夾巖水利樞紐工程施工涌水水質(zhì)特征及處理

（貴州省水利投資（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550081）

夾巖水利樞紐工程及黔西北供水工程（以下簡稱“夾巖工程”）是貴州省最大的水資源綜合配置工程，渠線總長648.19 km，其供水隧洞穿越大量區(qū)域性的斷裂帶。在斷裂影響帶內(nèi)，巖體擠壓特征明顯，巖體破碎，裂隙繁多且復(fù)雜，泥質(zhì)粉砂巖、中厚層細(xì)砂巖等巖層交互其中；由于大多數(shù)隧洞位于地下水水位線以下，隧洞開挖常常伴隨涌水突泥事故［1］。以往研究主要集中在涌水突泥成因機(jī)制［2］、危害預(yù)測［3］、處理措施［4-5］等方面，鮮有針對涌水突泥水污染防治方面的研究。

夾巖工程隧洞施工期間共發(fā)生涌水突泥事件20起，本文選取其中具有代表性的3起事故，通過全面分析水質(zhì)污染過程及特征，明確施工廢水中主要物質(zhì)、污染源，并結(jié)合隧址區(qū)水文地質(zhì)條件，有針對性地提出處理工藝建議。從監(jiān)測研究、建設(shè)管理角度，探討了夾巖工程涌水突泥過程中水污染防治措施，可為同類隧道涌水突泥的防治及處理提供參考。

1 廢水污染物分析

1.1 廢水水質(zhì)監(jiān)測

研究選取畢大1標(biāo)王家壩隧洞1號施工支洞、北干4標(biāo)長石板隧洞4號施工支洞、北干6標(biāo)余家寨隧洞3號施工支洞作為研究對象。為排除因施工擾動對背景水質(zhì)的影響，在隧洞內(nèi)設(shè)置洞室涌水監(jiān)測點(diǎn)，背景水取自各隧洞施工支洞涌水點(diǎn)，施工廢水取自各隧洞施工支洞洞口。3個(gè)隧洞施工支洞洞口下游為總溪河、附廓水庫等飲用水源地二級保護(hù)區(qū)，因此排放標(biāo)準(zhǔn)參照GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》［6］III類標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行（見表1），各隧洞水質(zhì)檢測結(jié)果見表2。地下水環(huán)境監(jiān)測分析方法按HJ/T164-2004《地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》［7］中有關(guān)規(guī)定執(zhí)行，見表3。

1.2 水質(zhì)特征分析

（1）背景水。由表2可知，3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的背景水pH值在7.2～7.3之間，酸堿度呈現(xiàn)中性；高錳酸鹽指數(shù)、硝酸鹽、氨氮、化學(xué)需氧量以及糞大腸桿菌濃度均低于排放標(biāo)準(zhǔn)值，而石油類出現(xiàn)超標(biāo)情況，范圍在0.46～0.76 mg/L。由于背景水取樣點(diǎn)位于隧道內(nèi)的涌水點(diǎn)，可以排除在隧道開挖過程中機(jī)械漏油的可能性，因此背景水石油類污染物濃度超標(biāo)可能是石油類物質(zhì)少量滲漏所致。僅S3懸浮物濃度高于排放標(biāo)準(zhǔn)，為153 mg/L。懸浮物超標(biāo)主要是因?yàn)樗淼牢挥谒痪€以下，且穿過的地質(zhì)斷層或者巖石裂隙中含有大量的砂礫、黏土等，隧道開挖后形成匯水點(diǎn)，大量地下涌水?dāng)y帶可形成懸浮物的砂礫、土粒涌入隧道［8］。

表1 GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》III類排放標(biāo)準(zhǔn)

表2 各隧洞背景水和施工廢水水質(zhì)

（2）施工廢水。3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)施工廢水pH值在7.4～8.4，偏堿性，這主要與注漿等施工過程中所使用的注漿漿液、混凝土添加劑有關(guān)［9］。高錳酸鹽指數(shù)、硝酸鹽、氨氮、化學(xué)需氧量以及糞大腸桿菌濃度均低于排放標(biāo)準(zhǔn)值。石油類與懸浮物濃度分別在1～3.9 mg/L與234～28 700 mg/L，均超出允許排放濃度，懸浮物主要是在爆破、開挖、注漿、襯砌過程中產(chǎn)生的粉塵、泥土、水泥等物質(zhì)與背景水混合所致［10］。石油類物質(zhì)濃度較高，除背景水中含量較高的因素外，主要是由于隧洞開挖過程中機(jī)械設(shè)備油泄漏所致［11］。

