漢江原水預(yù)處理工程設(shè)計(jì)優(yōu)化及技術(shù)改造措施

【摘" " 要】：漢江原水預(yù)處理工程是孝感城區(qū)供水的重要組成部分。經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行使用，項(xiàng)目取水口河道演變、來(lái)水水質(zhì)變化，使得原設(shè)計(jì)排砂系統(tǒng)無(wú)法與之相適應(yīng)。為保障城市供水安全以及供水保證率，通過(guò)對(duì)排砂系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中存在問(wèn)題的分析，提出了一系列的設(shè)計(jì)優(yōu)化及技術(shù)改造措施。實(shí)施改造后，排砂系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠較好的應(yīng)對(duì)取水泥砂負(fù)荷變化的沖擊，滿足設(shè)計(jì)要求。

【關(guān)鍵詞】：原水預(yù)處理；沉砂池；排泥閥；技術(shù)改造

【中圖分類(lèi)號(hào)】：TU992 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：C 【文章編號(hào)】：1008-3197（2024）06-67-03

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.06.017

Design Optimization and Technical Transformation Measures for Hanjiang Raw Water Pretreatment Project

【Abstract】： The Han River raw water pretreatment project is an important component of the water supply in Xiaogan urban area. After years of operation and use， the evolution of the water intake channel and changes in the incoming water quality of the project have made it difficult for the original design sand discharge system to adapt to it. To ensure the safety and guarantee rate of urban water supply， this project proposes a series of design optimization and technical transformation measures to address the problems that exist during the operation of the sand discharge system. After the implementation of the transformation， the sand discharge system operates stably and can better cope with the impact of changes in cement sand load， meeting the design requirements.

【Key words】： raw water pretreatment； grit chamber； mud valve；technical transformation

近年來(lái)，我國(guó)大部分地區(qū)水源變化、污染物含量增加，嚴(yán)重影響了現(xiàn)有水廠出水水質(zhì)，因此對(duì)現(xiàn)有水廠進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)、保障出水水質(zhì)成為必然要求[1]。為應(yīng)對(duì)長(zhǎng)距離輸水泥砂沉積問(wèn)題，原水預(yù)處理場(chǎng)站會(huì)將泥砂預(yù)沉后再送至凈水廠凈化處理；但隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，原預(yù)處理場(chǎng)站無(wú)法滿足運(yùn)行要求，因此對(duì)現(xiàn)有水廠預(yù)處理設(shè)施進(jìn)行改造，充分保障供水水質(zhì)變的尤為重要。漢江原水預(yù)處理工程于2010年建成，工程設(shè)計(jì)是參考漢江1980年前的歷史水文資料及通航標(biāo)準(zhǔn)，近年受南水北調(diào)及漢江航道整治工程的影響，河岸發(fā)生變化，在汛期洪水下泄時(shí)水流的含砂量遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)負(fù)荷，排砂不暢成為最突出問(wèn)題。本文對(duì)漢江原水預(yù)處理工程設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，提出項(xiàng)目技術(shù)優(yōu)化措施，為預(yù)防淤堵、保持排砂通暢提供經(jīng)驗(yàn)。

1 漢江原水預(yù)處理工藝現(xiàn)狀

漢江原水預(yù)處理工程設(shè)計(jì)規(guī)模近期為23×104 m3/d，遠(yuǎn)期為38×104 m3/d。整個(gè)工藝流程為：由置于河床的固定式菱形取水頭部取水，通過(guò)自流管穿堤進(jìn)入取水泵房，經(jīng)水泵機(jī)組一級(jí)提升至斜管沉砂池，沉淀后的水至調(diào)節(jié)池后由加壓泵二級(jí)提升至城區(qū)凈水廠，斜管沉砂池沉淀后的含沙廢水經(jīng)管道排向排砂水池，然后由潛污泵提排至漢江。

1.1 取水河段形態(tài)特征及泥沙特點(diǎn)

漢江原水預(yù)處理工程所在地漢川至蔡甸河段河道彎曲窄深，河岸土質(zhì)較好，黏土層較厚，抗沖刷能力較強(qiáng)。兩岸筑有堤防，在崩岸嚴(yán)重的地段建有護(hù)岸工程，故歷史上河勢(shì)變化不大。河道水位變化大，歷年最高洪水位與最低枯水位相差約20 m，從而導(dǎo)致含砂量年際波動(dòng)大。河段中砂呈現(xiàn)為黑色細(xì)小顆粒，極易沉淀，如果砂中水滲出后，流動(dòng)性差，易板結(jié)。

1.2 取水頭部

取水口選址綜合考慮取水河段的水文、地形、地質(zhì)、衛(wèi)生等條件[2]并進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選擇最優(yōu)方案[3]。經(jīng)多方案比較，取水口選址位于新溝鎮(zhèn)漢江彎道上游的田家臺(tái)下游200～300 m附近，河道常水位18.90 m。采用置于河床的固定式菱形取水頭部取水，其設(shè)計(jì)取水高程14.00 m，河床高程12.30 m。

