地下调节池在水环境整治工程中的应用

陈 浩

(深圳市深圳河湾流域管理中心,广东 深圳 330000)

0 引 言

近年来,随着经济的快速发展,环境污染问题日益严重,越来越多的污染物被排放至河流中,导致水体的自净能力急速下降。水体中沉积的许多污染物,会引发具有协同性的污染效应,破坏了水环境[1]。城区的河流经常发生滞流和缓流的问题,这是由于河道中的固体废弃物堵塞排污口,不仅影响城区河道环境,产生的废气异味还会影响人们的健康[2]。

位于深圳市的布吉河流经草埔工业区和罗湖商业区,“十一五”期间水质污染严重。虽然相关部门针对布吉河的水质改善做了许多工作,但效果不太显著,其原因是由于布吉河沿岸的截流管中会出现杂物淤积的情况,导致水体二次污染。

为了解决这一问题,本次研究提出针对布吉河清淤情况,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;建造调节池,对截流箱涵内来水进行处理,使箱涵内截流污水不进入河道,缓解水体污染的问题。调节池的设置有利于污水处理厂根据不同季节的降水量,对污水进行调蓄处理。因此,本次研究以布吉河的水环境改善工程为背景,分析调节池在水环境整治领域的工艺应用价值。

1 项目背景概况

本次项目实施地点位于深圳经济特区中部的罗湖区布吉河流域。布吉河是深圳河的一级支流,流经工业区和商业区,河长9.8km,河流域面积63.41km2。该流域地区属于南亚热带海洋性季风气候,全年最高温度38.7℃,最低温度0.2℃。多年平均相对湿度79%,水面平均蒸发量1 322mm,陆地平均蒸发量850mm。布吉河流域的风向主要为东南风,冬季多为东北风,风速约3.2m/s,最大风速40m/s,风力超过12级,频发台风,一次台风的降水量范围300～500mm。海水位因台风的席卷而迅速抬高,造成海水倒灌的现象,引发该地区外洪内涝灾害。

由于布吉河不仅代表着城区的自然环境形象,也影响着流域沿岸的防洪排涝。为了解决布吉河沿岸的洪涝灾害问题,在政府的支持和帮助下,该地区建立了排涝流量48m3/s的罗雨排涝泵站和排涝流量4m3/s的建设路排涝泵站。目前,布吉河流域沿岸的防洪排涝措施已经完善,居民安全得到了保障。但防洪建筑的建造采用的多是钢筋混凝土和水泥的混合硬质材料,导致该地区的水面和草地面积减少,居民生活环境质量急剧下降,布吉河河道污染现象也愈加严重,不仅破坏了自然环境,还制约了经济发展,违背了深圳市的可持续发展战略方针。

为了解决布吉河水环境的污染问题,目前已经实施了布吉河水质改善工程(即布吉河综合整治工程)。布吉河水质改善工程流程图见图1。

图1 布吉河水质改善工程流程图

该工程对布吉河上下游范围内的河道污水设置总口截流系统,将漏排污水通过箱涵向下游进行传输。由于远程污水管网无法满足片区污水排放需求,所以还建设了一条南北向的污水传输系统进行污水传输。此外,该工程保留布吉河水质净化厂,与布吉河污水处理厂并联运行,使排出水质满足国家水质要求。虽然已建的改善工程对布吉河的水质净化有一定的效果,但仍然存在沿岸河道底泥淤积严重、水质不够清澈的问题。这是由于虽然修建了分流排水系统,但未考虑到雨季时截流污水会通过雨水系统进入河道,并大量残存在截污设施内,对河道造成二次污染的情况,且沿岸尚有部分漏排污水会排进雨水系统,最终污染河道。因此,本次研究在已建的改善水质工程上,结合污水截流的情况,提出在沿河截流箱涵和滨河污水处理厂中间,修建鹿丹村地下调节池,对污水进行处理,解决沿河岸截流的水质问题。

2 鹿丹村调节池的结构设计研究

本次设计考虑到泥岗桥下游的漏排污水情况和截流系统的位置,结合鹿丹村改造,故将地下调节池建造在滨河污水处理厂东侧,深圳河北侧,滨河大道南侧,鹿丹名苑居民小区西侧。经过地质测绘,该区域地层岩性从下至上依次为:弱风化花岗岩层,强风化花岗岩层,全风化花岗岩层,卵砾石层,淤泥层,人工填土层。该类土质具有压缩性,为后续调节池的建造施工奠定了良好的基础。同时,选定的建造位置地势平缓。从区域地质背景分析,该地区不具备MS5级地震的条件,故该地区构造稳定性极好,具有很高的施工空间优势。

由于调节池整体结构为钢筋混凝土结构,且该结构四面的基坑具有不同的深度,所以想要确定调节池的建造结构,需要先明确其结构特点,确定基坑支护构造技术参数,才能有序地完成施工工作[3]。在地质勘测期间,明确了该地区稳定水位埋深2～4.0m,高程0.5～2.5m。考虑到基坑基础底土层的特质,将开挖深度设定为10.0～14.3m。见表1。

