喀斯特地區(qū)隧洞涌水處理措施設(shè)計(jì)

侯業(yè)楹，徐 江，劉 靈

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州省喀斯特地區(qū)水資源開發(fā)利用工程技術(shù)研究中心,貴州 貴陽(yáng) 550002)

水利水電工程隧洞施工過(guò)程中，對(duì)隧洞涌水的研究集中于涌水量預(yù)測(cè)、隧洞涌水“堵、引、排”等處理方案研究，而其對(duì)環(huán)境造成的污染以及廢水涌水處理方式研究相對(duì)較少。地下水的影響因素總體可分為自然因素和人為因素，近年來(lái)，地下水開采對(duì)環(huán)境影響的研究成為國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究熱點(diǎn)，目前正在施工的貴州省夾巖水利樞紐及黔西北供水工程，由于地處喀斯特典型地區(qū)，巖溶發(fā)育，地下水分布復(fù)雜，在施工過(guò)程中已產(chǎn)生17處隧洞涌水點(diǎn)，各個(gè)涌水點(diǎn)均具有涌水量大、懸浮物含量高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，若處理不及時(shí)，將對(duì)工程周邊河流水資源、飲用水源、農(nóng)田等會(huì)造成污染，導(dǎo)致區(qū)域水環(huán)境承載力下降，而此問(wèn)題已成為夾巖工程施工中突出的環(huán)保問(wèn)題，引起了參建各方和地方環(huán)保主管部門的高度重視。

1 工程概況

夾巖水利樞紐及黔西北供水工程以供水和灌溉為主，兼顧發(fā)電等綜合利用，為Ⅰ等大(1)型工程。夾巖水庫(kù)正常蓄水位1323m，總庫(kù)容13.25億m3，城鄉(xiāng)供水4.581億m3/a，灌溉毛灌溉供水量為2.35億m3/a。工程由水源工程、畢大供水工程和灌區(qū)骨干輸水工程3部分組成，涉及畢節(jié)、遵義兩個(gè)地級(jí)市，受水對(duì)象包括七星關(guān)區(qū)、納雍縣等10個(gè)縣(區(qū))69個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)365個(gè)農(nóng)村集中聚居點(diǎn)。

畢大供水工程和灌區(qū)骨干輸水工程干渠總長(zhǎng)317.781km，其中，隧洞總長(zhǎng)135.582km，共56座，單個(gè)隧洞長(zhǎng)度大于1km的有14座。

長(zhǎng)石板隧洞總長(zhǎng)15.412km，隧洞為無(wú)壓引水隧洞，采用圓形斷面，內(nèi)徑2.6m，設(shè)計(jì)水深3.815m。長(zhǎng)石板隧洞于2015年10月動(dòng)工，目前已貫通13.065km，剩余2.347km預(yù)計(jì)于2019年5月貫通。

2 隧洞涌水原因及涌水量

隧洞施工對(duì)地下水環(huán)境造成影響主要是通過(guò)改變賦存地下水的地質(zhì)環(huán)境從而改變影響范圍內(nèi)地下水天然補(bǔ)徑排條件，使地下水以隧洞為中心構(gòu)成新的匯勢(shì)，在隧洞排水影響范圍內(nèi)形成新的地下水循環(huán)系統(tǒng)，進(jìn)而改變影響區(qū)地下水的分布格局。特別是在隧洞穿越巖溶區(qū)時(shí)，一旦挖斷地下水的連通管道，或穿越巖溶區(qū)強(qiáng)含水層及地下水暗河，施工過(guò)程中則易引起涌水。

2016年7月，長(zhǎng)石板隧洞4#支洞出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，正常情況水量最大約3000m3/d或125m3/h。隧洞廢水懸浮物含量較高，廢水直接進(jìn)入下游溝渠，流經(jīng)途中對(duì)土壤造成污染，造成農(nóng)田土壤板結(jié)，引起了村民與施工單位糾紛。

3 隧洞涌水水質(zhì)

2016年12月，對(duì)長(zhǎng)石板隧洞4#支洞洞內(nèi)涌水點(diǎn)、洞室廢水處理設(shè)施進(jìn)口水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。隧洞洞內(nèi)涌水點(diǎn)各監(jiān)測(cè)指標(biāo)濃度均較低，但隧洞涌水抽排至廢水處理設(shè)施進(jìn)口時(shí)，受洞內(nèi)施工活動(dòng)影響，各監(jiān)測(cè)指標(biāo)濃度明顯升高，特別是特征污染物懸浮物、石油類濃度大幅度增加，其中懸浮物濃度從2mg/L增加至28702mg/L，石油類濃度從0.755mg/L增加至3.815mg/L。隧洞涌水水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)見表1。

表1 隧洞涌水水質(zhì)監(jiān)測(cè)成果表

4 隧洞涌水處理措施

長(zhǎng)石板隧洞4#支洞產(chǎn)生隧洞涌水后，施工單位及時(shí)在施工場(chǎng)地內(nèi)采用二級(jí)沉淀池對(duì)隧洞廢水進(jìn)行處理，但處理效果較差。經(jīng)設(shè)計(jì)優(yōu)化后，采用預(yù)沉調(diào)節(jié)池+絮凝混合池+沉淀池+污泥池進(jìn)行處理。處理方案流程如圖1所示。

