西藏高寒地區(qū)森布日水廠設(shè)計

廖亞新 段凱 馬建民

摘要：為總結(jié)西藏高寒地區(qū)特殊環(huán)境下水廠設(shè)計的特點(diǎn)和經(jīng)驗(yàn)，以西藏山南地區(qū)貢嘎縣森布日水廠為例，分析和總結(jié)了西藏高寒地區(qū)水廠設(shè)計中面臨的取水形式、水處理工藝、結(jié)構(gòu)防凍保溫設(shè)計等關(guān)鍵問題。結(jié)合當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件，水廠取水采用管井方案，管井設(shè)計需要重點(diǎn)解決沉降和泥沙淤積問題，可通過采用復(fù)合保溫層等措施解決結(jié)構(gòu)防凍保溫問題。

關(guān)鍵詞：水廠設(shè)計; 管井; 防凍保溫; 泥沙淤積; 西藏; 高寒地區(qū)

中圖法分類號：TU991 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.02.008

文章編號：1006 - 0081（2022）02 - 0047 - 05

0 引 言

西藏位于中國青藏高原西南部，面積122.84萬km2，平均海拔在4 000 m以上，素有“世界屋脊”之稱。西藏屬于典型的寒冷半干旱高原季風(fēng)氣候地區(qū)，具有氣溫低、晝夜溫差大、空氣稀薄、氣壓低、輻射強(qiáng)以及日照充足的特點(diǎn)，年平均氣溫0℃以下，1月平均氣溫可達(dá)-20℃以下。西藏水資源十分豐富，但時空分布不均勻，水資源與生產(chǎn)力布局不相匹配，加上特殊的自然地理?xiàng)l件，部分區(qū)域位于嚴(yán)寒或寒冷地區(qū)，海拔高，自然條件惡劣，交通條件差，基礎(chǔ)設(shè)施落后。這些特殊的環(huán)境條件決定了西藏地區(qū)水廠設(shè)計的特殊性。必須對這些特殊問題進(jìn)行針對性設(shè)計。本文對西藏山南地區(qū)森布日水廠的設(shè)計思路和實(shí)施方案進(jìn)行了介紹，總結(jié)了西藏高寒地區(qū)水廠的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，可為類似項(xiàng)目提供參考。

1 工程概況

西藏山南地區(qū)森布日水廠位于西藏自治區(qū)山南市，設(shè)計供水規(guī)模2.5萬m3/d。水廠廠區(qū)占地面積約為21 400 m2。廠區(qū)主要構(gòu)筑物包括取水管井6座、過濾車間及加氯間1座、清水池2座、送水泵房及變配電間1座、機(jī)修車間及倉庫1座、綜合樓1座、門衛(wèi)室1座及廠區(qū)管道、圍墻、大門、道路、綠化等。水廠建設(shè)效果如圖1所示。

2 主要設(shè)計方案

2.1 取水形式

2.1.1 水源選擇

工程區(qū)域水資源豐富，主要分為地下水和地表水。地下水主要為第四系松散覆蓋層孔隙性潛水，賦存于漫灘沖積砂礫石層中，地下水補(bǔ)給來源為江水，與江水水力聯(lián)系密切，砂礫石地質(zhì)結(jié)構(gòu)單一且具強(qiáng)透水性，滲流途徑通暢，漫灘砂礫石層為強(qiáng)富水區(qū)。地表水主要為江水，江水主要接受大氣降雨、冰雪融水補(bǔ)給，降雨主要集中在6～9月，江水在此期間徑流量變大，冬春季降雨稀少，徑流量相對減少。水源地水量充沛，水質(zhì)良好并可達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)。將地表水和地下水兩種水源方案進(jìn)行對比分析，如表1所示。

綜合以上方案，地下水補(bǔ)給豐富，水量及水質(zhì)均可得到保障，供水安全性、技術(shù)可行性和施工運(yùn)行管理方案均具備優(yōu)勢。此外，地下水作為水源還具備以下優(yōu)點(diǎn)：水源地更靠近用戶，從而可降低給水系統(tǒng)（特別是輸配水管網(wǎng)）的投資，節(jié)省輸水運(yùn)行費(fèi)用，提高給水系統(tǒng)的安全可靠性;便于水源的分期建設(shè)與衛(wèi)生防護(hù)區(qū)建立[1]。因此，推薦采用地下水水源方案。