表1 基坑支护结构主要技术参数表

在基坑北侧为滨河路,路下有埋深1.5～2.2m的地下管线,包括排水管线等。将调节池底板顶标高设置为-8.5m,深度设定为14.3m,采用“上部放坡+下部冲孔灌注桩+桩间旋喷桩+锚索”的支护结构。在基坑东西侧红线外,有埋深1.5～2.2m的地下管线,包括排水管线等。该段基坑位置西北侧、东北侧基坑深为14.3m, 西南侧、东南侧基坑深度为10.0m,采用“上部放坡+下部冲孔灌注桩+桩间旋喷桩+锚索”的支护结构,设计基坑坡顶荷载为20kPa。在基坑南侧,设定基坑深度为10.0m,采用“上部放坡+下部冲孔灌注桩+桩间旋喷桩+锚索”的支护结构。根据《深圳地区建筑深基坑支护技术规范》的要求,本次设计的调节池基坑支护安全等级为一级。图2为调节池平面图。

图2 调节池平面图

由图2可知,负二层水池主体分3格,每格采用框架柱加墙的结构形式分隔;负一层设有吊装孔、观察孔、检修孔、阀门井等。孔道的存在是为了便于调节池设备检修、水体状态观察。水池侧面采用砌块墙进行砌筑,因为砌块墙的防腐蚀效果好,适合地下建筑。池体纵向采用变形缝结构,主要是旋流沉砂池和调节池之间,变形缝结构可以适应两构筑物间因埋深不同而产生的不均匀沉降。进水侧及调节池侧池体分别设置后浇带,后浇带宽度800～1 000mm,纵横间距为24.0m,均匀布置在框架柱中间,在满足规范要求的同时,又保持了结构的整体性。

调节池建筑物为钢筋混凝土框架结构,基础采用钢筋混凝土阀板基础,底板位于强风化花岗岩层上,所以具有较高的承载力,能满足设计要求。由于调节池面积较大,深度较深,地下水位较高,水池本身的自重难以满足抗浮稳定性要求。故水池在构建时,将采用砂浆锚杆,提高水池抗浮性[4]。

3 调节池在布吉河水环境改善工程中的工艺应用研究

布吉河原特区内段作为本次研究的河段,自笋岗桥穿过商业区,汇入深圳河。由于布吉河沿岸的污水收集系统和处理系统并不完善,所以水环境并未得到良好改善。布吉河的水环境改善工程要结合城市发展,根据河道生态治理目标与要求进行实施。经过对布吉河每日平均水流量的监测,本次拟建鹿丹村调节池面积约22 618m2,有效容积约9.0×104m3。根据季节降水量的变化,将调节池分为3格,每格约3×104m3。旱季时,降水量较小,调节池只需要1格的容量便能缓解水体污染问题;雨季时,降水量较大,调节池的3格全部打开,储存截流下来的初期雨水。布吉河水体现存的底部淤泥堆积问题主要由于雨季洪水易发,且水中泥沙含量较大,甚至还有废弃物。为了减少废弃物和泥沙在调节池里的堆积,需要在水流进入调节池前进行水体的预处理。图3为调节池预处理工艺流程图。

图3 调节池前预处理工艺流程图

由图3可知,当污水通过截污箱涵后,先经过粗细格栅进行初步过滤,除去水中体积较大的垃圾废物和体积较小的悬浮物、毛发等杂物。此外,格栅需要拦截直径大于6mm的固体废弃物,以减少对调节池中水泵、搅拌器等设备的损耗[5]。经过格栅过滤后的污水,通过配水渠道进入旋流沉砂池进一步过滤,利用池中的机械力控制水流状态和水流速度,以除去污水中密度较大的淤泥砂土。经过两步过滤后的污水进入污水调节池,为了减少淤泥砂土的沉积,调节池内还设置了带导流环,并在池底放置配有防爆潜水电机的机械搅拌器,对调节池中的水进行搅拌,使沙土悬浮于水体中,以防沉底[6]。调节池末端的提升泵是为了将经过预处理的污水分段输入滨河污水处理厂,3格调节池中均配备提升泵,每格3台,共9台,每个泵的流量950m3/h,扬程18m。

为了充分利用鹿丹村的空间资源,调节池为全地下式,并分为3层。地面层为体育休闲公园(含公交场站、体育场等);地下一层为居民的停车场、预处理间、配电间等;地下二层为调节池池体。由于污水在经过调节池预处理后,会产生H2S等对人身有害的气体,影响周边居民的身体健康和环境安全。因此,本次设计在地下两层的调节池空间中,共设置6组生物除臭装置,单组除臭量28 000m3/h;地下一层的预处理间设置一组处理量为6 000m3/h的除臭装置,尾气排放标准达到一级标准。

