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Abstract: at present, the foundation for the retaining wall more tube raft foundation. But in the bearing capacity of the higher the use of tube raft foundation consider structure design of the economy, often more waste. So, can use more economic bar foundation as the foundation of the retaining wall. Due to the specification and various design material for a bar foundation of the retaining wall design method and no clear, design personnel in the design often no material can reference. Therefore, this article through the concrete example, give a retaining wall and its bar foundation design method.
Keywords: reinforced concrete retaining wall; Bar foundation; Design method
中图分类号:S611文献标识码:A 文章编号:
取单位长度钢筋混凝土挡墙为研究对象(见图1),假设墙背竖直光滑,墙后静止土压力为Ea;挡土墙重量为G1,基础重量为G2,挡土墙基础宽度范围内的土重为G3;其重心对基础倾覆点O 的距离分别为X1,X2,X3; 根据《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)可得钢筋混凝土挡墙的验算公式如下:
2. 1 抗滑移稳定性验算
式中,μ 为土对挡土墙的摩擦系数。
2. 2 抗倾覆稳定性验算
式中,t 为条形基础的高度。
2. 3 地基承载力验算
1)当e≤b/6 时
2)当e>b/6 时pmax=
式中,pmax ,pmin 分别为基底最大、最小压应力;e 为基底合力到底面中心的距离;a 为基底总反力作用点至倾覆点o 的距离;fa 为经深度和宽度修正后的地基承载力特征值,G=。
3 设计算例
根据上部有无顶板约束,可以分为悬臂式挡土墙和约束式挡土墙。
3. 1 约束式挡土墙
某挡土墙高为4m,上部顶板厚为250mm,考虑地面堆载及施工荷载5.0kN/m2,地下水位在地面以下1m,填土的物理力学性质指标为c=12.0kPa,φ=20° ,γ=18.0kN/m3。考虑修正后的地基承载力fa=500kPa。上部结构传来的荷载为F=500kN,M=100kN・m。下面给出计算过程。
3.1.1 挡土墙计算
地基承载力较高,基础考虑采用条形基础,由于两侧挡土墙受到等值压力,上部有顶板约束,挡土墙不存在倾覆以及滑移。只需要对挡土墙墙身的抗弯承载力进行验算。对于挡土墙有顶板约束。通常我们假定上部为铰支端,下部为固定端。取单位宽度挡土墙进行计算。
土的静止土压力系数Ka=tg2(45°-)=0.49
土对挡土墙底部的弯距M1=1/15×18×4×0.49×42=37.6kN・m
堆载及施工荷载对挡土墙底部的弯距M2=1/8×5×42=10.0kN・m
水对挡土墙底部的弯距M3=23.5kN・mΣM=M1+M2+M3=71.1kN・m
取挡土墙厚度为300mm,As= = =877mm2
3.1.2 条形基础计算
假定条形基础宽度为2m,基础高度为350mm。首先不考虑挡土墙影响,e1=0 . 181m<b/6=0.333,pmin=126.8kPa,pmax=426.8kPa。考虑挡土墙的影响,e2=0.309m<b/6=0.333m,pmin=20.1kPa,pmax=533.4kPa。
综上可求出条形基础的最大弯距Mmax=166.3kN・m,As==171mm2。
由此可以看出,考虑挡土墙影响后,条形基础的最大净反力增大25%。设计人员如果设计时不考虑挡土墙的影响,仅仅考虑上部结构荷载,会给结构埋下很大的安全隐患。
3. 2 悬臂式挡土墙
土的物理参数同上,挡土墙高为4m,上部无顶板。考虑修正后的地基承载力fa=500kPa。上部结构传来的荷载为F=500kN,M=100kN・m。下面给出计算过程。
3.2.1 挡土墙计算
由于挡土墙上部无顶板约束,两侧挡土墙不能形成一个整体,为此应验算挡土墙墙身的抗弯承载力,挡土墙的抗倾覆以及抗滑移。通常此时我们假定上部为自由端,下部为固定端。取单位宽度挡土墙进行计算。
土的静止土压力系数Ka=tg2(45°-)=0.49
土对挡土墙底部的弯距M1=1/2×18×4×0.49×4×4×1/3=94.1kN・m
堆载及施工荷载对挡土墙底部的弯距M2=1/2×5×42=40kN・m
水对挡土墙底部的弯距M3=1/2×10×3×3×3×1/3=45kN・mΣM=M1+M2+M3=179.0kN・m
取挡土墙厚度为400mm,As= ==1578mm2
3.2.2 条形基础计算
假定条形基础宽度为3.5m,基础高度为400mm。首先不考虑挡土墙影响e1=0.181m <b/6=0.583m,pmin=109.3kPa,pmax=207.3kPa。考虑挡土墙的影响,e2=0.504m<b/6=0.583,pmin=21.6kPa,pmax=294.9kPa。
综上可求出条形基础的最大弯距Mmax=140.2kN・m,As= =1236mm2。
基础的抗倾覆验算:倾覆弯距M1=279kN・m,抗倾覆弯距M2=1027kN・m,
=3.68>1.6,满足要求。
基础抗滑移验算:滑移荷载F1=135.6kN,抗滑移荷载(考虑基础摩擦系数为0.40)F2=244.6kN, =1.8>1.3。基础的抗倾覆和抗滑移均满足要求。
综上可见,考虑悬臂式挡土墙影响后,条形基础的最大净反力增大42%。相同条件下悬臂式挡土墙比约束式挡土墙对条形基础的影响更大。同时由于基础的宽度较大,使上部结构荷载和挡土墙后土体重量对倾覆点的力臂增大,基础的抗倾覆比较容易满足。
4 结论与建议
1)本文给出了约束式挡土墙和悬臂式挡土墙及其条形基础的详细算法。通过实例可以看出,挡土墙对基础的影响较大,设计人员在设计中应充分考虑挡土墙对基础的影响。
关键词;ABAQUS, 有限元,地基承载力, 正交试验
【中图分类号】TU43; TU45 【文献标识码】A
Orthogonal experiment analysis of strip foundation
bearing capacity in the underground tunnels
(LIU Huazheng 1,YANG Xiuren2 ,QI Chengzhi1,DING Deyun2)
(1. Beijing High Institution Research Center for Engineering Structures and New Materials, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China;
2. Beijing Urban Construction Design & Development Group Co., Limited, Bejing 100037, China)
Abstract:At present, the study of strip foundation is mainly concentrated on the shallow foundation, rare studies for underground strip foundation are available. In this paper, by choosing the appropriate influence factors, using finite element software ABAQUS we analyzed the ultimate bearing capacity of single opening under different combination of the factors. The orthogonal experiment analysis was performed, Indicates that the main factor affecting bearing capacity of underground tunnel, the main factors for the further research of the underground tunnel foundation bearing capacity, can be mainly consider the impact of these factors.
