更新时间：2024-09-20 14:00
集水槽是一种用来均匀收集溢面清水的设备，通常应用于沉淀池的出水端。它可以通过条形孔式或锯齿式来实现水流的均匀分配。集水槽的槽体采用优质不锈钢板制成，经过大型数控设备的剪切、冷冲和焊接等加工工艺，具备高强度、高精度、耐腐蚀、外形美观、使用寿命长以及安装简便等特点。
集水槽的形状特征包括其结构形式和受力特点。在重庆地区的某个工程中，高位收水冷却塔的集水槽被用作例子，展示了这种集水槽的具体形态及其力学特性。该集水槽的地基采用桩基形式，其断面尺寸为5.6米乘14.0米。集水槽为地面式钢筋混凝土结构，高度在14至23米之间，沿着冷却塔的径向布置并与中央竖井相连。在正常运行状态下，集水槽内部会充满循环冷却水。然而，传统的平面假定计算方法无法满足集水槽结构设计的安全性和经济性需求。
随着中国经济发展和电力需求的增长，国内火力发电厂百万机组的新建项目不断增加，超大型自然通风冷却塔受到了广泛关注。为了响应国家节能减排和低碳经济的发展目标，具有显著节能和降噪优势的高位水收水冷却塔具有广阔的市场前景。特别是随着高位收水冷却塔的逐步国产化，其优势更为突出。高位收水冷却塔与常规湿冷塔的主要区别在于取消了底部的集水池和雨区，转而在填料层底部采用高位收水装置。冷却后的循环水通过高位收水装置的“U”型槽流入集水槽，然后进入循环水泵房的进水间，最终通过循环水泵加压返回主厂房进行循环冷却。
以重庆市某工程的高位收水冷却塔集水槽为例，介绍了此类集水槽的结构形式和受力特点。该工程采用的是高位收水冷却塔，集水槽的断面尺寸为5.6米乘14.0米，地基采用桩基形式。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至23米之间。根据高位收水冷却塔淋水构架的柱网间距，集水槽纵向布置暗框架，暗框架顶梁上放置单层配水槽，暗框架沿高度方向间隔设置拉梁。暗框架与集水槽构成一个整体，共同承担荷载。集水槽主要承受来自集水槽内部的水压力，其次是单层配水槽传递的集中荷载和风荷载。水压力随水深增大而增大，在水压力作用下，集水槽壁板同时承受弯曲应力和拉伸应力。采用传统平面假定方法难以精确计算集水槽壁板承受的拉伸应力，也无法根据水压力的特点进行变截面设计，同时还忽视了暗框架与集水槽壁板作为一个整体共同承受水压力的情况。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内的水压力均由暗框架承担。这会导致暗框架结构尺寸过大，忽略了集水槽侧壁共同受力的作用，计算方法过于保守，不利于优化设计和节约工程成本。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过多，难以准确计算桩承受的水平力。通过对集水槽结构形式和受力特点的分析可以看出，集水槽各个组成部分相互协作，共同承受集水槽内部的水压力和其他荷载。平面假定简化计算只能顾此失彼，无法进行全面计算。因此，为了真实准确地模拟集水槽结构的整体受力特性，满足结构优化设计的目标，集水槽的结构设计需要采用三维有限元整体分析计算。
利用重庆市地区某工程高位收水冷却塔中央竖井左侧集水槽的数据，建立了有限元三维模型，进行了整体结构计算。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Beam188三维梁单元。这些单元能够良好地模拟集水槽的各个组成部分。在后处理阶段，可以提取集水槽侧壁、底板、暗框架柱及梁的弯矩、剪力及轴力，便于直接用于结构设计和配筋计算。三维模型中共有7342个Shell181壳单元和782个Beam188梁单元。
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方。其所受荷载包括自身重量、集水槽内部的水压力、风荷载以及单层配水槽传递的集中荷载。集水槽内部的水压力作为面荷载作用于集水槽侧壁及底板，风荷载同样作为面荷载作用于集水槽侧壁，而单层配水槽传递的集中荷载则作用于集水槽暗框架顶梁上。集水槽有限元分析时分为三种工况设计：工况1为集水槽建成后未投入使用，仅受风荷载；工况2为集水槽建成并正常运行，不受风荷载；工况3为集水槽建成并正常运行，受风荷载。在内力分析中，选取以上三种工况中最不利的组合进行结构设计。