對比表3結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，受隧洞施工擾動，背景水的pH值、懸浮物以及石油類物質(zhì)濃度均有不同程度的上升，其中懸浮物濃度增加最為顯著，但pH值仍在允許值范圍內(nèi)。

表3 地下水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測分析方法

2 涌水處理工藝

考慮施工涌水量、水質(zhì)特征、處理成本、場地空間等因素，采用“沉砂+絮凝沉淀”的組合處理工藝，提出了“成套設(shè)備”方案和“土建構(gòu)筑物”兩種方案。

2.1 成套設(shè)備方案

成套設(shè)備方案的設(shè)計(jì)參數(shù)如下。

（1）旋流沉砂器。選用YZJ-200XCS型鋼制旋流沉砂器1套，處理能力200 m3/h，主要作用是去除廢水中的砂粒和土粒。

（2）絮凝沉淀器。選用YZJ-200CG型高效絮凝沉淀器1套，處理能力200 m3/h，其主要作用是去除廢水中含有的大量懸浮物。

（3）廢水提升泵。選用WQ100-200-15-18型潛水排污泵2臺，其流量為200 m3/h，揚(yáng)程15 m，功率18 kW。

（4）加藥裝置。選用JB-DC-1000型加藥裝置2套，有效容積1 000 L，功率0.75 kW。

（5）加藥泵。選用CHL2-20型加藥泵3臺，流量為0.5 m3/h，揚(yáng)程19 m，功率0.37 kW。

（6）管道泵。選用ALL2-20型加藥泵1臺，流量為2.5 m3/h，揚(yáng)程19 m，功率0.75 kW。

（7）潷水器。選用BSO-44.7-2.2型潷水器1臺；配套水泵ALL65-100（I）A，流量為44.7 m3/h，揚(yáng)程10 m，功率2.2 kW。

（8）污泥泵。選用型號為50SYA65-22的污泥泵2臺，流量為20～70 m3/h，揚(yáng)程30～65 m，電機(jī)功率N=22 kW，用于將污泥濃縮池的濃縮污泥輸送至棄渣場。

（9）潛水泵。選用型號為WQ10-10-0.75的潛水泵1臺，流量為10 m3/h，揚(yáng)程10 m，電機(jī)功率N=0.75 kW，用于污泥泵內(nèi)的積水排出。

2.2 土建構(gòu)筑物方案

土建構(gòu)筑物方案的設(shè)計(jì)參數(shù)如下。

（1）沉砂池。2座鋼筋混凝土沉砂池交替使用，單座占地面積65 m2。沉淀時(shí)間T1=25 min，水平流速v=4.7 mm/s，有效水深H1=3 m。平流式沉砂池長L1=0.06vT1=7 m。平流式沉砂池容積W1=QmaxT1/60=84 m3，平流式沉砂池寬B1=W1/（H1L1）=4 m。

（2）絮凝沉淀池。沉淀時(shí)間T2=1.6 h，絮凝時(shí)間T3=25 min。沉淀池平均水平流速v=2.6 mm/s。沉淀池長L2=3.6vT2=15 m。沉淀池容積W2=QmaxT2=315 m3。絮凝池容積W3=QmaxT3=84 m3。沉淀池寬B1=W2/（H1L2）=7 m。絮凝池長L3=W3/（H1B1）=4 m。

（3）污泥池。污泥池容積W4=36 m3；池長L4=6 m；水深H2=1 m。

（4）加藥設(shè)備。加藥設(shè)備由2箱2泵1臺電動攪拌器組成，每個(gè)液體藥劑箱容積1 m3。加藥設(shè)備1臺。聚合氯化鋁有效物質(zhì)含量29%～31%［12-13］，使用時(shí)按1∶4（聚合氯化鋁∶水）稀釋，按4‰體積投加率投加，并根據(jù)廢水濃度通過可調(diào)開關(guān)調(diào)節(jié)。

（5）橋式吸泥機(jī)。行走電機(jī)功率2×0.25 kW，潛污泵處理量30 m3/h，揚(yáng)程4 m，功率1.1 kW。

3 涌水處理效果分析

采取廢水處理措施后，分別于2016年12月（Q1）、2017年7月（Q2）、2017年12月（Q3）、2018年7月（Q4）對3條施工支洞的進(jìn)口、出口處水質(zhì)進(jìn)行了檢測，廢水處理措施效果如圖1所示。