Keywords:ABAQUS; The finite element ;Bearing capacity of foundation soil;orthogonal test
0引言
随着我国社会经济的飞速发展,越来越多的城市开始兴建地铁,许多工法也应运而生。PBA洞桩法及一次扣拱暗挖逆作法等,由于其对地面和周围环境影响较小,及引起的地面沉降相对较小等优点,正逐渐应用于地铁车站建设中。目前,对于暗挖中条形基础承载力的计算问题还没有得到很好的解决,对于暗挖中条形基础承载力的设计大多基于明挖法中关于条形基础的设计要求。
对于条形基础承载力的研究,太沙基基于叠加原理并考虑了土的重度,修正了Prandtl关于无限长条形荷载的承载力公式,给出了浅基础极限承载力的一般近似表达式。Meyerhof[1]在20世纪50年代提出了考虑基底以上两侧土体抗剪强度影响的地基极限承载力公式。Hanson[2](1961,1970)提出了中心倾斜荷载并考虑到其他一些影响因素地基极限承载力计算公式。魏锡克(1973)又提出了考虑地基土的压缩性影响的极限承载力公式[3-5]。但上述研究都是基于浅基础极限承载力的研究。由于暗挖中条形基础所受到的应力应变状态与浅埋基础不同,因而基础极限承载力的计算公式也应该不同。但是目前对于暗挖中条形基础的承载力研究很少,条形基础承载力的计算问题还没有得到很好的解决。
本文拟对单洞中条形基础承载力问题进行研究。通过选取适量的影响因素,利用有限元
软件ABAQUS[6]分析得出不同参数组合下浅基础和单洞中的地基极限承载力。但由于影响因素较多,为了减少工作量,拟通过正交试验法对这些影响因素进行分析,初步得出暗挖法中条形基础承载力的主要影响因素。
1模型中各构件的力学模拟
1.1注浆小导管的力学模拟
超前小导管是沿着开挖轮廓线向外将小导管打入地层内,并以一定压力向管内压注具有固化作用的浆液,使围岩形成注浆的固体,提高岩体的自身强度和自稳能力。小导管自身起加筋的作用,即可以提高岩体的整体性,也可以封堵地下水。但在数值模拟分析过程中,由于锚固工程中的岩土体几何状态和受力状态的多样性,并且一般锚杆的数量较大,而且锚杆与土体之间的相互作用从力学上讲是非线性问题,因而在模拟时存在很大的困难。而且模拟效果不一定很理想。本文通过等效的方法进行简化[7],将小导管的注浆效果视为在隧道围岩中形成了一定厚度的环状加固圈,小导管注浆加固圈可采用改善围岩参数的等效方法进行考虑。
1.2 格栅钢架的力学模拟
在数值分析中,格栅钢架通常通过等效作用和力学模型两种方法方法进行考虑,按等效法则考虑时,根据抗压刚度相等的原则,将钢架的弹性模量折算给混凝土。此外,也可将格栅钢架采用梁单元来进行模拟。本次计算中采用刚度等效的方法进行模拟。
1.3钢筋混凝土的等效
钢筋混凝土是由钢筋和混凝土构成的复合材料,属于非均质、非线性材料。在数值分析中应该分别采用不同材料、单元类型模拟。但是这种模拟方式计算量过大,不适于对其整体结构进行分析。本文拟通过抗弯刚度等效进行简化,建立钢筋混凝土的均质等效模型,借助有限元软件对均质模型进行模拟[8]。表1中给出了各材料的计算参数值。
表1.材料计算参数值
2 ABAQUS分析浅基础和暗挖隧道基础的极限承载力
本文中的模型边界条件为侧面和地面为位移边界条件,侧面限制水平移动,底部限制垂直位移,上部边界为自由面。考虑到计算边界条件对结果的影响,模型在水平方向上取120m宽,在竖直方向上取80m,数值分析的模型如图1所示。
图1 单洞条形基础受力模型
影响条形基础承载力的因素有很多,本文中主要选取弹性模量、容重、粘聚力、摩擦角、泊松比、埋深这六个因素作为主要考虑对象,结合正交试验法,制定试验因素及水平表(如表2),并对这六个影响因素进行组合,应用有限元软件ABAQUS[9]对25组试验进行分析,从而得出相应条件下的地基承载力(如表3)。
表2试验因素及水平表
表3 实验计算表及计算结果
3 正交试验数据分析
对实验结果进行了方差分析[10],得出了暗挖隧道的实验结果方法分析表,如表4、表5所示。通过暗挖法方差分析表可以看出,弹性模量、容重、摩擦角、埋深的F值比F临界值要大,这表明在这些影响因素中容重、摩擦角、埋深相对于其它因素对于地基承载力的贡献更大,且摩擦角的影响最大,泊松比对实验结果的影响最小。
表4 暗挖法方差分析表
4 结论