1.3 取水泵房

取水泵房設(shè)在漢江大堤外側(cè)，采用2根DN1 620 mm×14 mm鋼管，從取水頭部到取水泵房約135 m，引水管自漫灘伸入江中約50 m（常水位時(shí)）。泵房進(jìn)水泵房?jī)?nèi)設(shè)3臺(tái)臥式離心泵（2用1備），設(shè)計(jì)流量5 400 m3/h、揚(yáng)程20 m。

1.4 沉砂池

斜管式沉砂池占地面積較小、負(fù)荷較高[4]。本工程沉砂池設(shè)于堤外取水泵房附近，規(guī)模較大且受灘地地形所限，宜采用體量較小、沉砂去除效率較高的斜管沉砂池。按照近期2座、遠(yuǎn)期增加2座設(shè)計(jì)。每座池平面尺寸18.55 m×16.7 m，池總高5.6 m，近期上升流速5.3 m/s，遠(yuǎn)期上升流速4.4 m/s。每座沉砂池采用8個(gè)砂斗排泥，每個(gè)砂斗設(shè)一個(gè)電動(dòng)閥門(mén)，接1根排砂管，排泥管徑DN200 mm。

1.5 調(diào)節(jié)池及加壓泵房

調(diào)節(jié)池2座，尺寸35 m×23 m，有效水深4.0 m，總?cè)萘? 000 m3，約20 min調(diào)節(jié)容積。加壓泵房?jī)?nèi)設(shè)5臺(tái)水泵機(jī)組位置，單臺(tái)水泵流量與取水泵房相匹配。一期采用3臺(tái)水泵（2用1備），單臺(tái)流量4 597～6 895 m3/h、揚(yáng)程59.5～48 m。

2 淤砂事件原因分析

2.1 淤砂事件

漢江原水預(yù)處理工程建成運(yùn)行至今，漢江取水口發(fā)生兩起較為嚴(yán)重的淤砂事件，其一發(fā)生于河道汛期后，取水頭部進(jìn)水泥砂含量超過(guò)原設(shè)計(jì)負(fù)荷3.5 kg/m3，達(dá)到了10.5 kg/m3，斜管沉砂池持續(xù)超負(fù)荷運(yùn)行，使得沉淀池下部的排砂系統(tǒng)無(wú)法滿足要求，最終導(dǎo)致排砂系統(tǒng)堵塞。

其二發(fā)生于河道水位上漲、河面變寬，一艘運(yùn)砂船未注意航標(biāo)而偏離航路，撞到取水頭部，導(dǎo)致取水頭部損壞，運(yùn)砂船擱淺并原地卸砂，大量砂瞬間涌入取水頭部菱形艙內(nèi)，使得取水泵抽吸的泥砂將斜管沉砂池的集水槽壓塌，斜管壓垮，沉砂池排泥斗泥砂無(wú)法及時(shí)排除而板結(jié)，最終導(dǎo)致預(yù)處理系統(tǒng)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)而被迫停產(chǎn)。

2.2 原因分析

2.2.1 事件一

1）取水口位置河道演變后產(chǎn)生了一定的變化，河道底部沉砂變高，河床變窄。

2）原水含砂量超設(shè)計(jì)負(fù)荷。設(shè)計(jì)含砂量參考漢江漢川站1979年、1983年的水文資料，最大含砂量為3.5 kg/m3，一般年份大多數(shù)時(shí)間平均含砂量為0.43 kg/m3，最小含砂量為0.053 kg/m3；但是實(shí)際運(yùn)行過(guò)程會(huì)出現(xiàn)含砂量大幅超過(guò)設(shè)計(jì)負(fù)荷的情況。

3）汛期后下泄的水流速度降低，泥砂下沉，而取水口位置高程較低，裹挾著大量泥砂的水流進(jìn)入取水頭部進(jìn)水孔（1985國(guó)家高程12.8～13.5 m），導(dǎo)致取水泥砂含量超過(guò)設(shè)計(jì)負(fù)荷，進(jìn)一步導(dǎo)致排砂系統(tǒng)堵塞。

2.2.2 事件二

1）沉砂池排泥閥選型不合理。漢江原水預(yù)處理工程沉砂池排泥斗排泥閥為液控池底閥，在含砂量較小的情況下，砂拌水流動(dòng)性好，池底閥啟閉正常，一旦含砂量增大到不能及時(shí)排出時(shí)，灰堆集后而板結(jié)，不具有流動(dòng)性，導(dǎo)致池底閥卡死不能正常開(kāi)啟，不能順利排出池底泥砂。

2）沉砂池排泥管線設(shè)計(jì)不合理。整個(gè)排砂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)負(fù)荷是基于一般年份含砂量考慮，沉砂池泥斗下方排砂管管徑按DN200 mm設(shè)計(jì)，但多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明DN200 mm管徑過(guò)小，排砂不暢。泥斗下的管線設(shè)計(jì)由豎直轉(zhuǎn)向水平，使得泥砂在轉(zhuǎn)角處極易沉淀堵塞，一旦負(fù)荷增大，堵塞愈發(fā)嚴(yán)重，從最開(kāi)始的於堵演變?yōu)閴簩?shí)板結(jié)，直至完全堵實(shí)，最終導(dǎo)致排泥管道系統(tǒng)失效。