由圖1可知，進(jìn)水懸浮物濃度35～1 532 mg/L，經(jīng)處理后出口水體懸浮物濃度25～173 mg/L，懸浮物平均去除率93.34%。進(jìn)水口石油類物質(zhì)濃度1.03～3.9 mg/L，在出口處降為0.53～0.89 mg/L，去除率達(dá)62.86%。經(jīng)處理，pH值、高錳酸鹽、硝酸鹽、化學(xué)需氧量濃度均有所降低，而氨氮濃度及糞大腸桿菌數(shù)量增加。出口處水體pH值在6.82～7.41，平均去除率1.92%；高錳酸鹽濃度0.5～1.25 mg/L，平均去除率為17.30%；硝酸鹽濃度0.2～2.7 mg/L，平均去除率7.71%；化學(xué)需氧量5～13 mg/L，平均去除率為16.960%；氨氮濃度 0.06～0.46 mg/L，平均去除率-113.57%；糞大腸桿菌數(shù)量為20～2 650個(gè)/L，平均去除率-21.52%。

圖1 廢水處理措施后進(jìn)口、出口水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果

出口水體懸浮物和石油類物質(zhì)濃度略高于地下水III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，尤其是S2監(jiān)測點(diǎn)Q1監(jiān)測期，出口水體懸浮物濃度為173 mg/L，是標(biāo)準(zhǔn)值的5.77倍，屬于超標(biāo)排放。超標(biāo)排放原因?yàn)椋孩倏赡芘c施工廢水進(jìn)水中懸浮物濃度（1 535 mg/L，是標(biāo)準(zhǔn)值的51.07倍，遠(yuǎn)高于排放標(biāo)準(zhǔn)）較高有關(guān)；②同期洞內(nèi)涌水量達(dá)到了0.55 m3/s，涌水流量激增也是導(dǎo)致懸浮物處理不徹底的因素之一。針對部分監(jiān)測點(diǎn)出口水體懸浮物濃度過高的情況，在廢水處理時(shí)，可依據(jù)受污染水體流量、懸浮物濃度等，通過調(diào)整絮凝劑濃度、總量以及加藥周期等方式，提高懸浮物去除率［14-15］。

在此次水質(zhì)監(jiān)測研究中，pH值、高錳酸鹽指數(shù)、硝酸鹽、化學(xué)需氧量均有不同程度的降低，平均去除率僅10.97%，遠(yuǎn)不及懸浮物、石油類物質(zhì)處理水平，這與施工廢水本身含量低有關(guān)。由于pH值、高錳酸鹽、硝酸鹽、化學(xué)需氧量濃度均低于國家排放標(biāo)準(zhǔn)，所以上述指標(biāo)降幅均不顯著。氨氮、糞大腸桿菌濃度（量）在經(jīng)過處理后，雖然達(dá)到允許排放標(biāo)準(zhǔn)，但較處理之前有所上升，這可能是施工廢水處理設(shè)施暴露在室外，受到外源污染所致。夾巖工程洞室涌水經(jīng)處理后總體上處于良好狀態(tài)，除個(gè)別監(jiān)測時(shí)段懸浮物和石油類物質(zhì)濃度略高外，大部分監(jiān)測指標(biāo)均達(dá)到地下水III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語

通過對3個(gè)監(jiān)測隧洞施工廢水處理效果進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，降低水體懸浮物濃度是需要解決的首要問題，石油類物質(zhì)次之。采用成套設(shè)備或土建構(gòu)筑物方案的“沉砂+絮凝沉淀”組合處理工藝，懸浮物、石油類物質(zhì)的去除率分別可達(dá)到93.34%、62.82%。經(jīng)過廢水處理后，懸浮物濃度在25～173 mg/L，屬于超標(biāo)排放。受實(shí)施場地、建造成本等因素制約，建議通過調(diào)整絮凝劑濃度、總量以及加藥周期等方式來提高處理效果。廢水處理設(shè)施存在受到外源污染的情況，建議通過設(shè)置簡易遮蓋、定期清理沉淀池等措施，加強(qiáng)對施工廢水處理設(shè)施的養(yǎng)護(hù)管理。