南水北調中線天津干線箱涵水質凈化裝置活性炭承載框的設計及應用

于廣杰+韋春+李斌

摘 要：南水北調中線天津干線水源來自南水北調中線干渠，而干渠工程以明渠為主，沿線的各類污染源上千處，加之社會不穩定各類因素，極易造成水體水質污染事件的發生，研究有效處理措施是非常必要的。

關鍵詞：南水北調箱涵；水質凈化；設計；應用方法

一、工程概況

南水北調中線一期工程是緩解京、津、華北地區的資源性缺水的特大型跨流域調水工程，其輸水總干渠自丹江口水庫陶岔渠首引水，向河南、河北、天津、北京四省市供水。天津干線西起河北省保定市徐水縣西黑山村，東至天津市外環河西，全長155.305km，采用全箱涵無壓接有壓全自流輸水方式。

二、設計背景

（一）污染背景。天津干線箱涵工程水源來自南水北調中線干渠，而干渠為明渠工程，沿線的各類污染源上千處，加之社會不穩定各類因素，極易造成水體水質污染事件的發生，使污染水進入箱涵內。

（二）工程背景。天津干線能見到自由水面的建筑物除了渠首的明渠段外，主要為通氣孔、調節池、檢修閘和保水堰。一旦水體被污染，在不利用退水渠退水的情況下，能采取措施部位只能在各個保水堰和調節池。

（三）運行背景。全線通水運行以來，天津市的需水總量日益增加，從運行初期的年3億多立方米需求量，到2016年的年8、9億多立方米需求量。一旦發生水污染事件造成中斷向天津及沿線供水，將給天津1500多萬人口的超級城市帶來嚴重的影響，甚至造成社會秩序混亂。但水污染小概率事件是無法完全避免，一旦發生如何采取不中斷天津干線供水的有效處理措施是非常必要的。從長遠看是一件必須攻破的難題。

三、方案設計

（一）方案構思。此裝置的總體設計應能解決當天津箱涵內水體發生水污染時，能在保水堰堰井自由水面處能快速反復投放大量活性炭，且應使用方便，操作簡單。基于上述要求，結合保水堰結構特點，同時借鑒卷揚平板鋼閘門工作原理，活性炭承載框分為：活性炭承載部分、升降滑道和堰頂提升結構。

（二）安裝位置選擇。長距離箱涵的保水堰這結構形式的水工建筑在其通水運行時，保水堰的溢流堰堰頂處的水深最小，因此此裝置選擇安裝在溢流堰頂（位置示意圖如下圖1），主要考慮承載框的框體尺寸可以做到最小，框內裝滿所需活性炭的數量也最小，工作荷載也最小，為堰頂提升結構選型放寬了條件。

（三）現場安裝步驟及注意事項。此裝置為工程通水運行后根據實際需要進行設置的，且安裝時箱涵不具備停水安裝的條件。因此現場安裝的主要步驟為：現場確定安裝位置、并進行測量放線做好標記在堰頂頂部安裝滑道導向裝置（確保滑道安裝時不因底部水流的沖擊力，使得滑道無法垂直安裝到溢流堰的頂部最佳位置處）安裝左側滑道（滑道安裝時，先將滑道放入上步安裝好的導向裝置中間，當滑道下端順利頂到溢流堰頂部混凝土表面時，快速在滑道頂部畫好最上端第一、二個膨脹螺栓的位置，然后將滑道拉出，用電錘在堰井混凝土墻上打眼后，再次將滑道放入安裝位置進行固定）安裝右側滑道（方法同左側）將承載框體放入左右滑道內（框體左右先用繩索固定在堰頂）安裝上部提升結構（即電動葫蘆）通電上下提升框體，測試運行是否平穩安裝左右側剩余固定螺栓框體內放入活性炭炭包進行全荷載調試（測試完畢后拆掉繩索）安裝完成。

四、應用方法

（一）活性炭種類和外包裝材料的選擇。椰殼活性炭外形為不定形顆粒，具有機械強度高，孔隙結構發達，比表面積大，吸附速度快，吸附容量高，易于再生，經久耐用等特點，據箱涵內水利條件建議采用椰殼活性炭，考慮更換搬運建議外包裝采用過濾紙布包裝，每包15公斤左右。

（二）活性炭包的放置方法和注意事項。此裝置使用時，為使箱涵內的水體順利通過承載框體內放置的活性炭炭包，同時降低水流對框體的沖力，保證裝置的安全運行，炭包擺放不要太密實，建議采用錯位擺放。另此裝置為單調點提升結構，炭包擺放應左右放置數量大體均等，確保上下提升穩定。

五、深入研究方向和建議

1、此裝置只是解決了箱涵水體一旦發生水污染事件時能快速將一定量的活性炭快速投放到水體內。但多長時間更換一次活性炭需要進一步進行深入研究。因此建議最好能在實驗室內建立比例模型，模擬箱涵不同過流、不同污染濃度、不同污染物質條件下的模擬實驗，提供技術參數，便于應急處置時的活性炭的更換頻率。2、據了解目前的大體積水體污染凈化大都采用活性炭，至于活性炭采用哪種最有效，效果最佳，采用那類包裝材料更有益于活性炭的吸附，建議應深入進一步研究確定，為實際應急提供參考。3、隨著新型材料的不斷涌現，此裝置可以裝填新型吸附材料進行水污染應急處置。

參考文獻：

[1]陶亞，任華堂，夏建新.突發水污染事故不同應對措施處置效果模擬[J].應用基礎與工程科學學報，2013，21（2）：203-213.endprint