地下調節池在水環境整治工程中的應用

陳 浩

(深圳市深圳河灣流域管理中心,廣東 深圳 330000)

0 引 言

近年來,隨著經濟的快速發展,環境污染問題日益嚴重,越來越多的污染物被排放至河流中,導致水體的自凈能力急速下降。水體中沉積的許多污染物,會引發具有協同性的污染效應,破壞了水環境[1]。城區的河流經常發生滯流和緩流的問題,這是由于河道中的固體廢棄物堵塞排污口,不僅影響城區河道環境,產生的廢氣異味還會影響人們的健康[2]。

位于深圳市的布吉河流經草埔工業區和羅湖商業區,“十一五”期間水質污染嚴重。雖然相關部門針對布吉河的水質改善做了許多工作,但效果不太顯著,其原因是由于布吉河沿岸的截流管中會出現雜物淤積的情況,導致水體二次污染。

為了解決這一問題,本次研究提出針對布吉河清淤情況,沿岸同步建造截流箱涵,截住岸上旱季排放的污水及雨季排放的初期雨水;建造調節池,對截流箱涵內來水進行處理,使箱涵內截流污水不進入河道,緩解水體污染的問題。調節池的設置有利于污水處理廠根據不同季節的降水量,對污水進行調蓄處理。因此,本次研究以布吉河的水環境改善工程為背景,分析調節池在水環境整治領域的工藝應用價值。

1 項目背景概況

本次項目實施地點位于深圳經濟特區中部的羅湖區布吉河流域。布吉河是深圳河的一級支流,流經工業區和商業區,河長9.8km,河流域面積63.41km2。該流域地區屬于南亞熱帶海洋性季風氣候,全年最高溫度38.7℃,最低溫度0.2℃。多年平均相對濕度79%,水面平均蒸發量1 322mm,陸地平均蒸發量850mm。布吉河流域的風向主要為東南風,冬季多為東北風,風速約3.2m/s,最大風速40m/s,風力超過12級,頻發臺風,一次臺風的降水量范圍300～500mm。海水位因臺風的席卷而迅速抬高,造成海水倒灌的現象,引發該地區外洪內澇災害。

由于布吉河不僅代表著城區的自然環境形象,也影響著流域沿岸的防洪排澇。為了解決布吉河沿岸的洪澇災害問題,在政府的支持和幫助下,該地區建立了排澇流量48m3/s的羅雨排澇泵站和排澇流量4m3/s的建設路排澇泵站。目前,布吉河流域沿岸的防洪排澇措施已經完善,居民安全得到了保障。但防洪建筑的建造采用的多是鋼筋混凝土和水泥的混合硬質材料,導致該地區的水面和草地面積減少,居民生活環境質量急劇下降,布吉河河道污染現象也愈加嚴重,不僅破壞了自然環境,還制約了經濟發展,違背了深圳市的可持續發展戰略方針。

為了解決布吉河水環境的污染問題,目前已經實施了布吉河水質改善工程(即布吉河綜合整治工程)。布吉河水質改善工程流程圖見圖1。

圖1 布吉河水質改善工程流程圖

該工程對布吉河上下游范圍內的河道污水設置總口截流系統,將漏排污水通過箱涵向下游進行傳輸。由于遠程污水管網無法滿足片區污水排放需求,所以還建設了一條南北向的污水傳輸系統進行污水傳輸。此外,該工程保留布吉河水質凈化廠,與布吉河污水處理廠并聯運行,使排出水質滿足國家水質要求。雖然已建的改善工程對布吉河的水質凈化有一定的效果,但仍然存在沿岸河道底泥淤積嚴重、水質不夠清澈的問題。這是由于雖然修建了分流排水系統,但未考慮到雨季時截流污水會通過雨水系統進入河道,并大量殘存在截污設施內,對河道造成二次污染的情況,且沿岸尚有部分漏排污水會排進雨水系統,最終污染河道。因此,本次研究在已建的改善水質工程上,結合污水截流的情況,提出在沿河截流箱涵和濱河污水處理廠中間,修建鹿丹村地下調節池,對污水進行處理,解決沿河岸截流的水質問題。

2 鹿丹村調節池的結構設計研究

本次設計考慮到泥崗橋下游的漏排污水情況和截流系統的位置,結合鹿丹村改造,故將地下調節池建造在濱河污水處理廠東側,深圳河北側,濱河大道南側,鹿丹名苑居民小區西側。經過地質測繪,該區域地層巖性從下至上依次為:弱風化花崗巖層,強風化花崗巖層,全風化花崗巖層,卵礫石層,淤泥層,人工填土層。該類土質具有壓縮性,為后續調節池的建造施工奠定了良好的基礎。同時,選定的建造位置地勢平緩。從區域地質背景分析,該地區不具備MS5級地震的條件,故該地區構造穩定性極好,具有很高的施工空間優勢。

由于調節池整體結構為鋼筋混凝土結構,且該結構四面的基坑具有不同的深度,所以想要確定調節池的建造結構,需要先明確其結構特點,確定基坑支護構造技術參數,才能有序地完成施工工作[3]。在地質勘測期間,明確了該地區穩定水位埋深2～4.0m,高程0.5～2.5m。考慮到基坑基礎底土層的特質,將開挖深度設定為10.0～14.3m。見表1。