3 設(shè)計(jì)優(yōu)化及技術(shù)改造措施

3.1 取水頭部改造方案

3.1.1 取水口位置河勢(shì)演變

本項(xiàng)目位于漢川至蔡甸河段新溝彎道凹岸，新溝彎道位于新溝鎮(zhèn)，原為一個(gè)急彎道，彎曲半徑甚小，彎曲系數(shù)為8.4，歷史演變主要表現(xiàn)裁彎取直。由于逐年沖刷崩坍，于1963年8月在彎頸附近沖出一條新道，開(kāi)始新老河同時(shí)過(guò)水，裁彎后新河縮短了流程，比降流速增大，使新河迅速?zèng)_深擴(kuò)大，老河因受回流影響，逐漸淤塞，于1964年底淤死，水流全部走新河。裁彎后，改變了原來(lái)的河勢(shì)，水流頂沖對(duì)岸（水口），后拋石護(hù)岸，河勢(shì)基本穩(wěn)定下來(lái)。

3.1.2 取水頭部改造

在原取水頭部上方增設(shè)2層取水口，高程分別為1985國(guó)家高程14.4～15.1 m和16.0～16.7 m。改造后的取水頭部可以在泥砂含量大時(shí)關(guān)閉下層孔洞，用上層的孔洞取水，而在枯水期時(shí)，上部取不到水的情況下就用下層孔洞取水，以滿足不同水位的取水需求。見(jiàn)圖1。

3.2 合理選擇設(shè)計(jì)負(fù)荷

設(shè)計(jì)時(shí)收集河道演變及較長(zhǎng)系列水文歷史數(shù)據(jù)，如果收集不到或者數(shù)據(jù)較少，應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)取得數(shù)據(jù)，合理選擇設(shè)計(jì)負(fù)荷，考慮一定富余，本工程設(shè)計(jì)負(fù)荷優(yōu)化為10.5 kg/m3?？赏ㄟ^(guò)設(shè)置超越管等方式解決突發(fā)事件，在沉砂池進(jìn)水管上設(shè)置超越管至應(yīng)急排砂池，事故時(shí)不經(jīng)過(guò)斜管沉淀池沉砂直接排到應(yīng)急排砂池。此外可新增泥位計(jì)，通過(guò)自控化預(yù)警，及時(shí)響應(yīng)優(yōu)化運(yùn)行。

3.3 增設(shè)高壓助沖系統(tǒng)

原水中泥砂顆粒在無(wú)水情況下極易板結(jié)，但是在有水參與時(shí)板結(jié)的砂子就會(huì)具有流動(dòng)性。因此增加了池底助沖的高壓水系統(tǒng)，該系統(tǒng)管徑DN100 mm、壓力0.06 MPa。當(dāng)泥斗內(nèi)砂子開(kāi)始聚集，就啟動(dòng)高壓水泵，輔助沖洗，保證泥砂流動(dòng)排出，避免在泥斗內(nèi)板結(jié)堵塞。

3.4 合理選擇排泥閥

將池底閥換成膜片式快開(kāi)排泥閥，安裝位置由池底調(diào)整到泥斗外的管道上。膜片式快開(kāi)排泥閥利用上下腔的壓力差打開(kāi)，安全可靠，排泥干凈且不容易堵塞。安裝位置調(diào)整到泥斗外的管道上，可以更加方便地監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)，故障檢修更加便捷。解決了原設(shè)計(jì)方案設(shè)置于沉砂池的底端，生產(chǎn)時(shí)無(wú)法監(jiān)測(cè)其工作狀態(tài)且閥門(mén)一旦出現(xiàn)故障，需要將整池子水排干凈才可維修的問(wèn)題。

3.5 優(yōu)化排砂管（渠）系統(tǒng)

改造后換掉了原有的排砂管，增大口徑并采用明渠排砂。改造成明渠排砂后，更加便于后期清理，同時(shí)在進(jìn)水泥砂負(fù)荷突增時(shí)，可多個(gè)池子同時(shí)排砂，從而有效解決受下游排砂總管管徑限制，原排砂系統(tǒng)32個(gè)泥斗只能逐個(gè)依序排砂，在進(jìn)水負(fù)荷增大時(shí)，后面泥斗還未排空，前面泥斗需再次排砂，造成排砂系統(tǒng)失效的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)漢江原水預(yù)處理工程的設(shè)計(jì)優(yōu)化及技術(shù)改造，目前整個(gè)預(yù)處理工程運(yùn)行狀態(tài)良好，排砂系統(tǒng)應(yīng)對(duì)進(jìn)水泥砂負(fù)荷變化的能有顯著提升，從而進(jìn)一步提高了供水安全以及供水保證率。

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