为进一步研究暗挖法中条形基础的承载力,分析出在暗挖法中条形基础的影响承载力的主要因素,本文通过一系列的模拟实验,借助正交试验法,分析了影响承载力的主要因素。目前关于地基承载力的计算大都基于Mohr-Coulomb屈服准则,然而Mohr-Coulomb屈服面在偏平面的屈服面为六角形,进行塑性分析时因角隅处塑性流动方向不唯一会引起收敛困难。而Drucker-Prager模型通过屈服面在偏平面上外接或内切于Mohr-Coulomb六角形确定的屈服方程来描述出岩土类工程材料,能够更好的达到收敛。本文采用ABAQUS有限元软件模拟条形基础下地基沉降的过程,根据地基土体的物理力学性质,选择了D-P屈服准则。通过对基础不同埋深、土体的不同粘聚力等情况下地基沉降的模拟可以得出,在暗挖法中,容重、摩擦角、埋深相对于其它影响因素对基础的承载力影响更大,且摩擦角对实验结果的影响最大,泊松比对实验结果的影响最小。因此,对于暗挖法中条形基础的进一步研究可以主要分析这几个因素。
参考文献
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1 功血的诊断
功血是指下丘脑一垂体一卵巢轴的神经内分泌调节机制失常所致的异常子宫出血,并排除全身及内外生殖器的器质性病变。因此,功血的诊断是一种排除性诊断,诊断功血必须排除包括妊娠及其并发症,生殖道病变,医源性原因,系统性疾病等的局部和全身性病变。(1)妊娠以及妊娠并发症引起的子宫出血:常见的有异位妊娠,流产,滋养细胞疾病等。(2)用药以及治疗引起的子宫出血:①抗凝血药物;②治疗精神疾病药物;③肾上腺皮质激素;④中草药以及其他添加剂:人参,银杏,大豆等;⑤激素治疗;⑥口服避孕药;⑦宫内节育器;⑧选择性5羟色胺重吸收抑制剂;⑨他莫西芬;⑩甲状腺激素替代治疗。(3)系统性疾病引起的子宫出血:肾上腺皮质增生和库欣综合征,血液系统病变包括白血病和血小板减少症,凝血功能障碍,肝脏疾病,下丘脑抑制(精神紧张,体重过分丢失,运动过量等),垂体腺瘤或高泌乳素血症,多囊卵巢综合征,肾脏疾病和甲状腺疾病等。(4)生殖道病变引起的子宫出血:①感染:宫颈炎,子宫内膜炎,子宫肌炎,输卵管炎症;②良性病变:子宫腺肌病,平滑肌瘤,子宫和宫颈息肉;③癌前病变:宫颈不典型增生,子宫内膜不典型增生;④恶性肿瘤:宫颈鳞状细胞癌,子宫内膜腺癌,分泌雌激素的卵巢肿瘤,分泌雄激素的卵巢肿瘤,平滑肌肉瘤;⑤创伤:异物,擦伤,撕裂伤,待或性攻击导致的子宫出血。
基于功血是一个排除性诊断,在作出诊断前,必须详细的采集病史,包括初潮年龄、月经周期、经期和经量,仔细询问有无停经史及月经改变与环境、情绪变化等关系。通过详细的了解病史和分析可提供一定的诊断依据。仔细全面的体检和盆腔检查以及必要的实验室检查,排除可能引起不规则阴道出血的内、外科疾病,排除妊娠及其相关疾病。为了排除可能引起子宫异常出血的潜在病变,必要时需要采用一些创伤性的检查,包括子宫内膜活检,子宫输卵管造影,宫颈刮片等。据报道,最近10年间,经阴道超声,盐水注人超声以及宫腔镜的应用使得诊断宫腔内异常的可能性大大提高。
国外有研究比较了经阴道超声,生理盐水注入超声和子宫镜检查在评价异常子宫出血中的作用。该研究结果发现,对经阴道超声,生理盐水注人超声和子宫镜诊断绝经前妇女子宫内膜息肉的阳性预测率分别为69%,78%和81%。而在绝经后妇女,阴道超声和生理盐水注入超声仅能检测到24%的子宫内膜息肉,但是宫腔镜的诊断率达到70%。而对于黏膜下肌瘤的阳性预测价值分别为47%,81%和77%。作者提出,对于绝经前妇女,经阴道超声和生理盐水注人超声能有效地诊断子宫内膜息肉,有效降低诊断性宫腔镜的应用。而对于绝经后妇女,前两者的诊断率明显降低,宫腔镜检查和子宫内膜活检是有效的诊断手段。
功血临床上表现为多种方式的子宫异常出血。通常来说,主要有以下几种方式:(1)月经频发:出血间期少于(21 d);(2)月经过多:出血间期正常(21~35 d),但是出血量大(> 80 ml)或者出血时间长(>7 d);(3)不规则月经过多:月经周期不规则,间隔非周期性,伴出血量大(> 80 ml)或者出血时间长(>7 d);(4)月经不规则或者月经间期出血:不规则出血发生在两个排卵周期之间;(5)月经间期点状出血:点状出血发生在排卵前。月经过多是功血妇女最常见的主诉,尤其多见于绝经过渡期妇女。但是,在有月经过多主诉的患者中,只有40%~50%确实存在客观上的月经过多。目前,每个月经周期失血量超过80 ml,可以作为月经过多诊断的一个参考标准。
2 功血治疗的研究进展
经典的功血治疗手段有药物治疗,诊断性刮宫,宫内节育器置人以及手术等。近年来,治疗的基本原则方面没有大的变动,其进展主要体现在药物种类,用药方式,手术方式等的改变。纵观目前用于功血治疗的各种手段,仍缺乏特异性方法,各种治疗手段各有利弊,需要临床医生结合病人个体的实际情况,包括功血的类型(青春期功血或绝经过渡期功血)、有无排卵、是否有生育要求;是否合并严重贫血(通常以血红蛋白
2.1 药物治疗研究进展药物治疗是目前用于功血治疗最常用的方法,尤其对于青春期功血,药物治疗可以说是唯一的治疗手段。目前用于功血治疗的药物主要有:性激素类和非激素类辅助止血药物。功血药物治疗的原则是:止血,调整月经周期以及促排卵(对于有生育要求的,无排卵型功血患者)。常用药物止血方法有:孕激素内膜脱落法、雌激素内膜生长法和内膜萎缩法。前者应用于贫血较轻的患者,后二者用于贫血严重需立即止血的病例。
