越南某電廠新建煤碼頭排水系統(tǒng)設(shè)計方案優(yōu)化

李華平，汪 蓮

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032)

長期以來，電力一直是一個國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的先鋒，其健康良性的發(fā)展?fàn)顩r直接影響著國計民生。對于國內(nèi)外眾多沿海或沿江燃煤發(fā)電廠而言，卸煤碼頭作為其不可或缺的組成部分，主要負(fù)責(zé)裝卸及輸送電廠日常燃煤發(fā)電所需要的燃料。電廠煤碼頭在日常卸煤過程中，不可避免地會產(chǎn)生揚塵降落在碼頭面上；在卸船機將煤炭從船舶轉(zhuǎn)移至皮帶機過程中存在跑、冒、滴、漏現(xiàn)象，散落的煤炭顆粒及粉塵降落至碼頭面；此外，皮帶機在運行過程中的振動作用，也會使皮帶機上的少量煤炭顆粒散落于碼頭面。這些煤炭顆粒及粉塵如果不加以收集處理，則逢降雨或在沖洗碼頭面時將隨雨水或沖洗廢水進(jìn)入附近水域，給周邊環(huán)境和水域帶來污染。隨著世界各國對環(huán)境保護(hù)的日益重視，對環(huán)保的要求和與之相適應(yīng)的法律法規(guī)也日益規(guī)范嚴(yán)格，污染防治已成為各國政府關(guān)注的焦點。因此，在進(jìn)行煤碼頭設(shè)計時，為煤碼頭設(shè)計一套合理有效的排水系統(tǒng)尤為重要。本文以越南某燃煤電廠新建煤碼頭的排水系統(tǒng)設(shè)計為例，對外方提供的排水系統(tǒng)設(shè)計方案從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度進(jìn)行剖析，指出其存在的不足，并提出優(yōu)化建議，可為類似工程項目提供借鑒。

1 項目背景

越南某燃煤電廠為滿足當(dāng)?shù)仉娏Φ陌l(fā)展需求，擬對電廠進(jìn)行擴建。同時，為保障電廠的正常運行、供應(yīng)電廠日常運行所需的燃料，需要同步新建1座10萬噸級燃煤卸船碼頭及輸煤系統(tǒng)。由于該項目的建造采用總承包方式，項目設(shè)計方案由外方提供，包含碼頭排水系統(tǒng)設(shè)計方案,總承包方負(fù)責(zé)進(jìn)行施工圖深化設(shè)計。該電廠新建煤碼頭總平面布置見圖1[1]。該碼頭長310 m，寬25 m，碼頭前沿線距離后方陸域79.98 m。碼頭水工結(jié)構(gòu)共設(shè)置3個分段，第1分段長103 m,第2分段長104 m，第3分段長103 m。碼頭面設(shè)置1條皮帶機、1座轉(zhuǎn)運站，并配置2臺連續(xù)式卸船機用于船舶煤炭卸載。

圖1 原碼頭總平面布置(單位： mm)

2 排水方案分析

從圖1中可以看出，外方提供的設(shè)計方案已考慮碼頭排水系統(tǒng)，其方案遵循“先收集、再統(tǒng)一處理”的原則，在碼頭每個分段處均設(shè)置4座集水坑，整個碼頭共設(shè)有12座集水坑。該煤碼頭水工結(jié)構(gòu)在設(shè)計過程中已綜合考慮排水問題，并于水工結(jié)構(gòu)面層設(shè)置0.5%的排水坡向，以便降雨徑流或碼頭面沖洗時產(chǎn)生的沖洗廢水順著水工結(jié)構(gòu)面層的坡向流入集水坑，被收集的雨水或沖洗廢水經(jīng)過潛污泵提升，通過管道輸送至后方陸域污水處理廠集中統(tǒng)一處理。

根據(jù)外方提供的資料，碼頭面設(shè)置的集水坑尺寸均為2.0 m×1.5 m×2.0 m(長×寬×深)，單個集水坑容積僅6.0 m3，整個碼頭共設(shè)有12座集水坑，故所有集水坑的總?cè)莘e為72 m3。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，本工程所在地降雨頻繁，降雨量較大。以當(dāng)?shù)靥峁┑慕涤曩Y料為基礎(chǔ)，設(shè)計重現(xiàn)期2 a一遇的降雨強度為37.4 mmh[2]，降雨量達(dá)290 m3。由此看來，該方案在碼頭上設(shè)置的集水坑儲水能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足排水系統(tǒng)的設(shè)計要求。

此外，由于集水坑均設(shè)置在碼頭面以下，集水坑收集的碼頭面雨水及沖洗廢水須通過潛污泵提升，送至后方陸域污水處理廠處理。為確保碼頭排水安全順暢，潛污泵的設(shè)置按照一用一備原則考慮，每個集水坑設(shè)置2臺潛污泵，總計需要設(shè)置24臺潛污泵，不僅大大增加了碼頭排水系統(tǒng)的建造成本，而且還給碼頭后期維護(hù)管理工作帶來較大負(fù)擔(dān)。因此，從經(jīng)濟(jì)性和維護(hù)管理便利性角度看，外方提供的排水系統(tǒng)設(shè)計方案尚待改善。

