无烟煤均质滤层过滤技术试验研究及工程应用(1)

1、无烟煤均质滤层过滤技术试验研究及工程应用(1)本文介绍了无烟煤均质滤层过滤技术试验研究内容和结果；简略阐述了滤速与产水量的关系、滤料粒度对过滤效能的影响、L/d值的重性以及为保证滤层均质状态的气水反冲洗过程；文章还介绍了北京市第九水厂二期无烟煤均质滤层滤池的主设计参数和生产运行测定结果。 关键词：无烟煤 均质滤层 过滤效能 自从快滤池取代慢滤池以来的几十年间，普通砂滤料过滤技术已经十分成熟，得到极广泛的应用。但是普通砂滤池滤层经膨胀状态下反冲洗后形成上细下粗颗粒的逆向级配，在一般正向过滤的情况下纳污能力距理想滤层相距甚远。煤砂双层滤料滤池和煤砂磁铁矿三层滤料滤池在滤层结构上取得了重大进展，但由

2、于铺设、分层、反冲洗等问题，使建立在快滤机理上的过滤潜力难以充分发挥。以不膨胀或低膨胀、气水反冲洗为基础条件的均质滤层过滤由于滤料颗粒在滤层垂直方向分布的均匀性，在滤厚度与滤料粒径比合理的情况下，滤料粒径适当加大，提高了纳污能力；滤层厚度适当加深，保证了滤后水质。这样使滤池单位面积周期产水量增加，即或可提高滤速或可延长过滤周期，同时降低反冲洗耗水率，降低建设投资，带来更多的经济和社会效益。虽然近几年法国V型滤池引入我国，但我国尚缺乏一套完整、系统的科学理性认识和参数群，为此建设部立项、北京市市政工程设计研究院开展了均质滤层过滤技术研究。该项目是建设部“八五”重点科技项目，其成果获九八年建设部科

3、技成果二等奖、九九年建设部重点科技推广项目。本文仅就无烟煤均质滤层过滤试验研究及在北京市第九水厂二期工程中应用情况作简介绍。1 试验流程与试验内容 1.1 试验流程及装置试验工艺流程见图1。2。垫层为级配河卵石。滤头为窄缝式长柄滤头。应当指出，本试验滤池规模已达到生产性规模，试验水量大是本试验与一般过滤试验显著不同的特点之外，由于滤池直径大而大大降低了湿周对过滤的影响，使试验滤池反冲时的状况特别是形成的滤层与实际生产更为接近。 试验原水分自然浊水与配浊水。无烟煤滤料粒度分三种：dmin-dmax=1.00-2.00mm、d10=1.10mm；dmin-dmax=1.25-2.50mm 、 d1

4、0=1.33mm；dmin-dmax=1.43-2.80mm 、 d10=1.48mm。滤料厚度分二种：1.1m和1.5m。滤速分二种：10m/h和20m/h。反冲洗方式为气、气加水、水三段式气水反冲洗，膨胀率为7。气冲阶段气冲强度1517L/m2.s、历时3min；气水同时冲洗阶段气冲强度不变、水冲强度4-5 L/m2.s、历时3-5min; 水冲阶段强度6-20 L/m2.s、历时5-8min。过滤方式为等滤速定水头过滤。2 试验结果与讨论2.1 试验结果将试验变量恰当组合安排，组合排列过滤试验8组，每组试验分别进行3-6个过滤周期，试验结果见表1。无烟煤滤料过滤结果统计 表1序 进水条件

5、 前处理条件 有效粒径 厚度m 滤速m/h 膨胀率% 进水浊度ntu 沉淀出水浊度ntu 过滤出水浊度ntu 周期h 产水量m3/m2 试验次数1 自然浊 常规 1.10 1.5 10 7 0.73 0.63 0.17 46 460 32 自然浊 常规 1.33 1.5 10 7 0.76 0.63 0.19 55 550 33 自然浊 常规 1.10 1.5 20 7 1.08 o.73 0.23 23 460 54 自然浊 常规 1.33 1.5 20 7 0.86 0.64 0.19 28 560 65 配浊 常规 1.10 1.5 10 7 24.34 1.20 0.13 38 380

6、 46 配浊 常规 1.10 1.5 20 7 26.30 3.43 0.20 20 400 47 配浊 直接 1.10 1.1 10 7 10.200.21 22 220 38 配浊 直接 1.48 1.1 10 7 10.200.25 28 280 3试验结果表明，对于本试验用原水，选取本试验用参数，可获得高质量的过滤出水，周期过滤出水平均浊度低于0.3NTU。将表1中滤料粒径相同、前处理条件相同、滤速不同的过滤试验滤出水浊度和单位面积滤池周期产水量整理，得表2。摘本文介绍了无烟煤均质滤层过滤技术试验研究内容和结果；简略阐述了滤速与产水量的关系、滤料粒度对过滤 本篇论文是由3COME文档频