2.1.2 取水構(gòu)筑物

根據(jù)所在位置含水層情況的不同，地下水取水構(gòu)筑物有不同的選擇，常見的地下水取水構(gòu)筑物主要有以下幾種。

（1） 管井：井管從地面打到含水層，抽取地下水的井。適用于含水層厚度大于5 m、其底板埋藏深度大于15 m的場合。

（2） 大口井：由人工開挖或沉井法施工，設(shè)置井筒，以截取淺層地下水的構(gòu)筑物。適用于含水層厚度在5 m左右，其底板埋藏深度小于15 m的場合。

（3） 滲渠：壁上開孔，以集取淺層地下水的水平管渠。僅適用于含水層厚度小于5 m、渠底埋藏深度小于6 m的場合。

（4） 輻射井：輻射井由大口井和徑向設(shè)置的單層或多層輻射管組成，是一種由垂直與水平集水系統(tǒng)組成的聯(lián)合取水構(gòu)筑物。一般常用于中砂、粗砂、不含漂卵石和粉細(xì)砂地層。改進(jìn)型輻射井是在傳統(tǒng)大口井井壁下部四周及井底向下增設(shè)12～20 m長的輻射管，使其同時具有傳統(tǒng)大口井及輻射井的功能，其應(yīng)用范圍變廣，可用在含水層厚度大、埋深淺的取水地區(qū)，取水深度可至地下40 m。此改進(jìn)型輻射井目前在西藏拉薩地區(qū)已有成功應(yīng)用[2]。

森布日水廠工程水源地區(qū)域含水層面積及厚度較大，水位埋深較淺，取水構(gòu)筑物采用管井及輻射井較適宜，因此對管井和輻射井方案進(jìn)行比選。

（1） 管井方案。由于工程區(qū)域地下水屬于穩(wěn)定流無壓含水層，單井出水量計算公式[1]為

式中：Q為井出水量，m3/d;H為含水層水頭高度，m;s為水位降深，m;l為濾水管長度，m; rw為井半徑，m;K為滲透系數(shù)，m/d;R為影響半徑，m，[R=2sHK]。

根據(jù)計算并結(jié)合水文地質(zhì)詳勘報告，含水層埋深最大為3.2 m，含水層水頭高度為46.8 m，管井降深按2.0 m計。根據(jù)式（1）可知單井的取水量為Q=5 217.5 m3/d。根據(jù)取水量25 000 m3/d的要求，共設(shè)6座管井（5用1備）。井群雙排布置，井與井距離35 m。

（2） 輻射井方案。輻射井為無壓含水層輻射井，出水量可按以下公式計算[1]：

式中：n為輻射管根數(shù);α為輻射管間干擾系數(shù)，[α=1.609n0.6864];q為單根輻射管出水量，m3/d，[q=1.36K（H2-h20）lgR0.45L];h0為井外壁動水位至含水層底板高，[h0=H-S-hw];K為滲透系數(shù)，59.4 m/d;S為降深，m;L為輻射管長度，20 m;hw=輻射管水損，取0.8 m;hr為輻射管中心至含水層底板高，m;H為含水層厚度，20 m;R為影響半徑，m，[R=2sHK]。

輻射井降深按2.0 m考慮，經(jīng)計算，單井出水量為20 605 m3/d。根據(jù)取水量25 000 m3/d的要求，設(shè)置3口18 m深井徑為6 m 的輻射井，輻射管設(shè)3層，每層6根，并在井底部設(shè)6根豎直向輻射管，設(shè)計單井出水量為12 500 m3/d，其中一口為備用井，布井間距為55 m。

（3） 方案比選。針對管井和輻射井方案，將兩種取水構(gòu)筑物方案進(jìn)行對比分析，如表2所示。綜合以上比選內(nèi)容，水源地含水層豐厚，管井方案成熟可靠，投資小，推薦采用管井方案。

2.2 水處理工藝

2.2.1 凈水工藝

根據(jù)地下水水質(zhì)檢測報告，工程取水點(diǎn)水質(zhì)可達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)，一般情況下只需加氯就可供給城市居民使用，但考慮水質(zhì)在不同年份洪水期及枯水期受泥沙影響，有可能出現(xiàn)波動，預(yù)計濁度有可能會超過3度的限值。因此，在原水濁度高于1度時，采用過濾、消毒工藝處理，在原水濁度低于1度時，直接消毒后便可進(jìn)行供水。設(shè)計采用凈水工藝流程如圖2所示。

2.2.2 消毒工藝

目前國內(nèi)常用的消毒劑有液氯、次氯酸鈉、二氧化氯等，選擇消毒劑時應(yīng)考慮原水水質(zhì)、出水水質(zhì)、消毒劑來源、處理水量、成本及運(yùn)行管理水平等因素。

液氯是水處理行業(yè)里比較常用的消毒方法。液氯成本低、工藝成熟、效果穩(wěn)定可靠，具有余氯的持續(xù)消毒作用。原水含酚時會產(chǎn)生氯酚味，原水有機(jī)物高時會產(chǎn)生有機(jī)氯化物，其中含有致癌物或可疑致癌物。氯氣是劇毒危險品，存儲氯氣的鋼瓶屬高壓容器，有潛在威脅。

