廣東省某給水廠疊合構筑物設計

張艷輝，李 曉，王洪剛，紀海霞，姚左鋼，楊 力

(北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京 100082)

混凝、沉淀、過濾和消毒作為給水廠常規處理環節備受重視，但隨著地表水環境的不斷惡化，欲達到《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)，常規處理工藝已經不能應對原水水質的變化，需增加預處理和深度處理。加之城市的發展、人口增加，很多老舊水廠面臨著擴容的需求。一方面處理工藝的復雜化導致處理流程的延長，進而導致構筑物數量的增加；另一方面，水廠擴容引起占地面積的增加，而不論是構筑物數量的增加，還是占地面積的增加都將對寸土寸金的城市發展和給水廠有限的占地面積，提出新的要求和挑戰。為解決以上問題，疊合式構筑物應運而生。

徐紅仙等[1]在上海奉賢區某10萬m3/d給水廠采用活性炭濾池和沉淀池疊合的方式，節省了廠區占地面積；汪健等[2]對南方某10萬m3/d給水廠采用反應池、沉淀池和清水池疊合設計，指出疊合池進出口布置是重要設計環節，進出口配水均勻非常重要。同時，張晏晏等[3]對給水廠疊合構筑物進行研究，提出合理地布置人孔和通氣孔是下疊式清水池設計難點之一。然而，現有文獻對疊合構筑物進出水配水均勻性和下疊清水池人孔通氣孔兩個重要細節，進行研究的還較少。

基于此，本文以廣東省某50萬m3/d給水廠為例(本期建設規模為25萬m3/d)，參考相關規范和國內外其他工程的設計經驗，采用機械混合井、網格絮凝池、平流沉淀池和清水池合建/疊合的方式，探究了疊合構筑物的設計思路；對平流沉淀池進水配水花墻、下疊式清水池的人孔、通氣孔等細節難點進行了討論，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模為50萬m3/d，其中一期規模為25萬m3/d(部分構筑物土建規模為50萬m3/d)，二期規模為25萬m3/d。本次設計為一期工程，總凈用面積為198 000 m2，其中一期為109 000 m2，二期為45 000 m2，并為深度處理預留44 000 m2。工藝流程為原水通過取水泵房、輸水管進入水廠，通過預氯化、預臭氧氧化，經機械混合、網格絮凝、平流沉淀池及均質濾料砂濾池過濾的加強常規處理工藝，隨后經過提升泵房提升后，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留。

2 疊合式構筑物設計

2.1 疊合構筑物設計思路

疊合式構筑物一般分兩大類：一類是串聯合建式；另一類是下疊式，串聯合建式因能壓縮構筑物之間通道而節省占地面積，而下疊式因構筑物垂直疊合而精簡占地。對兩種方式進行比較，下疊式能更大限度地節省占地面積。然而，能否采用下疊式設計，主要取決于構筑物之間的水力流程關系，即上疊和下疊構筑物水位間的契合、通順。

本次機械混合井、網格絮凝池和平流沉淀池因流程上相差較小。同時，一般在混合井內投加絮凝劑，在絮凝池內礬花逐漸增大，隨后在沉淀池內完成沉淀，為保證良好的絮凝和沉淀效果，本次設計對于上述三個單體采用串聯合建式。對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 疊合式構筑物水力流程圖

從結構設計角度，雖然下疊式設計增加了下層清水池荷載，但池體埋深基本在6 m左右，同時整個池體采用輪廓規則的外擴式設計，可降低結構設計難度，具備可行性。

從經濟性角度，對于水廠投資一般分為兩大部分，一部分為建筑工程投資，另一部分是設備及安裝工程投資，因為設備價格高低、項目定位等和業主需求有關，因此本節僅討論建筑工程部分投資。本次疊合構筑物建筑工程分為混合絮凝池池體結構、沉淀池池體結構和清水池池體結構，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，合計約5 333.37萬元。若不采用下疊式清水池的設計方式，混合絮凝池池體結構、沉淀池池體結構變化較小，可忽略不計，清水池池體建筑結構投資約為2 533.10萬元，可減少876.83萬元，而一期廠區總投資約46 149萬元，減少的投資僅占其1.9%，對于面臨廠區占地緊張、周圍地價較高的給水廠，疊合式設計提供了一種解決思路。

