鄭州陳三橋污水處理廠標高設計與土方平衡計算

摘要:鄭州市陳三橋污水處理及回用工程，位于鄭州市鄭東新區市郊魚塘密布區域，地形復雜，構筑物及地面標高設計和土方平衡計算，直接影響著工程造價和后期運行費用。本文重點介紹了工程設計中標高的設計原則及土方平衡計算實例。

關鍵詞:陳三橋污水處理及回用工程 標高設計與土方平衡計算 計算方法 實例

1 工程概況

鄭州市陳三橋污水處理及回用工程廠位于鄭州市鄭東新區陳三橋村，工程設計日處理污水總規模20萬噸，規劃占地285畝，其中一期為日處理污水能力10萬噸，規劃占地面積156畝，收水服務面積46.75平方公里。施工區域內魚塘密布，地形復雜，土方平衡計算有較大的難度。在工程實際建設過程中如不考慮現有土方平衡，無論是土方購入或外運都將產生較大費用，同時對整個廠區構筑物的標高設計和工藝設計有很大影響，并直接影響到后期運行費用和廠區防洪安全。

2 廠區總平面布置

廠區總平面布置以節約用地為原則，在滿足生產工藝要求的前提下，結合廠址地形、氣象和地質條件以及污水來向、出水方向等因素，力求做到工藝流程順暢、分區明確、布局緊湊，管理方便，同時考慮本工程遠期發展的可能，并使附屬建筑物盡可能布置在較好的朝向上。根據上述設計原則及各部分的功能，將廠區分為:污水處理區、污泥處理區和生產輔助區。

污水處理區是污水處理廠的中心區，此區主要包括粗格柵及進水泵房、細格柵及旋流沉砂池、改良型UCT生物池、二沉池、回流剩余污泥泵站、深度處理提升泵房、反應沉淀池、濾池及反沖洗間、加氯加藥間、清水池、吸水井、送水泵房、變配電間、鼓風機房等建構筑物。污泥處理區是廠區中相對重污染區，主要有貯泥池、污泥濃縮脫水機房等建構筑物。生產輔助區主要有:綜合樓、維修間、倉庫等建筑物。

整個生產區形成整體集中和功能分區明確的布置方式。考慮各構筑物的平面尺寸、埋設深度及施工安裝要求，各構筑物之間的間距均≥6m，建、構筑物距路邊的間距≥4m。

3 工藝管道各參數及標高的確定

建場地地形整體標高變化不大，海拔高程約為83.8~82.2m，處理后污水受納水體賈魯支河設計50年一遇的洪水位為83.78m。本著節省能源、節省投資、盡量減少廠區土方量的原則，并考慮廠區排水方便及與周圍道路相銜接，廠區設計地面為西高東低，北高南低。根據工藝要求和污水處理廠周邊環境，在各構筑物標高確定時首先必須保證二沉池處理后的污水能夠順暢的經總排口排入廠區臨近的賈魯支河，并滿足防洪的要求，然后根據工藝要求從清水池、深度處理、二沉池、生物池、初沉池、曝氣沉砂池依次倒排各構筑物的標高，然后根據進水管道標高確定進水泵房提升泵的揚程。各段構筑物標高確定既要保證工藝要求，又要充分考慮節能和減少投資因素，不要留有較大的標高富余量。室外地面標高在滿足防洪的前提下盡可能位于地勢較低處，便于污水的重力收集，減少管網和構筑物埋深，降低工程費用。

各構筑物標高確定后，即可根據各構筑物的尺寸及布局進行土方平衡計算，首先計算各構筑物的占地面積與廠區的空地面積，根據現在地形圖，初步計算出總出土量，及回填后能將本工程地面標高的升高量，即可初步計算出地面平均標高，然后根據出土位置，以最小的運距為原則，可以計算出全廠區各區域的地面標高及分片回填位置。最后根據廠區周邊環境和利于防洪排水的考慮決定廠區合理的標高設計。通過標高設計和土方平衡計算可以較好的解決土方外運和購進，優化工程設計，降低污水處理廠建設和后期運行成本，并可較好的指導工程施工。

通過計算與論證，陳三橋污水處理廠二沉池出水標高確定為85.8m，曝氣沉砂池進水標高確定為89.7m，廠區地面平均標高確定為84.8m，其中廠區地面平均標高比初步設計的84.4m標高提高了0.4m。在污水廠建成后，完全符合設計要求，即保證了工藝的可靠性，減少土方外運2000萬多方，節約了大量土方外運費用。