2.1.1 孕激素内膜脱落法对于无排卵型功血患者,由于内膜缺乏孕激素影响,给予患者孕激素使增殖或增生的内膜转变为分泌期,停药后内膜剥脱出血,如同一次排卵月经,随后新生内膜增生修复创面止血。常用黄体酮20 mg肌内注射,1次/d,连用3~5 d。也可用甲羟孕酮片8~10 mg/d,连用10 d。炔诺酮片5 mg/d,连用7~10 d。停药后2~3 d发生撤退出血。值得注意的是:这种撤退出血往往出血量较大,因此适合于贫血程度较轻、长期淋漓不尽的患者;且用药前应告知患者停药后会有一次月经来潮,且出血量可能较多,以免造成患者惊慌;若出血时间持续10 d以上,应怀疑存在器质性病变,需进一步检查。止血后调整周期可采用黄体酮定期撤退法或后半周期疗法。
2.1.2 雌激素内膜生长法用药原理在于用大剂量雌激素促使内膜在原有厚度基础上增生,从而修复创面而达到止血目的。常用方法苯甲酸雌二醇2~4 mg肌内注射,每6~8 h重复1次,直至血止。血止后改用口服雌激素制剂。对于急性出血量大,血红蛋白
2.1.3 内膜萎缩法止血原理为大剂量合成孕激素通过负反馈抑制垂体分泌促性腺激素,从而抑制卵巢分泌雌激素,使子宫内膜萎缩而达到止血目的。连续用法采用口服左炔诺孕酮每日2~3 mg,炔诺酮5~10 mg,醋酸甲地孕酮8 mg,醋甲孕酮10 mg等,连续22 d。目的是使增殖或增生的内膜蜕膜化,继而分泌耗尽而萎缩。血止后逐渐减量并停药,内膜脱落出血。但是在用药期间,可能发生间断的少量阴道出血,甚至淋漓不断。因此,药物使用的剂量以及选择何种使用方法需根据病人对药物的反应进行判断。雄激 素 仅 能增加子宫血管张力,减轻盆腔充血,减少子宫出血量,但是无止血作用,因此雄激素通常配伍雌孕激素联合应用。由于雄激素有抑制性腺激素分泌,减少卵巢源性雌激素分泌,抑制下丘脑一垂体一性腺轴的作用,因此对青春期功血患者不主张使用。促性 腺 激 素释放激素(GnRH)激动剂最近有报道用于功血的治疗,其原理是根据GnRH激动剂对垂体具有降调节作用,从而降低内源性雌激素水平,达到止血效果。GnRH激动剂对功血止血效果明显,但费用昂贵,以及长期使用引起的骨质疏松导致该药不能在临床广泛使用。GnRH激动剂常用于临床上绝经过渡期功血患者,出血量大,同时合并其他内科疾病,不适于进行手术治疗的患者暂时性缓解过渡治疗。通常在患者进行刮宫止血后,给予GnRH激动剂,导致垂体降调节,体内雌激素水平下降,内膜萎缩,缓解出血症状,为其他内科疾病的治疗以及子宫手术赢得时间。
近年来,米非司酮用于绝经过渡期功血的治疗,疗效明显。其用药剂量为5~25 mg不等。有研究者探讨了更低剂量米非司酮的治疗效果,发现2.5 mg/d,连续治疗3~6个月,同样可收到良好的效果。但是,到目前为止,米非司酮用于功血的治疗尚未进入药典,可能是因为其应用可能引起机体内分泌紊乱等原因,因此米非司酮通常仅用于绝经过渡期功血,无生育要求妇女。
其他辅助止血药物:包括抗纤溶药物,非类固醇抗炎药,丹那唑等。氨甲环酸类抗纤溶药物在止血疗效方面明显优于其他几类,且药物副反应少。丹那噢止血效果明显,但是因为肝脏副反应明显不适合长期使用。
2.2 非药物治疗
2.2.1 诊断性刮宫刮宫手术既能明确诊断,又能迅速止血,因此在临床上广泛用于育龄妇女和绝经过渡期妇女功血的诊治。行诊刮手术时要注意将内膜组织全部刮净,否则达不到治疗效果。在明确内膜病理和排除生殖器恶性病变后,应制定合理的药物治疗方案控制周期,以免病情复发。
2.2.2 左炔诺孕酮宫内释放系统左炔诺孕酮宫内释放系统(IUD)是一种结合了药物治疗功血的治疗措施。左炔诺孕酮宫内释放系统发明的初衷是用于避孕,但是后来被证实在治疗功血方面有效。它的有效性基于其在宫腔内局部释放左炔诺孕酮,抑制内膜生长。因此,该系统在临床上的应用,被证实能有效减少经血量达97%。该系统植入初期,很多妇女都会经历月经间期出血,而植入1年之后,多数妇女的出血显著减少,部分缩减为每月1 d,15%变成闭经。
左炔诺孕酮宫内释放系统具有方便、费用低以及并发症发生率低的优势。在有效性方面,与子宫内膜去除术相比该系统能有效减少经血流失(67%对90%);妇女发生闭经的可能性缩小,但是治疗的满意度方面并无显著性差异。而且IUD置入妇女还需要承受孕酮引起的副反应。这个研究结果提示,综合有效性和副反应等方面,IUD并不如经阴道内膜去除术有效。但是两个随机队列研究设计都不够完善,因此无法得到一个非常准确的结论。
2.2.3 手术治疗药物治疗无效、持久不愈、年长、无生育要求的患者,可采用手术治疗。目前手术治疗手段有了很大发展,主要分为两类手术即子宫内膜去除手术和子宫切除手术两类。
