.
  2结构技术经济指标比较结构型式混凝土方量(m3)钢筋用量(t)防渗材料(HDPE防渗膜)(m2)土方量(m3)总造价(万元)钢筋混凝土结构12760(C30)1580(C15)647.9030270(挖方)708.9钢筋混凝土、土池混合结构5360(C30)2300(C15)190.501600031940(挖方)31840(填方)520.7
  4结论与建议
  通过诸城污水处理厂的设计及建设运行,济南市市政工程设计研究院先后又设计了百乐污水处理厂、莱芜第二污水处理厂等项目,均降低了工程投资,并取得了良好的社会和经济效益,该结构类型具有以下优点。
  1良好的经济效益,同钢筋混凝土结构相比,一般可节约工程投资2030,节约了大量木材、水泥和钢材,且施工简便,工期短,综合效益显著。
  2HDPE防渗膜的普遍使用,使池体渗漏量远小于规范要求。诸城污水处理厂的观测显示,水池池身的浸润线很低,未有污水出现,池体是严格不渗漏的。
  但在实际工程中,该结构的采用应因地制宜,慎重选用,主要应注意以下几方面的问题;1地下水位问题:在地下水位较高地区,由于要采取相应措施解决池体的抗浮问题,增加了工程造价,影响工程的经济合理性。更重要的是当防渗层下的排水不畅时,往往对防渗层的稳定造成不利影响,甚至会影响整个构筑物的安全。
  2工程勘探问题:市政工程的地质勘探要求不同于水利行业。当选用土池结构时,设计方应明确一些技术参数,例如建设场地土质的物理力学指标C、渗透系数K值,为结构选型和计算提供设计依据。
  3施工管理问题:由于本类结构的特点,应明确施工组织方案,并进行土堤的试压试验,确定各种土料的最优含水率、碾压遍数、填筑标准。并在施工过程中加强质量检测,保证施工质量。另外池体内部应布置渗流观测设备,当池体出现渗漏现象时及时处理,避免造成事故。
  4构筑物耐久性问题:目前市场上的土工合成材料种类繁多,质量参差不齐,应优先选用正规厂家、质量有保证的材料。特别是由于土工膜工作环境恶劣,老化问题将极大影响该构筑物的使用寿命,所以在设计中应尽量采用厚膜并采取有效措施改进土工膜的防护层设计,延长其使用年限。