廣東省某給水廠疊合構(gòu)筑物設(shè)計(jì)

張艷輝，李 曉，王洪剛，紀(jì)海霞，姚左鋼，楊 力

(北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100082)

混凝、沉淀、過濾和消毒作為給水廠常規(guī)處理環(huán)節(jié)備受重視，但隨著地表水環(huán)境的不斷惡化，欲達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)，常規(guī)處理工藝已經(jīng)不能應(yīng)對(duì)原水水質(zhì)的變化，需增加預(yù)處理和深度處理。加之城市的發(fā)展、人口增加，很多老舊水廠面臨著擴(kuò)容的需求。一方面處理工藝的復(fù)雜化導(dǎo)致處理流程的延長(zhǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致構(gòu)筑物數(shù)量的增加；另一方面，水廠擴(kuò)容引起占地面積的增加，而不論是構(gòu)筑物數(shù)量的增加，還是占地面積的增加都將對(duì)寸土寸金的城市發(fā)展和給水廠有限的占地面積，提出新的要求和挑戰(zhàn)。為解決以上問題，疊合式構(gòu)筑物應(yīng)運(yùn)而生。

徐紅仙等[1]在上海奉賢區(qū)某10萬m3/d給水廠采用活性炭濾池和沉淀池疊合的方式，節(jié)省了廠區(qū)占地面積；汪健等[2]對(duì)南方某10萬m3/d給水廠采用反應(yīng)池、沉淀池和清水池疊合設(shè)計(jì)，指出疊合池進(jìn)出口布置是重要設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，進(jìn)出口配水均勻非常重要。同時(shí)，張晏晏等[3]對(duì)給水廠疊合構(gòu)筑物進(jìn)行研究，提出合理地布置人孔和通氣孔是下疊式清水池設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一。然而，現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)疊合構(gòu)筑物進(jìn)出水配水均勻性和下疊清水池人孔通氣孔兩個(gè)重要細(xì)節(jié)，進(jìn)行研究的還較少。

基于此，本文以廣東省某50萬m3/d給水廠為例(本期建設(shè)規(guī)模為25萬m3/d)，參考相關(guān)規(guī)范和國內(nèi)外其他工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采用機(jī)械混合井、網(wǎng)格絮凝池、平流沉淀池和清水池合建/疊合的方式，探究了疊合構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)思路；對(duì)平流沉淀池進(jìn)水配水花墻、下疊式清水池的人孔、通氣孔等細(xì)節(jié)難點(diǎn)進(jìn)行了討論，以期為相似工程提供參考。

1 工程概要

廣東省某給水廠總規(guī)模為50萬m3/d，其中一期規(guī)模為25萬m3/d(部分構(gòu)筑物土建規(guī)模為50萬m3/d)，二期規(guī)模為25萬m3/d。本次設(shè)計(jì)為一期工程，總凈用面積為198 000 m2，其中一期為109 000 m2，二期為45 000 m2，并為深度處理預(yù)留44 000 m2。工藝流程為原水通過取水泵房、輸水管進(jìn)入水廠，通過預(yù)氯化、預(yù)臭氧氧化，經(jīng)機(jī)械混合、網(wǎng)格絮凝、平流沉淀池及均質(zhì)濾料砂濾池過濾的加強(qiáng)常規(guī)處理工藝，隨后經(jīng)過提升泵房提升后，再通過主臭氧+活性炭吸附池深度處理后，經(jīng)消毒、加壓供至用戶，其中提升泵房、主臭氧和活性炭吸附在本階段預(yù)留。

2 疊合式構(gòu)筑物設(shè)計(jì)

2.1 疊合構(gòu)筑物設(shè)計(jì)思路

疊合式構(gòu)筑物一般分兩大類：一類是串聯(lián)合建式；另一類是下疊式，串聯(lián)合建式因能壓縮構(gòu)筑物之間通道而節(jié)省占地面積，而下疊式因構(gòu)筑物垂直疊合而精簡(jiǎn)占地。對(duì)兩種方式進(jìn)行比較，下疊式能更大限度地節(jié)省占地面積。然而，能否采用下疊式設(shè)計(jì)，主要取決于構(gòu)筑物之間的水力流程關(guān)系，即上疊和下疊構(gòu)筑物水位間的契合、通順。

本次機(jī)械混合井、網(wǎng)格絮凝池和平流沉淀池因流程上相差較小。同時(shí)，一般在混合井內(nèi)投加絮凝劑，在絮凝池內(nèi)礬花逐漸增大，隨后在沉淀池內(nèi)完成沉淀，為保證良好的絮凝和沉淀效果，本次設(shè)計(jì)對(duì)于上述三個(gè)單體采用串聯(lián)合建式。對(duì)于平流沉淀池和清水池，因二者占地均較大，若能下疊則可節(jié)省較大面積。并且流程上從平流沉淀池到清水池，水頭損失約為3.9 m，平流沉淀池有效水深一般為3.0～3.5 m，加之沉淀池底板厚度和清水池的超高等，如圖1所示，從水力流程角度，下疊式是可行的。