表1 基坑支護結構主要技術參數表

在基坑北側為濱河路,路下有埋深1.5～2.2m的地下管線,包括排水管線等。將調節池底板頂標高設置為-8.5m,深度設定為14.3m,采用“上部放坡+下部沖孔灌注樁+樁間旋噴樁+錨索”的支護結構。在基坑東西側紅線外,有埋深1.5～2.2m的地下管線,包括排水管線等。該段基坑位置西北側、東北側基坑深為14.3m, 西南側、東南側基坑深度為10.0m,采用“上部放坡+下部沖孔灌注樁+樁間旋噴樁+錨索”的支護結構,設計基坑坡頂荷載為20kPa。在基坑南側,設定基坑深度為10.0m,采用“上部放坡+下部沖孔灌注樁+樁間旋噴樁+錨索”的支護結構。根據《深圳地區建筑深基坑支護技術規范》的要求,本次設計的調節池基坑支護安全等級為一級。圖2為調節池平面圖。

圖2 調節池平面圖

由圖2可知,負二層水池主體分3格,每格采用框架柱加墻的結構形式分隔;負一層設有吊裝孔、觀察孔、檢修孔、閥門井等。孔道的存在是為了便于調節池設備檢修、水體狀態觀察。水池側面采用砌塊墻進行砌筑,因為砌塊墻的防腐蝕效果好,適合地下建筑。池體縱向采用變形縫結構,主要是旋流沉砂池和調節池之間,變形縫結構可以適應兩構筑物間因埋深不同而產生的不均勻沉降。進水側及調節池側池體分別設置后澆帶,后澆帶寬度800～1 000mm,縱橫間距為24.0m,均勻布置在框架柱中間,在滿足規范要求的同時,又保持了結構的整體性。

調節池建筑物為鋼筋混凝土框架結構,基礎采用鋼筋混凝土閥板基礎,底板位于強風化花崗巖層上,所以具有較高的承載力,能滿足設計要求。由于調節池面積較大,深度較深,地下水位較高,水池本身的自重難以滿足抗浮穩定性要求。故水池在構建時,將采用砂漿錨桿,提高水池抗浮性[4]。

3 調節池在布吉河水環境改善工程中的工藝應用研究

布吉河原特區內段作為本次研究的河段,自筍崗橋穿過商業區,匯入深圳河。由于布吉河沿岸的污水收集系統和處理系統并不完善,所以水環境并未得到良好改善。布吉河的水環境改善工程要結合城市發展,根據河道生態治理目標與要求進行實施。經過對布吉河每日平均水流量的監測,本次擬建鹿丹村調節池面積約22 618m2,有效容積約9.0×104m3。根據季節降水量的變化,將調節池分為3格,每格約3×104m3。旱季時,降水量較小,調節池只需要1格的容量便能緩解水體污染問題;雨季時,降水量較大,調節池的3格全部打開,儲存截流下來的初期雨水。布吉河水體現存的底部淤泥堆積問題主要由于雨季洪水易發,且水中泥沙含量較大,甚至還有廢棄物。為了減少廢棄物和泥沙在調節池里的堆積,需要在水流進入調節池前進行水體的預處理。圖3為調節池預處理工藝流程圖。

圖3 調節池前預處理工藝流程圖

由圖3可知,當污水通過截污箱涵后,先經過粗細格柵進行初步過濾,除去水中體積較大的垃圾廢物和體積較小的懸浮物、毛發等雜物。此外,格柵需要攔截直徑大于6mm的固體廢棄物,以減少對調節池中水泵、攪拌器等設備的損耗[5]。經過格柵過濾后的污水,通過配水渠道進入旋流沉砂池進一步過濾,利用池中的機械力控制水流狀態和水流速度,以除去污水中密度較大的淤泥砂土。經過兩步過濾后的污水進入污水調節池,為了減少淤泥砂土的沉積,調節池內還設置了帶導流環,并在池底放置配有防爆潛水電機的機械攪拌器,對調節池中的水進行攪拌,使沙土懸浮于水體中,以防沉底[6]。調節池末端的提升泵是為了將經過預處理的污水分段輸入濱河污水處理廠,3格調節池中均配備提升泵,每格3臺,共9臺,每個泵的流量950m3/h,揚程18m。

為了充分利用鹿丹村的空間資源,調節池為全地下式,并分為3層。地面層為體育休閑公園(含公交場站、體育場等);地下一層為居民的停車場、預處理間、配電間等;地下二層為調節池池體。由于污水在經過調節池預處理后,會產生H2S等對人身有害的氣體,影響周邊居民的身體健康和環境安全。因此,本次設計在地下兩層的調節池空間中,共設置6組生物除臭裝置,單組除臭量28 000m3/h;地下一層的預處理間設置一組處理量為6 000m3/h的除臭裝置,尾氣排放標準達到一級標準。