在上述荷载和工况组合下，采用ansys有限元软件进行静力计算，通过后处理可以对集水槽的各个组成部分进行内力分析和结构设计。集水槽的内力分析可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）。集水槽的整体位移变形显示，集水槽暗框架在第6轴线上变形最大，集水槽壁板在第1、2轴线与第5、6轴线之间的变形最大。集水槽的最大变形约为14毫米。集水槽壁板在横向和纵向均同时承受拉伸应力和弯曲应力。横向所受拉伸应力大于纵向，越接近集水槽底部，水压力越大，横向所受约束也越大，所受的拉伸应力也就越大，最大拉伸应力为657千牛/米，弯曲应力最大约为-267千牛·米/米。沿集水槽长度方向（水动力及弯曲应力），暗框架柱类似于集水槽壁板的支座，集水槽壁板的横向与纵向弯曲应力图类似于连续梁，但与连续梁弯曲应力的不同之处在于，集水槽壁板同时受拉伸应力作用，且集水槽横向的拉伸应力远大于纵向所受拉伸应力。横向最大弯曲应力为-258千牛·米/米，最大拉伸应力为687千牛/米；纵向最大弯曲应力为465千牛·米/米，最大拉伸应力为113千牛/米。因此，集水槽壁板应按照拉弯构件进行配筋计算。
（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。
二沉池是城市污水生物处理工艺中重要的污水处理单元，其主要功能是促进泥水、固液分离，同时提高回流污泥、剩余污泥的浓度。二沉池的设计和运行受到多种因素的影响，如池型、进水形式、表面积、池深、集水槽处的溢流堰上负荷以及污水温度、污泥沉降性能等。就池型及构造而言，二沉池有辐流式、平流式、竖流式等多种类型，池型也有圆形、方形等，而圆形辐流式二沉池是目前污水生物处理中最常见的形式之一。
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，常见有内置双侧堰式、内置单侧堰式、外置单侧堰式三种布置形式。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两个现象：（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。
宝洲污水处理厂一期规模为5万立方米/天，现有直径为45米的二沉池两座，采用中心进水周边出水的圆形辐流二沉池，二沉池集水槽一般靠近池壁约0.4米处布置出水，出水采用双侧三角堰溢流出水。在实际运行中，经常观察到一种现象：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，调查福州市、厦门市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至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七点对水质进行了实测，离壁一米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至3米处，四米以上水质明显变差。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，可能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米）的实际情况，由于原设计堰上负荷较低为1.4升/秒·米，即使采用单侧堰出水堰上负荷也只有2.8升/秒·米，符合新编排水设计手册提出的1.5至2.9升/秒·米的要求，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，针对厂区两座二沉池中的1号池的外侧堰进行封闭，运行中保持两座二沉池荷一致，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。
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五万立方米/天，K总等于1.3，现有两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度开一个平衡孔，孔径为40毫米，共八十孔。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=0.0232K总Q/h1/2（2）式中，n为平衡孔数；d为平衡孔孔径（米）；K总为污水总变化系数；Q为单座二沉池设计污水量（立方米/秒）。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米，跌水头为0.07米，h值按经验取值为0.1米。结合宝洲污水处理厂二沉池工程实例，经计算孔径值为19毫米。而该项工程开孔为40毫米，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，平衡孔数只有十七个。为此本项工程在实际的运行中的平衡孔现已减少了六十个，其配水的均匀性及出水水质均得到了较大的改善。
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至3米处。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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