2.2.3.1 子宫内膜去除术Ashermann是第一个描述妇女流产后闭经与子宫内膜损伤关系的人。他在给这些患者行子宫切除术时发现其宫腔闭锁,并把这种状态称为“amenorrhoea闭锁”或者“amenorrhoea创伤”。后来学者开始研究控制性损伤子宫内膜基底来治疗功血。子宫内膜去除术由此发展,到目前为止,子宫内膜去除术经历了两展。第一代子宫内膜去除术是经宫腔镜在超声检查的监视下进行,采用激光、微波或者电凝的方法,破坏子宫内膜功能层及部分基底层,使子宫内膜失去对卵巢激素的反应能力,从而减少月经量。第一代子宫内膜去除术能有效减少经血量,同时,还可以在宫腔镜下对可疑病灶进行病检。第二代子宫内膜去除术是非可视的操作,利用一些专用设备如热气囊装置,热生理盐水注入装置,双极阻抗控制装置等进行子宫内膜去除。与第一代手术相比,第二代子宫内膜去除术对术者的技术要求较低,利于在基层医院开展,但是第二代手术由于进行盲视操作,因此无法对子宫内膜的异常病理情况进行(包括活检等)处理,因此在进行手术前,需要对子宫内膜预先进行病理学检查。
也有一些报道采用化学的方法进行子宫内膜剥除。采用经阴道注入三氯醋酸破坏子宫内膜治疗功血。该方法操作和设备简单,费用方面,虽然该项技术费用低廉,但是为了缩减手术时的内膜厚度,通常会在术前使用GnRH激动剂,这会大大增加治疗的费用。作者认为,对于功血患者,需要采用手术治疗的患者,三氯醋酸子宫内膜去除可作为另一种选择。
关键词:铝材酸碱废水;电泳精制废水;含铬废水;含镍废水;金属离子;COD
中图分类号:X703 文献标识码:A 文章编号:
前言
铝型材表面处理用水量大,产生废水多,废水中有害物质持续排放[1]。如不加以处理必将污染环境。铝型材生产过程主要包括对成型铝材的脱脂、碱蚀、酸洗、氧化、封孔及着色[2]。处理后的型材均需用水进行清洗,这部分型材清洗水以溢流形式排出清洗槽,是铝型材厂废水的主要来源。铝型材厂生产废水主要含有大量金属离子:Ni2+、Al3+、Cr6+、Sn2+以及SS、油脂、有机物、NH3-N、F-、酸碱等等[3]。其中废水的酸碱度视各生产要求不同而有所变化,但呈酸性的居多。另外在一些工序会产生水量少污染物高的各类废液及废弃换缸液等,针对每一类废水的主要污染物的特点,分别进行预处理,可达到理想的处理效果。
工程概述
佛山某铝型材厂位于中国铝材第一镇——广东省佛山市南海区大沥镇,是一家专业生产铝型材的现代化大企业,该公司占地面积10万多平方米,年生产能力超过8万吨,拥有多条熔铸、挤压先进工艺生产线,并引进国外先进的氧化电泳、喷涂、隔热生产工艺,拥有价值数百万元的完善的检测设备,可生产各种门窗、幕墙、通用型材及工业型材等几千个品种。
该公司铝型材生产工艺流程如下:
该公司铝材表面处理废水排放总量达4500吨/天,以下就该铝型材厂废水处理工程工艺设计为例介绍铝材表面废水处理情况。
废水的来源、水质及水量
根据对生产线工序和用料的分析,该铝型材厂废水来源如下表:
表1 铝型材厂废水来源
根据废水的来源,针对不同工序废水的主要污染物特点,该厂主要废水分类和水量如下表。
表2 铝型材厂废水水质水量表
由上表可知,该厂生产废水主要分为酸碱废水、含锡含镍含氟废水、含铬废水、电泳精制废水,总水量合计为4500吨/天。含锡含镍含氟废水、含铬废水、电泳精制废水经车间预处理后与酸碱废水一同混合排入酸碱综合废水系统。
该废水经处理后,出水水质达到广东省《水污染排放限值(DB44/26-2001)》中的Ⅱ时段一级排放标准。
表3 设计进、出水水质参数(单位:mg/L,pH值除外)
注*:此处进水指标是指几类废水混合后的酸碱综合水质指标。
废水处理工艺
4.1 工艺流程(见图1)
图1 工艺流程框图
4.2 流程说明
根据废水的水质特点,不同生产工序排出的废水分别收集到不同的废水贮槽(池)内。并分别对各类废水进行预处理后再合并一起处理。该厂处理系统主要的设计工艺如下。
4.2.1 酸碱废水
酸碱废水由酸性废水和碱性废水组成,占总水量的90%以上,主要由脱脂、中和、阳极氧化、电泳水洗、除油工序、碱蚀、碱洗工序的水洗过程产生。酸性废水居多,固酸碱废水一般呈酸性。该废水污染物浓度相对较低,一般pH为2~3,COD在150mg/L以下,离子态铜浓度≤2mg/L,经过中和混凝沉淀就可以有效去除废水中的主要污染物。
本工程以酸碱废水的处理为主处理工艺,采用连续的中和+物化沉淀+过滤的治理工艺。
各类废水经单独收集及预处理后,统一收集于酸碱废水调节池与酸碱废水混合匀质,由提升泵将混合匀质后的废水提升至综合废水处理系统,经过pH调整池电石渣乳状液(主要成分是石灰)调节废水的pH值至设定值,同时向废水加入PAC和PAM,废水中的铜、镍等重金属离子以及部分胶体类有机物形成絮体,大颗粒絮体在重力沉淀池沉淀,小颗粒絮体在斜管沉淀池沉淀,污泥排入污泥池。沉淀区上清液流入砂滤池,通过石英细砂的过滤,进一步除低水体的悬浮物质及色度,砂滤池出水排入清水排放池达标排放。