圖2是外方提供的碼頭橫斷面。可以看出，該碼頭前后沿均設(shè)置有鋼軌，用于卸船機移位，鋼軌頂面高出碼頭面一定高度。受水工結(jié)構(gòu)面層坡度導(dǎo)向的影響，2根鋼軌之間區(qū)域的雨水或沖洗廢水可以順利地流入集水坑內(nèi)，而2根鋼軌外側(cè)區(qū)域雨水只能順著坡度流向地勢低洼處，無法被集水坑收集，其最終出路只能通過護(hù)輪坎上的缺口直接排入水體。

圖2 原碼頭橫斷面(高程： m；尺寸： mm)

煤碼頭較其他碼頭而言有其特殊性，碼頭面上散落的灰塵顆粒給排水系統(tǒng)提出更高的要求。在外方提供的排水方案中，降雨徑流向集水坑匯集時，流行距離較遠(yuǎn)，碼頭面的降雨徑流攜帶著這些微小顆粒形成一個混濁的薄水流層。事實表明，絕大部分顆粒在流進(jìn)集水坑之前已經(jīng)歷沉淀過程，導(dǎo)致碼頭面上沉淀物較多，只能通過人工沖洗或清掃的方式加以清除，增加人工清理作業(yè)量和成本。

越南政府對本項目的環(huán)境保護(hù)工作提出嚴(yán)格的要求，其中“零排放”是較為重要的一條。將越南政府的環(huán)保精神切實落實到本碼頭排水系統(tǒng)的設(shè)計中，無疑需要做到，實現(xiàn)碼頭面區(qū)域所有降雨徑流及沖洗廢水的全面收集處理，無未經(jīng)處理雨水直接排入水體的現(xiàn)象。而通過上述分析可知，從技術(shù)層面和經(jīng)濟(jì)層面看，原設(shè)計方案均不能達(dá)到越南政府的環(huán)保要求，其合理性有待商榷。

3 排水方案優(yōu)化

我國煤炭資源豐富，煤炭需求量旺盛，用于煤炭運輸中轉(zhuǎn)的煤碼頭數(shù)量眾多，其中專門為燃煤電廠服務(wù)的煤碼頭數(shù)量也頗多，在煤碼頭排水系統(tǒng)設(shè)計方面已形成較為成熟的方案，在防治煤碼頭污水污染方面積累了較為豐富的經(jīng)驗[3]。

結(jié)合外方提供的煤碼頭總平面布置，國內(nèi)在排水系統(tǒng)設(shè)計方面的通常做法見圖3。鑒于碼頭區(qū)域面積較大，排水系統(tǒng)將結(jié)合水工結(jié)構(gòu)分段考慮分區(qū)塊排水。整個碼頭面分為3個分段，在每個分段中部均設(shè)置1個集水池。集水池大小可利用碼頭結(jié)構(gòu)縱橫梁，澆筑一個底板形成集水空間。3個分段的平面尺寸分別為103 m×25 m、104 m×25 m、103 m×25 m。同樣以當(dāng)?shù)靥峁┑慕涤曩Y料為基礎(chǔ)，設(shè)計重現(xiàn)期2 a一遇的降雨強度為37.4 mmh，碼頭面徑流系數(shù)取值0.95，則每個分段的降雨量分別為91.5、92.4、91.5 m3。根據(jù)水工結(jié)構(gòu)資料，樁基排架間距5.6 m，縱梁間距7.0 m，碼頭面至梁底深度2.2 m，碼頭面板厚度0.4 m，一個井字方格集水量約70 m3，采用2個井字方格，則存水量約140 m3。每個分段處的井字方格儲水量均大于該區(qū)域的設(shè)計降雨量，滿足排水系統(tǒng)的設(shè)計要求。

圖3 優(yōu)化碼頭集水池和排水溝布置(單位：mm)

上述碼頭面每個分段處均設(shè)置2個井字方格，2個方格之間通過橫梁上的預(yù)留孔洞相互連通，形成一個大的集水池。每個集水池內(nèi)只須設(shè)置2臺潛污泵，將集水池內(nèi)收集的雨水或沖洗廢水提升，經(jīng)管道輸送至后方污水處理廠處理。這樣，整個碼頭僅須設(shè)置6臺潛污泵，水泵數(shù)量減少了75%。雖然優(yōu)化方案所選單臺潛污泵流量會略有增大，單臺水泵造價也會有所提高，但是從整體造價來看，6臺水泵的成本比24臺水泵的成本將大幅度降低。此外，由于水泵數(shù)量大幅減少，后期維護(hù)管理工作量也大幅減小。