4 計算方法

標高及土方平衡計算設計需取得必要的基礎資料和設計依據，通過現場踏勘深入了解場地及其周圍地段的地形地貌;并應與當地有關部門近年確定的數據相對照，根據設計階段的內容準備下列基礎資料:

4.1 地形圖:比例為1:500或1:l000的地形測繪圖，并標有0.5-1.00m等高距的等高線，以及50-l00m間距的縱橫坐標網和地貌情況等;

4.2 建設場地的地質條件資料:建設場地內的工程地質、水文地質資料，如:土壤與巖層、不良地質現象(如沖溝、沼池、高丘、滑坡、魚塘等)及其地形特征、地下水位等情況。

4.3 場地平面布局:場地內建、構筑物的總平面布置圖。

4.4 場地道路布置:場地道路平面圖、道路出入口及外部道路坐標的定位圖、縱橫斷面圖的控制點標高等參數。

4.5 場地排水與防洪方案:建筑場地地表雨水排除的流向及出口，城市雨水管線的管徑等;要根據當地水文站或有關部門提供的水文資料，了解相應洪水頻率的洪水水位。

計算時，首先采用在地形圖上繪制方格計算法進行土方計算，即在繪好的方格圖上用適宜的比例把地面的縱、橫斷面區分繪出。在每一個橫斷面上，把設計斷面按同樣的比例繪出設計斷面與地形斷面的高程，并在縱斷面的設計圖上得出互相適應的關系。在每個斷面上，地形線與設計線所包圍的面積，即為挖方或填方的面積。有了斷面的面積，用棱柱體積計算公式就可求出土的體積。本污水廠的一期總占地面積為156畝，通過AUTOCAD可以很方便時計算出總占地面積和空地面積，首先確定一個暫定標高，然后根據構筑物尺寸計算出土量，管道、道路出土量也可根據圖紙估算，這樣可以很方便的計算出地面回填升高量，即可計算出廠區平均標高。這種方法簡單而準確，與最終的方格計算法計算的結果誤差很小。

本污水處理廠實際施工過程中有部分污泥，可以回填到土方里中，不用過多考慮，對最終結果也沒太大影響。這樣就可得到最終的整平標高，即土方平衡標高。標高設計時應該考慮這個標高對工藝的影響，通過核算本廠的土方平衡后的標高是否符合工藝要求，在進、出水、各構筑物間污水流動及節能方面是否都是合理的。

項目設計人員根據項目具體情況，在工藝流程、工程投資和長期運行費用幾方面找到一個最佳平衡點，確定一個合理的構筑物標高。廠區室外標高確定步驟是在構筑物高程確定的基礎上，首先根據廠區四鄰現狀和入場道路高程為主要參考，確定廠區控制高程，然后根據構筑物設計標高進行土方平衡，確定在不出土的情況下廠區標高是否在控制高程以內，然后根據道路和排雨水坡度設計規范，進行場地主要道路標高設計。也就是說，從確定主要道路各點的標高開始，設計出道路各段長度與坡度，使道路成為一個以不同標高點相連的網格。以這個立體網格控制著整個廠區地形標高的調整，一般來講場地標高應比相鄰道路的標高要高，而建筑室內標高要高于室外20cm左右，這樣由道路至地形，再由地形至道路。經過幾次反復調整，并結合不同方案土石方計算結果，進行分析比較，最后確定合理的標高結果。

5 工藝設計與土方平衡的關系

在滿足工藝要求的情況下，工藝設計一般是以節能、節省投資、便于運行管理為主導思想，土方平衡計算必須與工藝設計充分結合起來。在廠區進水管道和排水管道標高確定的情況下，廠區各構筑物標高盡可能地降低，以減少污水的提升高度，達到污水處理廠長期運行節能的目的，但過分的降低構筑物標高，又會增大構筑物的抗壓抗浮設計及基礎施工難度，增大項目土建工程建設成本。

本污水處理廠地面標高最終確定為84.8m，在整個工程建設期，因構筑物挖深較大，工作面又多，造成前期周轉土量很大，有5萬方左右，場地周轉一度出現問題，后通過合理安排各構筑物施工順序和回填場地，較好的解決了土方堆放問題。工程2009年底完工，工程建設過程中未出現外購或外運土方，達到了廠區土方基本平衡，計算與實際相符。2010年工程試運行期間工藝流程順暢，道路及周邊排水、防洪效果明顯，達到了原設計要求。