在完成調節池的建設后,為了響應深圳市可持續發展方針和創建人與自然和諧共存的景象,在構建調節池的地面層打造“水文化”主題的休閑公園,形成布吉河河岸獨特的視覺美景,實現城市綠化、公共設施與市政污水設施之間的良好融合,是深圳首例地下污水市政設施與城市配套設施(公共停車場、公交車站、地面綠化公園及配套公用健身設施等)協調建設的成功案例,成功地將一個“鄰棄”的市政污水項目轉換成一個“鄰利”的綜合開發性項目,為深圳市政污水工程建設提供了成功的案例典范。

4 調節池結構分析及工藝應用分析

4.1 調節池建造結構分析

本次調節池結構利用理正軟件進行分析。建造材料鋼筋采用HRB400,混凝土采用C30抗滲P6級。水容重10kN/m3,土重度18kN/m3,地面活荷載取10kN/m2。通過測定不同污水容積下調節池四面側壁和底層的受力情況,判斷調節池結構的穩定性。見表2。

表2 調節池側壁在荷載作用下的受力情況表

設計調節池時,應考慮在不同荷載情況下水池側壁的承載力大小。由于側壓力會同時向水平方向和垂直方向進行分散,所以池壁需要承擔更多的彎矩。見圖4。

圖4 不同水容量下側壁彎矩變化圖

由圖4可知,調節池池壁在不同水容量下的彎矩均低于準永久組合的彎矩。當池中水容量達到9×104m3時,長向側壁彎矩為47.8kN·m,低于準永久組合的58.2kN·m;短向側壁彎矩為57.6kN·m,低于準永久組合的69.2kN·m;底層臂的彎矩為78.3kN·m,低于準永久組合的86.7kN·m。表明在設計水池儲存的水容積量范圍內,調節池池壁的彎矩均在可承受范圍內,可以良好地保持池壁完整狀態,有效地避免因承壓過大而出現池壁滲漏的情況。

圖5為不同水容量下的側壁土壓力變化圖。由圖5可知,由于水池的設計屬于池外填土,池外土壓力會隨著池中水容積的變化而變化。調節池外土飽和壓力為40kN,當水容量達到最大有效容積9×104m3時,調節池外的長向側壁土壓力為14.4kN;短向側壁土壓力為30.0kN;底層臂土壓力為33.6kN,均小于池外土飽和壓力。表明當池中水容量在調節池的有效容積范圍內時,池外土壓力的大小均在土飽和壓力的可承受范圍內。綜上所述,調節池具有比較小的崩塌風險,結構具有一定的穩定性。

圖5 不同水容量下側壁土壓力變化圖

4.2 調節池在水環境改善工程中的工藝應用分析

鹿丹村調節池工程為布吉河原特區段水質改善工程中的重要標段,更是深圳河河口斷面穩定達標的關鍵環節,直接影響深圳灣水環境。本文結合河道整治情況,提出在鹿丹村建造一個調節池,進一步對水質進行收集與調蓄。通過建造調節池,對污水中的固體廢物、砂土、淤泥進行過濾去除,并裝載生物除臭設備,對水處理過程中的有毒廢氣進行處理。

本次研究將根據建造調節池前后的水質質量,來判斷水質改善情況,并隨機選取附近居民進行居民滿意度調查。根據調查結果,對本次改善項目工程的實際應用情況進行反饋。圖6為調節池建造前后布吉河水質質量情況。

圖6 調節池改善前后水質質量情況

由圖6可知,調節池建造后的水質指標含量要明顯優于建造前水質。建造后的水體CODcr值為50mg/L,優于國家地表水V類排放標準的40mg/L和改善前的43mg/L。改善后水體BOD5值、NH3-N值和SS值分別達到標準的10、2和10mg/L;T-P值達到0.5mg/L,高于V類標準0.4mg/L的最低范圍。綜上所述,經過調節池改善后的水質質量有一定的提高,根據地表水V類標準,改善后的水質指標全部達到可排放標準。

圖7為有無調節池方案的居民滿意度調查。由圖7可知,居民對于有調節池的改善水質方案具有更高的滿意度,最高滿意度達到91%。這是因為有調節的水質改善方案,可以有效解決沿河漏排污水及含沙量高的初期雨水排向河道,而導致河道淤泥砂土沉積問題,同時可以有效減少河流污染,提高布吉河乃至深圳河水質。不僅如此,調節池建造地點的地面層用于開發水主題的公園,更大程度地提高了人們的生活品質,還可以拉動當地的經濟效益,增強居民幸福感。

5 結 論

隨著城區水環境問題的關注度提高,布吉河污染問題逐漸被重視。其原因主要是由于污水處理系統的不完善,導致河內淤泥雜物沉積,造成河流二次污染。本次研究提出通過布吉河水質改善工程建造調節池,來解決水質污染問題。結果表明,建造的地下調節池側壁及底層承壓力均在建造材料的可承受范圍內,池外所受土壓力也在土飽和范圍內,因此調節池的結構具有一定的穩定性。此外,調節池的應用可有效改善污水水質,調節污水濃度,對緩解濱河廠高峰期來水壓力起到很大作用,同時該方案獲得附近居民較高的滿意度。