砂滤池运行一定周期后,截留悬浮物不断累积,需要进行反冲洗,反冲洗排水排入酸碱废水调节池再处理。
4.2.2 含铬废水
含铬废水主要来源于钝化工序的水洗过程,主要呈酸性,所含六价铬和总铬是第一类污染物,根据排放标准要求,需要在车间单独收集处理排放。
含铬废水的处理方法常用化学还原法,即利用还原剂将废水中Cr6+还原成Cr3+,再加碱调节pH值,在碱性条件形成Cr(OH)3沉淀除去,这种方法设备投资和运行费用低。
含铬废水由泵提升至pH调整池1,在池内设置pH自动调节加药系统,加酸调pH至2.5-3.5,然后废水流入还原反应池,池内设置ORP自动调节加药控制系统以及搅拌系统,投加还原剂把废水中还原电位控制在280-320mv。六价铬被还原成三价铬,反应完成后废水回调pH进入后续混凝沉淀。沉淀池出水达标排放至酸碱废水调节池,污泥排入含铬污泥系统。
4.2.3 含锡含镍含氟废水
含锡含镍含氟废水主要来源于着色和封孔工序的水洗过程。
镍是第一类污染物,需要在车间收集单独处理达标后排放。含镍废水的处理方式是采用加碱沉淀法,镍离子在pH>9.5以上时,绝大部分镍离子生成氢氧化镍沉淀物。化学反应式原理如下:
Ni2++2OH- Ni (OH)2
大多数氟化物为可溶性物质,利用钙与氟离子生成的氟化钙沉淀物,把氟化钙捕集共沉得以去除。化学反应式原理如下:
Ca2++2OH- CaF2
含锡含镍含氟废水由收集槽泵提升至pH调整池,池内设置pH自动调节加石灰系统,设定反应的pH在9.5-10.5,在碱性条件下,使镍离子、锡离子生成相应的氢氧化物、氟化物生产氟化钙,然后流入混凝反应池,通过投加少量PAC、PAM对金属离子的氢氧化物进行捕集,便于沉淀去除。沉淀池出水达标排放至酸碱废水调节池,污泥排入含镍污泥系统。
4.2.4 电泳精制废水
电泳精制废水主要来源于电泳漆精制离子交换装置产生的阴树脂床再生液、水洗液、碱洗液;阳床再生液、氨洗液、酸洗液;含有难生化降解有机物质及氨氮。
针对电泳精制废水水质特点,可采用Fenton氧化法处理,Fenton试剂氧化法是一种均相催化氧化法。在含有亚铁离子的酸性溶液中投加过氧化氢时,在Fe2+催化剂作用下,H2O2能产生两种活泼的羟基自由基,从而引发和传播自由基链反应,羟基自由基具有非常强的氧化能力,其氧化还原电位高达2.8V,在自然物质中其氧化电位仅次于氟,因此Fenton氧化处理有机物具有良好的效果。
电泳精制废水在车间内经Fenton氧化后去除大部分有机物质,再排入到废水站内与酸碱废水一同处理。
4.2.5 模具碱洗废液
碱洗废液碱度高,pH在10~12左右,每天产生量为2吨。
该厂模具清洗车间设于废水站旁边,碱洗废液单独收集于废碱池中。自流于酸碱综合废水进水渠(酸碱废水调节池前端),用于粗调酸碱废水的pH值以节省处理费用。
4.2.6 污泥处理
本项目中含铬废水和含镍污泥单独在车间处理,分别排入含铬污泥池和含镍污泥池,利用板框压滤机进行压滤,滤液分别进入含铬废水收集槽和含镍废水收集槽,干泥委外处理。
酸碱综合污泥由沉淀池排入综合污泥池内,再由污泥泵加压输送至带式脱水机,污泥加药调质后,再进一步脱水减量、固化,以便污泥后续的运输处置。
铝业废水污泥中含有大量的铝金属,具有一定的回收利用价值,污泥脱水后,交由专业的有资质的回收公司进行处置。
调试的关键
在铝型材废水治理工程调试中,最关键的是对废水的pH值进行控制,使各种金属离子生成难溶的氢氧化物,从而达到最佳的去除效果。
表4 铝、铜、锌、镍适宜的pH范围
由上表和对多项铝型材废水工程的调试效果来看,对于一般的铝型材废水,将pH值控制在7.5~8.5得到的沉淀效果最佳;对于某种金属离子偏多的废水,需根据该金属离子的特性调节pH值。
监测结果及分析
该铝型材废水处理工艺已投入运行使用2年多,设备运转良好,出水水质稳定。下表为抽样监测结果。
表5 铝型材废水处理监测结果
小结
(1)工程实践表明该工艺是合理、可行的。
(2)为保证各类污染物质稳定达标,铝型材表面处理过程产生的少量含铬、含镍含一类污染物废水,需单独在车间处理并达标排放。而电泳精制废水有机物含量高,需单独在车间预处理再排入酸碱综合废水系统。
(3)铝材废水用电石渣处理,可有效去除各类重金属离子及F-,并大大节省运行费用。
(4)铝在溶液中是两性状态,铝离子在废水中也起着净水剂的作用,同时在加入的各种絮凝剂、混凝剂中也含有大量的铝,所以在处理后的水质项目中没有对铝的浓度做出要求。
(5)铝型材废水处理工艺原理简单,操作管理方便。废渣含有大量的氢氧化铝,如加以开发利用,提炼纯净氢氧化铝或制作硫酸铝,将具有广泛用途。
参考文献:
[1]范彤利,顾庆豪.铝型材表面处理废水的处理与回收[J].资源再生,2007年11期.