在完成调节池的建设后,为了响应深圳市可持续发展方针和创建人与自然和谐共存的景象,在构建调节池的地面层打造“水文化”主题的休闲公园,形成布吉河河岸独特的视觉美景,实现城市绿化、公共设施与市政污水设施之间的良好融合,是深圳首例地下污水市政设施与城市配套设施(公共停车场、公交车站、地面绿化公园及配套公用健身设施等)协调建设的成功案例,成功地将一个“邻弃”的市政污水项目转换成一个“邻利”的综合开发性项目,为深圳市政污水工程建设提供了成功的案例典范。

4 调节池结构分析及工艺应用分析

4.1 调节池建造结构分析

本次调节池结构利用理正软件进行分析。建造材料钢筋采用HRB400,混凝土采用C30抗渗P6级。水容重10kN/m3,土重度18kN/m3,地面活荷载取10kN/m2。通过测定不同污水容积下调节池四面侧壁和底层的受力情况,判断调节池结构的稳定性。见表2。

表2 调节池侧壁在荷载作用下的受力情况表

设计调节池时,应考虑在不同荷载情况下水池侧壁的承载力大小。由于侧压力会同时向水平方向和垂直方向进行分散,所以池壁需要承担更多的弯矩。见图4。

图4 不同水容量下侧壁弯矩变化图

由图4可知,调节池池壁在不同水容量下的弯矩均低于准永久组合的弯矩。当池中水容量达到9×104m3时,长向侧壁弯矩为47.8kN·m,低于准永久组合的58.2kN·m;短向侧壁弯矩为57.6kN·m,低于准永久组合的69.2kN·m;底层臂的弯矩为78.3kN·m,低于准永久组合的86.7kN·m。表明在设计水池储存的水容积量范围内,调节池池壁的弯矩均在可承受范围内,可以良好地保持池壁完整状态,有效地避免因承压过大而出现池壁渗漏的情况。

图5为不同水容量下的侧壁土压力变化图。由图5可知,由于水池的设计属于池外填土,池外土压力会随着池中水容积的变化而变化。调节池外土饱和压力为40kN,当水容量达到最大有效容积9×104m3时,调节池外的长向侧壁土压力为14.4kN;短向侧壁土压力为30.0kN;底层臂土压力为33.6kN,均小于池外土饱和压力。表明当池中水容量在调节池的有效容积范围内时,池外土压力的大小均在土饱和压力的可承受范围内。综上所述,调节池具有比较小的崩塌风险,结构具有一定的稳定性。

图5 不同水容量下侧壁土压力变化图

4.2 调节池在水环境改善工程中的工艺应用分析

鹿丹村调节池工程为布吉河原特区段水质改善工程中的重要标段,更是深圳河河口断面稳定达标的关键环节,直接影响深圳湾水环境。本文结合河道整治情况,提出在鹿丹村建造一个调节池,进一步对水质进行收集与调蓄。通过建造调节池,对污水中的固体废物、砂土、淤泥进行过滤去除,并装载生物除臭设备,对水处理过程中的有毒废气进行处理。

本次研究将根据建造调节池前后的水质质量,来判断水质改善情况,并随机选取附近居民进行居民满意度调查。根据调查结果,对本次改善项目工程的实际应用情况进行反馈。图6为调节池建造前后布吉河水质质量情况。

图6 调节池改善前后水质质量情况

由图6可知,调节池建造后的水质指标含量要明显优于建造前水质。建造后的水体CODcr值为50mg/L,优于国家地表水V类排放标准的40mg/L和改善前的43mg/L。改善后水体BOD5值、NH3-N值和SS值分别达到标准的10、2和10mg/L;T-P值达到0.5mg/L,高于V类标准0.4mg/L的最低范围。综上所述,经过调节池改善后的水质质量有一定的提高,根据地表水V类标准,改善后的水质指标全部达到可排放标准。

图7为有无调节池方案的居民满意度调查。由图7可知,居民对于有调节池的改善水质方案具有更高的满意度,最高满意度达到91%。这是因为有调节的水质改善方案,可以有效解决沿河漏排污水及含沙量高的初期雨水排向河道,而导致河道淤泥砂土沉积问题,同时可以有效减少河流污染,提高布吉河乃至深圳河水质。不仅如此,调节池建造地点的地面层用于开发水主题的公园,更大程度地提高了人们的生活品质,还可以拉动当地的经济效益,增强居民幸福感。

5 结 论

随着城区水环境问题的关注度提高,布吉河污染问题逐渐被重视。其原因主要是由于污水处理系统的不完善,导致河内淤泥杂物沉积,造成河流二次污染。本次研究提出通过布吉河水质改善工程建造调节池,来解决水质污染问题。结果表明,建造的地下调节池侧壁及底层承压力均在建造材料的可承受范围内,池外所受土压力也在土饱和范围内,因此调节池的结构具有一定的稳定性。此外,调节池的应用可有效改善污水水质,调节污水浓度,对缓解滨河厂高峰期来水压力起到很大作用,同时该方案获得附近居民较高的满意度。