圖1 疊合式構(gòu)筑物水力流程圖

從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度，雖然下疊式設(shè)計(jì)增加了下層清水池荷載，但池體埋深基本在6 m左右，同時(shí)整個(gè)池體采用輪廓規(guī)則的外擴(kuò)式設(shè)計(jì)，可降低結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度，具備可行性。

從經(jīng)濟(jì)性角度，對(duì)于水廠投資一般分為兩大部分，一部分為建筑工程投資，另一部分是設(shè)備及安裝工程投資，因?yàn)樵O(shè)備價(jià)格高低、項(xiàng)目定位等和業(yè)主需求有關(guān)，因此本節(jié)僅討論建筑工程部分投資。本次疊合構(gòu)筑物建筑工程分為混合絮凝池池體結(jié)構(gòu)、沉淀池池體結(jié)構(gòu)和清水池池體結(jié)構(gòu)，其建筑工程投資分別約為587.00萬、1 336.43萬元和3 409.93萬元，合計(jì)約5 333.37萬元。若不采用下疊式清水池的設(shè)計(jì)方式，混合絮凝池池體結(jié)構(gòu)、沉淀池池體結(jié)構(gòu)變化較小，可忽略不計(jì)，清水池池體建筑結(jié)構(gòu)投資約為2 533.10萬元，可減少876.83萬元，而一期廠區(qū)總投資約46 149萬元，減少的投資僅占其1.9%，對(duì)于面臨廠區(qū)占地緊張、周圍地價(jià)較高的給水廠，疊合式設(shè)計(jì)提供了一種解決思路。

從占地角度，若采用傳統(tǒng)平流沉淀池和清水池串聯(lián)布置，平流沉淀池占地面積約為12 756.3 m2，清水池占地面積約為13 432 m2，疊合后疊合構(gòu)筑物占地面積約為13 432 m2，一期總占地面積約為109 000 m2，故疊合后可減少12 756.3 m2占地，該面積占一期總面積的12%左右。同時(shí)，考慮構(gòu)筑物之間的通道，節(jié)省占地面積必大于該值。

因此，從水力流程、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)性和占地等角度分析，本次設(shè)計(jì)對(duì)于機(jī)械混合井、網(wǎng)格絮凝池和平流沉淀池采用串聯(lián)合建式，對(duì)平流沉淀池和清水池采用下疊式設(shè)計(jì)。

2.2 疊合構(gòu)筑物主要設(shè)計(jì)參數(shù)

本期機(jī)械混合井、網(wǎng)格絮凝池、平流沉淀池和清水池設(shè)計(jì)規(guī)模均為25萬m3/d。其中機(jī)械混合井如圖2所示，分2個(gè)系列，共4座混合井，設(shè)計(jì)停留時(shí)間為60 s，混合強(qiáng)度為500 s-1。為減輕水流對(duì)混合攪拌器攪拌軸沖擊，混合井均采用下進(jìn)水，同時(shí)在攪拌器負(fù)壓區(qū)加入PAC完成快速混合過程[4]。構(gòu)筑物剖面如圖3和圖4所示。

圖2 單系列疊合式構(gòu)筑物平面圖

圖3 疊合式構(gòu)筑物剖面圖1

圖4 疊合式構(gòu)筑物剖面圖2

網(wǎng)格絮凝池設(shè)計(jì)絮凝時(shí)間為16 min，其中第一級(jí)G=73.2 s-1，第二級(jí)G=41.1 s-1，第三級(jí)G=21.8 s-1，如圖2和圖4所示，豎井橫截面采用正方形，為了防止短流，豎井之間采用上下交錯(cuò)的進(jìn)出水方式。

平流沉淀池分為兩個(gè)系列，每個(gè)系列分3個(gè)廊道運(yùn)行，設(shè)計(jì)有效水深為3.30 m，沉淀池停留時(shí)間為2 h。設(shè)計(jì)水平流速為0.02 m/s，設(shè)計(jì)表面負(fù)荷為1.64 m3/(m2·h-1)。沉淀池出水采用不銹鋼指型槽出水，每池安裝2臺(tái)液壓往復(fù)式刮泥機(jī)，2座平流沉淀池之間設(shè)B×H=2 m×2 m的排泥渠1條，并設(shè)B×H=1.4 m×2.35 m的放空渠2條。

清水池疊合在平流沉淀池下部，分為兩個(gè)系列，因與平流沉淀池疊合，其長(zhǎng)度取決于沉淀池池長(zhǎng)，本次設(shè)計(jì)值取141 m，寬度考慮平流沉淀池與中間排泥渠寬。同時(shí)，考慮下疊式清水池人孔、通氣孔的布置問題，本次設(shè)計(jì)采用清水池比上層平流沉淀池略寬的外擴(kuò)式設(shè)計(jì)，單座清水池設(shè)計(jì)有效容積為20 304 m3，總有效容積為40 608 m3，設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)率為16%。