[2]王祝堂.铝及其表面处理手册[M].南京:江苏科学技术出版社,1992.
社会经济、自然环境和与项目有关的各类基础数据是任何农业和水土保持发展项目所不可缺少的重要组成部分,包含成本和效益在内的经济分析又是所有发展项目的核心内容。对
于世界银行贷款项目,经济分析尤其处于重要地位。所有数据和分析的正确与否,直接关系到项目立项工作的成败.同时也对项目实施的监测与评价产生重大的影响。
一、基础数据的核实和经济分析
的调整与协调的必要性
1.黄土高原水土保持世界银行贷款项目范囝较大.行政医划上包括甘肃、陕西、山西、内蒙古等4省(区)的7个地(盟、市)、21个县(市、旗),涉及黄河流域的九条一级支流;在地貌类型上涉及黄土高原沟壑区丘陵韦}=区、风沙区和黄土丘陵沟壑区的第一、二副区等类型医;在植被类型上涉及落叶阔叶林区、森林草原区和干草原区。
2.本项目虽以水土保持为主.但基础数据和经济分析包括农林、牧、副等多种行业。涉及项目的社会经济、自然环境和与项目有关的各粪基础数据共327张表、4万多个数据;以地区(盟、市)为单位进行的项目经济分析,有成本分析(计算机)文件9个、效益分析(计算机)文件7个,合计l6个经济分析的计算机文件.包括价格、投入定额、产出定额和治理措旃定额等四类.共数千个数据。
在效益分析中,项目要求对每一个子项目区和所选的典型和所选的典型农作物和经营项目作出计算机模型(附表),每个模型包括投入产出实物量、经济预算和财务预算3张表,每张表又包括当前生产技术投入产出模型和新技术投入产出模型.共产生1221张效益分析表格。
附表效益分析模型数量统计
单位生产模区域横型台计
马莲河61970
延河{69蹦
佳芦河;3962
昕水河54】367
蔚柑河艚II54
河保偏33l144
伊盟4dI155
台计33d73{07
在成本分析中,项目要求对每一个子项目区的每一种治理措施做出详细的物资和经费预算
3.准备时间较长,数据需更新。从3991年正式向世界银行提供项目准备文件开始到1994年签约,经历了4个年头在这期阿,我国经历了从计划经济向市场经济的转变.各种生
产资料、农副产品的价格由国家控制的计划调节的单轨制.改变到计划和市场调节的双轨制,进而发展为全部由市场调节的价格体系。其中最为突出的是外汇价格(汇率)的变化。汇率由单轨制发展到双轨制,最终又发展成为|994年开始实行的市场调节价.这使汇率由1994年以前的不到6.突然提高到8.7.猛增了50以上。
综上所述.黄l土高原水土保持世界银行贷款项目的数据涉及面之广、数量之大、要求之高
都是前所未有的,同时还有时间的延伸带来的
显著影响,因此。对于各类数据必须进行核实.
对经济分析必须加以协调和调整,从而达到准
确反映客观事实的目的。
二、基础数据的核实和经济分析
的调整与协调
(一)核实和调整与协调的原则
1.根据国家有关农村经济体制改革的方
针、政策进行核宴、调整和协调。如在确定美元
对人民币的汇率时既要考虑当时的情况,叉要
研究在项目实施和还贷期间汇率的变化,分析
外汇风险的大小。在编制经济分析中的典型农
户模型时考虑国家制定的承包责任制、贫困地
区经济补贴等政策对典型农户产生的影响
2.根据世界银行考察团的意见和建议进行
核实、调整和协调。世界银行贷款项目的立项准
备,特别是其中的经济分析方法和结果归根到
底必须满足世界银行的要求、得到世界银行的
认可方可获得成功。因此.对世界银行提出的意
见和建议必须采取认真和积极的态度如其提
出的省际间同类物资价格、同类作物的投入产
出量等差别不应过大、项目的基础数据应当落
实和调整到1993年水平等意见均得到了采纳,
对此,世行考察团、预评估团和评估团多次表示
满意。
3.根据项目区的实际情况进行核实调整
和协调。核实、调整和协调不是单纯的统一,而
是根据各个子项目区的实际的自然和社会经济
状况区剧对待如从农业发展水平的角度看,山
西的昕水河f属临汾地区)最高。由此向西、向北
依次降低。相应地,农村各业经营状况和经济效
益也产生规律性的变化。在调整过程中,既考虑
了这一规律性的作用,又结合各个子项目区中
的各个不同农村产业(包括各类农作物、韩果的
生产、畜牧草场的经营等)的实际情况进行了既
统一、叉切合实际的调整
·4d·
4.考虑项目准备的历史状况本项目在准
备过程中形成了一定的结构。这包括数据的种
类、数据的要求、初步分析的结果等在项目的
多次核实、调整和协调中必须考虑这些历史因
素,否则将降低世行对项目和项目准备人员的
信任度。因此每一次核实、调整和协调都是在保
证项目中某些基础数量、基本比例不变的情况
下进行。由于这一限制,给调整工作带来了很大
的困难。如,各类价格和汇率发生变化后,人民
币的物价波动指数相应提高.同时国内匹配资
金数额不再增加。在这一情况下.“既要保证项
目基本达到原定的治理面积.叉要将世行贷款