從占地角度，若采用傳統平流沉淀池和清水池串聯布置，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，考慮構筑物之間的通道，節省占地面積必大于該值。

因此，從水力流程、結構設計、經濟性和占地等角度分析，本次設計對于機械混合井、網格絮凝池和平流沉淀池采用串聯合建式，對平流沉淀池和清水池采用下疊式設計。

2.2 疊合構筑物主要設計參數

本期機械混合井、網格絮凝池、平流沉淀池和清水池設計規模均為25萬m3/d。其中機械混合井如圖2所示，分2個系列，共4座混合井，設計停留時間為60 s，混合強度為500 s-1。為減輕水流對混合攪拌器攪拌軸沖擊，混合井均采用下進水，同時在攪拌器負壓區加入PAC完成快速混合過程[4]。構筑物剖面如圖3和圖4所示。

圖2 單系列疊合式構筑物平面圖

圖3 疊合式構筑物剖面圖1

圖4 疊合式構筑物剖面圖2

網格絮凝池設計絮凝時間為16 min，其中第一級G=73.2 s-1，第二級G=41.1 s-1，第三級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的進出水方式。

平流沉淀池分為兩個系列，每個系列分3個廊道運行，設計有效水深為3.30 m，沉淀池停留時間為2 h。設計水平流速為0.02 m/s，設計表面負荷為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臺液壓往復式刮泥機，2座平流沉淀池之間設B×H=2 m×2 m的排泥渠1條，并設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，分為兩個系列，因與平流沉淀池疊合，其長度取決于沉淀池池長，本次設計值取141 m，寬度考慮平流沉淀池與中間排泥渠寬。同時，考慮下疊式清水池人孔、通氣孔的布置問題，本次設計采用清水池比上層平流沉淀池略寬的外擴式設計，單座清水池設計有效容積為20 304 m3，總有效容積為40 608 m3，設計調節率為16%。

因下疊清水池長度較長，且為隱蔽空間，檢修時容易發生危險，本次設計人孔采用對角線布置，同時在3格導流墻上交錯設置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，檢修人員所走距離均小于清水池單格的長度，增加了水廠設計安全性和人文關懷。

2.3 配水花墻設計

絮凝池到沉淀池配水的均勻性以及絮凝池內已形成礬花不被破壞是水處理的關鍵環節之一。美國和日本要求穿孔花墻孔口總面積占平流沉淀池進水橫斷面面積的5%～6%，此時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《室外給水設計標準》中規定平流沉淀池水平流速在0.015～0.025 m/s[6]，此時，反算穿孔花墻過孔流速大概在0.25～0.5 m/s，與給水排水手冊第三冊《城鎮給水》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，考慮三級網格絮凝池中控制過孔流速逐級降低，從而使礬花不至被破壞，此時若流速突然增大，勢必導致礬花破壞，使得出水水質惡化。

基于以上分析，如圖5和圖6所示，本次設計沉淀池進水設2道穿孔花墻。穿孔花墻設計孔口流速為0.06 m/s，孔口面積為25.99 m2，開孔花墻面積為93.84 m2，設計開孔率為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，同時使平流沉淀池每格指型出水槽出水量一致，來保證進水配水的均勻性[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、通氣孔設計

對于非下疊式清水池而言，因不受平流沉淀池的限制，其人孔和通氣孔設置較為簡單。而對下疊式清水池而言，若其人孔及通氣孔位置設置不合理，可能導致平流沉淀池的泄露[3]。目前，對于下疊式清水池人孔和通氣孔的設計一般采用兩種布置形式：外擴式和外凸式。外凸式一般指下疊式清水池外邊緣可較上部處理構筑邊緣外凸一部分，并在外凸處上方開一人孔進人[3]，本次設計采用外擴式設計方式，即將整個下疊式清水池外壁擴大至略大于上部構筑物外壁，在擴大部分上方尋找合適位置開設人孔。

如圖7～圖9所示，本設計清水池一側的人孔在清水池外壁擴出的部分，另一側由于兩個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的要求，又避免了平流沉淀池的泄露。此種設計整體結構輪廓較簡單，降低了結構設計的難度。

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 結論

(1)采用機械混合井、網格絮凝池、平流沉淀池和清水池疊合的方式使得廠區占地面積減少了12 756.3 m2，節省占地面積大于12%，具有一定的經濟效益和社會效益。

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

(3)對于下疊式清水池，采用外擴式設計方式，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。