7、道的网友为您在网络上收集整理饼投稿至本站的，论文版权属原作者，请不用于商业用途或者抄袭，仅供参考学习之用，否者后果自负，如果此文侵犯您的合法权益，请联系我们。式中：ij是按加载直接计算超出于屈服面或破坏面外的计算应力状态，dpij是进入破坏后的应变增量，*ij是将ij沿垂直于屈服面法向拉到屈服面上所对应的应力，即F(*ij)=0.根据微分和矩阵原理，可求得塑性应力增量为： pij=-F(ij)/T(6)每迭代一次，对所有进入破坏状态单元的塑性耗散能进行求和，则可求出岩体总的塑性耗散能Ep： (7)从上式可看出岩体开挖应力扰动越大，围岩的塑性功也就越大，最终导致围岩的塑性耗散能Ep也就越多，其围

8、岩的稳定就越差。所以塑性耗散能Ep值综合反应了岩体分期开挖的稳定特性。2.2 岔管衬砌受力状态特性评估 地下岔管衬砌结构形式不同，充水运行后衬砌的受力特性也就不同。根据弹性力学原理，结构受外力作用后，其外力所做的功将全部转变成结构的应变能。有限单元的单位应变能由体变能U0v和形变能U0d两部分组成，即5： U0=1/2ijij=U0v U0d=1/18KI21 1/2GJ2(8)式中：K=E/3(1-2),G=E/2(1 )，I1为第一应力不变量，J2为第二应力偏量不变量。衬砌结构体变能是由于体积变化引起的内部能量变化，不引起结构的破坏。而形变能引起结构形状变化，形变能越大越容易引起结构破坏。

9、当岩体采用非线性介质，而衬砌结构采用线弹性介质分析时，则可用衬砌结构总的形变能大小来判别衬砌结构的受力好坏。即 (9)形变能越大(I=1,2,n表示对所有衬砌单元求和)，说明衬砌结构受力条件越差。当岩体和衬砌结构都采用非线性介质分析时，则可根据衬砌结构开裂后的损伤系数D，按开裂后衬砌结构应变能的总改变量的大小来判别衬砌结构的受力好坏。即： (10)式中：k=1,2,m表示对所有开裂衬砌单元求和。D越大，衬砌单元开裂程度越大，最终累计的开裂应变能的改变量E也就越大，说明衬砌结构破坏越大。损伤系数D计算、混凝土衬砌的钢筋计算参见文献6。3 工程实例分析本文结合桐柏抽水蓄能地下钢筋混凝土岔管结构型式

10、，对地下岔管结构型式进行了三维有限元数值模拟优化分析。该电站总装机1200Mw，利用已建成的桐柏水库作为上、下库，发电的平均水头300m.地下岔管的主管直径为9.0m，两支管的直径为5.5m，衬砌厚度0.6m.岔管处的岩体为较完整的中细粒花岗岩，岩体的物理力学参数为：弹模E=17GPa，泊松比=0.25，粘结力C=1.5MPa，摩擦系数f=1.2，抗拉强度Re=1.5MPa，抗压强度Rc=130MPa，容重r=27kN/m3.根据实测地应力值和山体地形特征，采用三维有限元进行反演分析计算，得出地下岔管处岩体最大的初始地应力值为1112MPa.表1 岔管结构参数(单位：m) 工对称岔管参数卜型岔

11、管参数 况主管直径支管直径衬砌厚度岔角/锥角/修圆系数作用水头主管直径支管直径衬砌厚度岔角/ 锥角/摘本文介绍了无烟煤均质滤层过滤技术试验研究内容和结果；简略阐述了滤速与产水量的关系、滤料粒度对过滤 本篇论文是由3COME文档频道的网友为您在网络上收集整理饼投稿至本站的，论文版权属原作者，请不用于商业用途或者抄袭，仅供参考学习之用，否者后果自负，如果此文侵犯您的合法权益，请联系我们。7031268291310020811050131352型3否716129845139924010660130650岔4是8041479511510224210801132352根据地下钢筋混凝土岔管结构的布置情况