因下疊清水池長(zhǎng)度較長(zhǎng)，且為隱蔽空間，檢修時(shí)容易發(fā)生危險(xiǎn)，本次設(shè)計(jì)人孔采用對(duì)角線布置，同時(shí)在3格導(dǎo)流墻上交錯(cuò)設(shè)置B×H=500 mm×1 500 mm的不銹鋼門，使得在清水池中任意位置檢修時(shí)，檢修人員所走距離均小于清水池單格的長(zhǎng)度，增加了水廠設(shè)計(jì)安全性和人文關(guān)懷。

2.3 配水花墻設(shè)計(jì)

絮凝池到沉淀池配水的均勻性以及絮凝池內(nèi)已形成礬花不被破壞是水處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。美國和日本要求穿孔花墻孔口總面積占平流沉淀池進(jìn)水橫斷面面積的5%～6%，此時(shí)穿孔花墻處水頭損失較大可保證平流沉淀池配水的均勻性[5]。然而，若借鑒該原則，我國《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定平流沉淀池水平流速在0.015～0.025 m/s[6]，此時(shí)，反算穿孔花墻過孔流速大概在0.25～0.5 m/s，與給水排水手冊(cè)第三冊(cè)《城鎮(zhèn)給水》中要求穿孔花墻過孔流速一般小于0.10 m/s相矛盾[7]。同時(shí)，考慮三級(jí)網(wǎng)格絮凝池中控制過孔流速逐級(jí)降低，從而使礬花不至被破壞，此時(shí)若流速突然增大，勢(shì)必導(dǎo)致礬花破壞，使得出水水質(zhì)惡化。

基于以上分析，如圖5和圖6所示，本次設(shè)計(jì)沉淀池進(jìn)水設(shè)2道穿孔花墻。穿孔花墻設(shè)計(jì)孔口流速為0.06 m/s，孔口面積為25.99 m2，開孔花墻面積為93.84 m2，設(shè)計(jì)開孔率為28%，既保證了礬花不被破壞又提高了平流沉淀池配水均勻性，同時(shí)使平流沉淀池每格指型出水槽出水量一致，來保證進(jìn)水配水的均勻性[5]。

圖5 雙層配水花墻平面圖

圖6 雙層配水花墻剖面圖

2.4 下疊清水池人孔、通氣孔設(shè)計(jì)

對(duì)于非下疊式清水池而言，因不受平流沉淀池的限制，其人孔和通氣孔設(shè)置較為簡(jiǎn)單。而對(duì)下疊式清水池而言，若其人孔及通氣孔位置設(shè)置不合理，可能導(dǎo)致平流沉淀池的泄露[3]。目前，對(duì)于下疊式清水池人孔和通氣孔的設(shè)計(jì)一般采用兩種布置形式：外擴(kuò)式和外凸式。外凸式一般指下疊式清水池外邊緣可較上部處理構(gòu)筑邊緣外凸一部分，并在外凸處上方開一人孔進(jìn)人[3]，本次設(shè)計(jì)采用外擴(kuò)式設(shè)計(jì)方式，即將整個(gè)下疊式清水池外壁擴(kuò)大至略大于上部構(gòu)筑物外壁，在擴(kuò)大部分上方尋找合適位置開設(shè)人孔。

如圖7～圖9所示，本設(shè)計(jì)清水池一側(cè)的人孔在清水池外壁擴(kuò)出的部分，另一側(cè)由于兩個(gè)系列的平流沉淀池之間的放空、排泥廊道并未完全占滿兩個(gè)系列之間的位置，將密閉人孔和通氣孔放在此處，既能滿足檢修和通風(fēng)的要求，又避免了平流沉淀池的泄露。此種設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)輪廓較簡(jiǎn)單，降低了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度。

圖7 人孔、通氣孔平面布置圖

圖8 人孔、通氣孔剖面圖1

圖9 人孔、通氣孔剖面圖2

3 結(jié)論

(1)采用機(jī)械混合井、網(wǎng)格絮凝池、平流沉淀池和清水池疊合的方式使得廠區(qū)占地面積減少了12 756.3 m2，節(jié)省占地面積大于12%，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

(2)對(duì)平流沉淀池進(jìn)水區(qū)配水花墻形式及開孔率等進(jìn)行探討，使用雙層配水花墻，并控制平流沉淀池各分格產(chǎn)水量的方式可達(dá)到配水均勻和礬花不被破壞的雙重效果。

(3)對(duì)于下疊式清水池，采用外擴(kuò)式設(shè)計(jì)方式，合理布置了人孔和通氣孔的位置，避免了平流沉淀池的泄露，為相似工程提供參考。