圖1 隧洞涌水處理方案流程圖

隧洞涌水處理流程：用管道將隧洞廢水引至預(yù)沉池，進(jìn)行初步沉砂；絮凝劑先溶于水后，由計(jì)量泵抽至管道混合器，經(jīng)初沉后的隧洞廢水引至管道混合器，與絮凝溶液混合；隧洞廢水與絮凝液在絮凝混合池充分混合后，進(jìn)入沉淀池沉淀，上層清水排放或回用，絮凝混合池污泥采用吸泥泵吸至沉淀池，與其沉積污泥一同采用橋式吸泥機(jī)抽至污泥池；污泥池上層清水排放或回用，施工單位應(yīng)根據(jù)泥沙淤積程度安排清淤頻次(不超過(guò)2天清理一次)；下層污泥干化后清運(yùn)至渣場(chǎng)填埋。

(1)沉砂池

停留時(shí)間T1=30min。

沉砂池容積W=QmaxT1/60=200×30/60=100m3。

考慮沉砂池池高為3.3m，超高0.3m，有效水深H=3.0m。

沉砂池寬B=(W/H)^0.5=(96/2.7)^0.5=5.77m，取6m。

(2)隔板絮凝池+平流式沉淀池

沉淀時(shí)間T1=3.0h。

沉淀池平均水平流速v=2.7mm/s。

沉淀池長(zhǎng)L1=3.6vT1=3.6×2.7×3.0=29.16，取30m。

沉淀池容積W1=QmaxT1=200×3.0=600m3。

沉淀區(qū)有效水深取3m，超高0.3m，沉淀池池高3.3m。

沉淀池寬B1=W1/(H1L1)=600/(3×30)=6.6m。

絮凝混合池根據(jù)地形布置，考慮設(shè)置3級(jí)，每級(jí)長(zhǎng)×寬×高=2m×1.8m×3.3m。

(3)加藥設(shè)備

考慮到液體藥劑配備，加藥設(shè)備由2箱2泵1臺(tái)電動(dòng)攪拌器組成，考慮每班工作8h，每個(gè)液體藥劑箱容積按8h液體投加量進(jìn)行加工定制，兩個(gè)藥箱輪流使用。

絮凝劑選用聚合氯化鋁。商品聚合氯化鋁有效物質(zhì)含量29%～31%，25kg/袋。使用時(shí)先用水按1∶4稀釋，攪拌均勻后用可調(diào)開關(guān)根據(jù)排水濁度加入藥劑，有效投加比例為1L水配比10～50mg固體藥劑。

(4)絮凝混合池污泥泵

選用WNL50- 8型立式液下泥漿泵2臺(tái)，流量20m3/h，揚(yáng)程9m，功率1.5kW。

(5)污水排放

4#支洞施工區(qū)下游有一條天然溪溝，修建一條約1500m長(zhǎng)漿砌石排水溝(內(nèi)部尺寸為0.6×0.5m)對(duì)隧洞排水進(jìn)行引排，嚴(yán)禁污水漫流至溪溝。

5 隧洞涌水處理效果監(jiān)測(cè)

2017年8月、12月，2018年7月，對(duì)4#支洞涌水處理設(shè)施排水口水質(zhì)進(jìn)行3期監(jiān)測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，涌水處理設(shè)施排水口各監(jiān)測(cè)指標(biāo)均能達(dá)到GB/T 14848—2017《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

針對(duì)隧洞涌水特征污染物懸浮物、石油類，處理后懸浮物濃度平均值為31mg/L，處理后石油類濃度平均值為0.005mg/L，遠(yuǎn)低于涌水處理設(shè)施進(jìn)口濃度監(jiān)測(cè)值，說(shuō)明施工單位在嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案實(shí)施后，隧洞涌水處理效果較好。監(jiān)測(cè)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 隧洞涌水處理后水質(zhì)監(jiān)測(cè)成果統(tǒng)計(jì)表

6 結(jié)論

(1)隧洞穿越巖溶區(qū)時(shí)，一旦挖斷地下水的連通管道，或穿越巖溶區(qū)強(qiáng)含水層及地下水暗河，施工過(guò)程中易引起涌水。

(2)2016年7月，長(zhǎng)石板隧洞4#支洞出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，正常情況水量最大約3000m3/d或125m3/h。隧洞洞內(nèi)涌水點(diǎn)各監(jiān)測(cè)指標(biāo)濃度均較低，但隧洞涌水抽排至廢水處理設(shè)施進(jìn)口時(shí)，受洞內(nèi)施工活動(dòng)影響，各監(jiān)測(cè)指標(biāo)濃度明顯升高，特別是特征污染物懸浮物、石油類濃度大幅度增加。

(3)經(jīng)設(shè)計(jì)優(yōu)化后，采用預(yù)沉調(diào)節(jié)池+絮凝混合池+沉淀池+污泥池進(jìn)行處理。修建排水溝對(duì)隧洞排水進(jìn)行引排，嚴(yán)禁污水漫流至溪溝。

(4)經(jīng)處理后，4#支洞涌水處理設(shè)施排水口水質(zhì)較好，針對(duì)隧洞涌水特征污染物懸浮物、石油類，處理后懸浮物濃度平均值為31mg/L，處理后石油類濃度平均值為0.005mg/L，遠(yuǎn)低于4#施工支洞洞室廢水處理設(shè)施進(jìn)口濃度監(jiān)測(cè)值，說(shuō)明施工單位在嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案實(shí)施后，隧洞涌水處理效果較好，此方法可供喀斯特巖溶地區(qū)修建輸水隧洞的引水工程借鑒。