12、，对卜型岔管和对称岔管结构分别拟定了4种结构型式进行分析，每种岔管结构型式又分别计算了洞室开挖、隧洞充水运行衬砌按线弹性分析、隧洞充水运行衬砌按非线性分析3种计算工况，岔管的结构参数见表1.不论是卜型岔还是对称岔，岔管结构均剖分了17616个空间等参单元，20180个节点，其中地下岔管衬砌结构剖分了4032个单元，其单元网格见图23.通过对各种岔管结构型式的分析计算，将岔管洞室和衬砌的破坏指标列入表2，从下列几个方面可以看出不同的岔管型式的受力特点和优化特性。(1)从岔管洞室结构开挖围岩稳定特性来看，对称岔的岔角越大，岔管洞室开挖后的应力扰动就越大，围岩的破坏体积也就越大；而卜型岔的岔角越大，

13、岔管洞室开挖后的应力扰动就越小，围岩的破坏体积相应也就越小。由此说明地下岔管洞室结构的优化型式不但与岔管的结构型式有关，还与岔管所处的地质环境和地质条件有关。(2)比较对称岔和卜型岔的洞室开挖稳定特性，卜型岔各种方案的岩体破坏指标比对称岔各种方案的破坏指标都小(见图4和图5).例如方案2，卜型岔岩体总破坏体积829m3比对称岔1018m3小189m3，占22.8%，岩体的塑性耗散能前者比后者小53.8%.由此说明该工程卜型岔的洞室结构比对称岔的洞室结构受力条件优裕一些。(3)当将岔角处的岩体进行修圆后，由于岔角处的跨度加大，不论对称岔，还是卜型岔洞室围岩的破坏指标均有所加大。说明岔管的岔角修圆

14、对洞室围岩的整体稳定是不利的。(4)当岔管充水运行后，从衬砌的受力特点来看，不论是对称岔，还是卜型岔，岔角越大，衬砌结构的破坏指标越小，既衬砌结构受力条件越好。说明衬砌结构的优化型式主受岔管的结构参数影响，围岩地质条件影响相对较小。(5)比较对称岔和卜型岔衬砌结构的受力特性可看出，对称岔在岔角处的局部最大拉应力值比卜型岔略大，但衬砌开裂破坏的体积前者比后者平均小12.1%，塑性耗散能小86%.说明对称岔由于受力对称，衬砌总体应力扰动小一些，但岔角处破口稍大，所以导致岔角的局部应力增大。(6)当对称岔采用1.2的修圆系数修圆岔角，岔角处的局部应力由8.35MPa降到8.2MPa，说明对岔角修圆能

15、有效的缓解应力集中。但对卜型岔采用1.45的修圆系数修圆岔角，岔角处的局部应力由8.3MPa增至9.9MPa.说明修圆系数过大时，岔角处的相贯线太长，导致岔角处受力状态恶化，使得局部应力和衬砌的破坏体积都会增加。摘本文介绍了无烟煤均质滤层过滤技术试验研究内容和结果；简略阐述了滤速与产水量的关系、滤料粒度对过滤 本篇论文是由3COME文档频道的网友为您在网络上收集整理饼投稿至本站的，论文版权属原作者，请不用于商业用途或者抄袭，仅供参考学习之用，否者后果自负，如果此文侵犯您的合法权益，请联系我们。综上分析比较说明，地下钢筋混凝土岔管结构的优化型式，与岔管结构的型式和参数选择以及岔管所处的地质环境和

16、条件有很大的关系。 图4 对称岔角处围岩开挖破坏区图5 卜型岔角处围岩开挖破坏区4 结语(1)地下钢筋混凝土岔管结构是与围岩联合承载受力结构，其围岩和衬砌的受力特征与岔管结构的型式、岔角的参数选择和所处的地质环境及条件有很大的关系。对地下钢筋混凝土岔管结构型式进行合理的优化分析是十分必的。(2)采用程序自动剖分复杂的地下岔管空间结构，实现三维有限元网格数据自动生成，对于减少人为差错，加速地下岔管结构优化，缩短优化分析周期，提高计算精度和计算结果的可示化程度是非常重的。(3)用弹塑性损伤破坏的塑性耗散能原理和衬砌结构受力破坏的形变能大小，评估地下岔管洞室开挖和衬砌结构受力的优化型式，能综合反应地下钢筋混凝土岔管结构型式和参数选择以及岔管所处的地质环境和条件的影响，对分析和选择优化地下钢筋混凝土岔管结构合理型式提供了一种有效的分析方法。参 考 文 献：1 Hyeh C，Zagars A,陆宏策，卢兆康。高压钢筋混凝土岔管的设计J。水力发电，1990，(10).2 邓建辉，熊文林，葛修润。复杂区域自适应四边形网格全自动生成方法J。计算结构力学及其应用，1