按照國內(nèi)習(xí)慣做法，排水系統(tǒng)一般利用碼頭面現(xiàn)有的橫向坡度，在2根鋼軌之間設(shè)置1條排水溝，碼頭面形成的徑流通過橫向坡度進(jìn)入排水溝，再匯入集水池內(nèi)。與外方排水方案相比，碼頭面上降雨徑流的運動路程減小，使微小顆粒的水平位移縮短，避免大量微小顆粒沉淀在碼頭面上，其作用機理可以用平流理想沉淀池原理進(jìn)行解釋。

如圖4所示，從A點進(jìn)入的顆粒的運動軌跡是水平流速v和顆粒沉速u的矢量和。而這些顆粒中必然存在著某一粒徑的顆粒，其沉速為u0，恰好能沉到池底D點[4]。結(jié)合外方提供的排水設(shè)計方案中碼頭面上沉淀的顆?？紤]，將薄層水面假想為一個平流理想沉淀池，當(dāng)采用集水坑收水時，由于雨水徑流水平流行距離較長，即假想沉淀池的沉淀區(qū)較長，大量沉速小于u0的顆粒也沉淀在碼頭面；而當(dāng)采用排水溝收集時，由于雨水徑流水平流行距離縮短，即假想沉淀池的沉淀區(qū)長度L減小，使得原本會沉淀到碼頭面的顆粒已不滿足沉淀條件，大量沉速小于u0的顆粒與沉速大于u0的顆粒一起隨著薄水層流進(jìn)排水溝，而無法在碼頭面上沉淀累積，保證了碼頭面的干凈整潔。除此之外，本工程改進(jìn)排水理念，將排水溝同時作為雨水收集溝和初沉池使用[5]，對于流進(jìn)排水溝的顆粒而言，各分段排水溝的長度較長，為顆粒在排水溝內(nèi)沉淀創(chuàng)造了良好的環(huán)境。

圖4 顆粒沉淀原理

通過對比分析可知，國內(nèi)習(xí)慣做法的排水系統(tǒng)較外方提供的排水方案具有一定的優(yōu)越性，可降低排水系統(tǒng)的維護(hù)難度、減少清淤作業(yè)時間[6]。但就全面收集碼頭面上的雨水和沖洗廢水而言，仍有待改善。為此，本次排水系統(tǒng)的設(shè)計在國內(nèi)習(xí)慣做法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化，即充分考慮2條鋼軌外側(cè)區(qū)域雨水無法收集的情況，結(jié)合該區(qū)域匯水面積較小的特點，在碼頭前后沿各增設(shè)1條小型排水溝，利用水工結(jié)構(gòu)面層的坡度，全面收集碼頭面外泄的雨水、沖洗廢水，達(dá)到“零排放”的環(huán)保要求。

如圖5所示，鋼軌外側(cè)的雨水、沖洗廢水順著坡度流入碼頭前后沿處設(shè)置的排水溝，再利用管道將其輸送至集水池，而后通過潛污泵提升至后方陸域集中處理。該方案有效地收集了整個碼頭面上的雨水及沖洗廢水，大大減輕碼頭所在水域污染。該煤碼頭在實施過程中，其排水系統(tǒng)已按優(yōu)化方案落實，碼頭面上的雨水、沖洗廢水得到全面收集，碼頭面上顆粒沉淀的現(xiàn)象大大緩解，碼頭排水系統(tǒng)運行狀態(tài)良好，達(dá)到“零排放”要求。

圖5 進(jìn)一步優(yōu)化后碼頭排水溝布置(高程：m；尺寸：mm)

4 結(jié)論

1)通過將外方提供的排水系統(tǒng)設(shè)計方案與國內(nèi)習(xí)慣做法進(jìn)行對比分析可知，原方案需要布設(shè)過多的集水坑及潛污泵，工程建造成本大；且排水方式并不能全面收集碼頭面上的雨水及沖洗廢水；碼頭面上沉淀的微小顆粒物較多，視覺效果差。

2)結(jié)合國內(nèi)習(xí)慣做法，在碼頭面上設(shè)置排水溝，利用自由沉淀原理，讓顆粒物在排水溝內(nèi)實現(xiàn)沉淀，避免大量顆粒在集水池內(nèi)沉積，降低排水系統(tǒng)的維護(hù)難度、減少清淤作業(yè)時間；同時，集水池容積的擴大，更能滿足碼頭面水量收集的需要；潛污泵數(shù)量的減少也節(jié)省了建造成本。因此，國內(nèi)習(xí)慣排水做法較外方提供的排水方案更加合理。

3)針對碼頭前后沿護(hù)輪坎缺口處外泄雨水、沖洗廢水的現(xiàn)象，提出進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計方案，即在碼頭前后沿各設(shè)1條排水溝，對碼頭面上的雨水、沖洗廢水實現(xiàn)全面的收集，符合“零排放”的要求。該優(yōu)化設(shè)計方案可為國內(nèi)外類似項目提供參考。