全部支付回来”,就形成了经济分析和计算中的
一大难题。为了解决这一问题,每次都由中央项
目办公室和四省(区)七地(盟)项目办的数十
人耗费上万元的资金、历时2O~40天来解决完
成
5.从技术角度看.在各类分析中必须保证
数据、表格、计算机文件等在形式上的统一性和
同一性。以便于汇总和分析。
6.在考虑以上原则的基础上。最终必须准
确、切合实际,满足台理性原则.达到世界银行
的标准要求
(二)核实、调整与协调的步骤和方法
首先根据各地专业技术人员的经验,结合
当地具体情况提出各类数据的调整意见。如在
确定各子项目区中不同
地类上各种作物的投入
与产出量时。就征求了当地农业科技专家的意
见;在确定各种林地的林术产量时,采用了林业
专家提供的数据。其次.参考有关技术手册中的
相应规定、指标、数据。如在确定化肥和农家肥
的施用量时,参考了农业技术手册中的各类肥
料有效元素含量的理论数据;对于不同树种苗
木产量。参考了林业技术手册中的指标。第三,
在征求了专家意见、参考了技术手册后,各地同
类作物相关数据相差仍然较大,不能满足世行
要求的情况下.进一步采用专业技术人员集体
讨论的方法,根据“大合理.小调整”的原则.再
作统一性调整.直至达到世行认可为止最后,
对于一些派生数据采用试算的方法解决。三、基础数据核实和经济分析
调整与协调的结果
根据世行考察团的意见和建议以及立项进
展的需要,经过多次核实、调整与协调.使各类
数据更加准确与合理,各种水土保持治理措施
的投入更加切合实际,各种地类、各种作物的分
析过程与结果充分满足了世界银行的要求。因
此,1992年世界银行考察团就明确表示,黄土
高原水土保持项目可以不经过预评估,而直接
进行评估。1993年8月项目预评估后,世界银
行项目预评估团认为此项目的前期工作已达
到要求,建议中国方面做好准备.在1993年年
底前进行项目的评估。1993年10月世界银行
评估团按时来项目区,进行了不到20天的工作
后,顺利通过了项目评估.同时提出本项目可以
提前到l993年11月15日开始投入实施。
本项目从1991年6月世界银行第一次考
察到1993年11月项目通过评估投入实施仅用
了两年多的时间。对于总经费超过20亿元、涉
及4个省(区)、包括农、林、牧、水多种行业、达
到扶贫和环境治理双重目的的这一巨大项目
(水利部前部长杨振怀曾说这一项目是黄土高
原的三峡工程),用了如此短的前期准备时间.
这不仅在我国是罕见的,而且在世界银行也是
少有的。世界银行的官员和专家曾多次表示,本
项目是世行所有项目中准备工作做得最好的。
黄土高原水土保持项目之所以能够在短短
的时间内达到世行的要求,通过世行的评怙,这
与及时组织项目各省(区)按照一定规范进行数
据的核实和经济分析的协调与调整是密不可
分、紧密相关的,同时也证明了项目的核实、协
调和调整工作是成功的
四、小结
黄河中游黄土高原近15年来进行了两次
大规模的规划。一次是1983年开始的由国家计
委下达的涉及黄河中游7省(区)的水土保持综
合治理规划,另一次就是本次涉及4省(区)、占
黄河中游60重点水土流失地区(盟)的世界
银行贷款项目规划。本次规划不仅在宏观上进
行了协调,同时在微观上也采用世界银行标准
和计算机技术做了大量的而且是成功的协调和
统一工作。本项目的数据核实和经济分析的调
整与协调工作,不仅使项目在较短时间内完成
了实施前的准备 节约了人力和物力,向世界银
行展示了中国水土保持技术实力(世行评估团
在项目评估总结会上指出.本项目的经济分析
工作量大、面广,采用计算机技术进行这榉大量
和复杂的经济分析工作本身就可以列为一个项
目),而且使黄土高原的水土保持技术水平上了
一个新的台阶,培养了一大批既熟悉国际标准
和计算机技术又掌握了英语的专业技术人员/,!/
总结和回顾本项目的前期准备工作,可以
得出以下有益的经验。
1.对于跨省(医)的大型项目,必须有一个
较高层次、高效率、高水平的组织协调机构。
2.对于跨省(区)的大型项目,必须综台各
个有关专业的技术力量,重视各个层次和各种
类型的协调工作。
3.对基础数据的准备和项目的成本计算、
效益分析应给予高度重视,特别是利用外资项
目尤其如此.否则将延长项目准备时间,增加不
必要的人力和物力投入。
4.我国各级水土保持部门当前应加强技术
力量,推广应用新技术、新设备,增加技术储备,
与国际标准接轨,最终达到提高水土保持技术
水平,增强水土保持部门活力,完成水土保持治
理任务的目的
《治淮》征订启事
《治淮》是水利部淮河水利委员会主办的国内外公
开发行的练占性水利月刊主要栏目有要文√五重点
工程、活理与开发、防汛抗早水政水资源、农村水利、水
土保持、工程管理、水利科技及水文化、浪花集、知识窗
等。内窖丰富.图文并茂。《治难海月15日出版.每期
定价1.50元,全年每份价】8.00元全国各地脚I电局均