二氧化氯是強(qiáng)氧化劑，在消毒過程中不會產(chǎn)生有機(jī)氯化物副產(chǎn)物。除能殺滅病菌之外，還能很好地去除水中的Fe2+，Mn2+，以及嗅和味，是近年來應(yīng)用較廣泛的消毒方法。二氧化氯不穩(wěn)定，只能現(xiàn)場制備，需要控制氯酸鹽和亞氯酸鹽等副產(chǎn)物，使得運(yùn)行管理和設(shè)備維護(hù)過于復(fù)雜。

次氯酸鈉是一種高效、廣譜、安全的消毒方法，可以強(qiáng)力殺滅病菌、病毒，同水的親和性很好，能與水任意比例互溶。次氯酸鈉所含的有效氯易受日光、溫度的影響而分解，一般采用次氯酸鈉發(fā)生器現(xiàn)場制備，就地投加，不經(jīng)貯運(yùn)，操作簡單，使用方便，對環(huán)境無毒害，不存在安全隱患。因此推薦采用次氯酸鈉消毒。

2.3 結(jié)構(gòu)防凍保溫

由于西藏地區(qū)冬季寒冷，為了確保水廠各系統(tǒng)的正常運(yùn)行，應(yīng)重視相關(guān)建筑物與構(gòu)筑物的防凍保溫措施。

2.3.1 結(jié)構(gòu)防凍設(shè)計

結(jié)構(gòu)材料方面，混凝土抗凍等級不低于F200級，鋼材優(yōu)先采用Q235D，Q345D級鎮(zhèn)靜鋼，以保證結(jié)構(gòu)材料具備較好的抗凍性能。

基礎(chǔ)設(shè)計方面，工程區(qū)域存在凍土，基礎(chǔ)埋置深度考慮大于凍土層，所有外圍與土接觸的混凝土梁（地梁）下設(shè)防凍砂墊層，基礎(chǔ)側(cè)表面均回填非凍脹材料中粗砂，通過以上措施，結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)可較好地適宜凍融變化。

2.3.2 結(jié)構(gòu)保溫設(shè)計

建筑物的節(jié)能保溫措施需要考慮多個方面：① 合理安排建筑物朝向，充分利用日照條件爭取盡量多的太陽能輻射熱量;② 合理設(shè)計建筑物形態(tài)（如L形、U形），有效減少寒風(fēng)的影響;③ 采用新型建筑節(jié)能復(fù)合墻體、窗戶節(jié)能玻璃、節(jié)能屋面及控制建筑窗墻比等來提高保溫性能。

水廠主要的外露構(gòu)筑物為地上式清水池，必須對其進(jìn)行保溫設(shè)計，以保證冬季正常運(yùn)行。保溫措施有：池壁采用復(fù)合保溫層，保溫材料采用80 mm厚擠塑聚苯保溫板，外側(cè)砌護(hù)300 mm厚磚砌體;池頂采用1 m厚覆土保溫。通過天正暖通軟件進(jìn)行了熱工驗(yàn)算，傳熱系數(shù)滿足規(guī)范要求，覆土厚度及復(fù)合保溫層的做法可保障清水池冬季正常運(yùn)行。

3 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

3.1 管井取水的可靠性保障措施

西藏地區(qū)的主要城鎮(zhèn)位于雅魯藏布江中游河谷地區(qū)，以砂卵石地層為主，滲透系數(shù)較大，地下水橫向水力聯(lián)系和補(bǔ)給充沛，水廠水源推薦采用地下水。管井構(gòu)造簡單、施工方便、成熟可靠，可作為推薦的取水構(gòu)筑物形式。

管井取水主要存在沉降和泥沙沉積兩個問題。管井取水使地下水位降低，導(dǎo)致周邊建筑物基礎(chǔ)、地面發(fā)生不均勻沉降情況。工程西側(cè)約50 m處為現(xiàn)狀堤防，因此需要合理確定管井降深以保證周邊建構(gòu)筑物沉降滿足相關(guān)規(guī)范要求。通過天漢軟件對管井降水引起周邊地層的沉降進(jìn)行了計算分析，計算成果如圖3所示。由圖3可以看出，當(dāng)管井降深為2.0 m時，周邊50 m處最大沉降約為8.0 mm，滿足規(guī)范要求，此時單井出水量滿足凈水廠水量要求。

凈水廠設(shè)計使用年限為50 a，河道的懸移質(zhì)泥沙隨著時間的變化逐漸沉積在管井頂部，最終影響管井的出水能力，因此，合理推斷管井的泥沙沉積深度顯得尤為重要。工程河段設(shè)有羊村水文站，羊村水文站具有1961，1964～1965，1976～2004年共32 a的同期懸移質(zhì)實(shí)測資料，經(jīng)過推算，該河段多年平均含沙量0.527 kg/m3[3]。設(shè)計年限內(nèi)泥沙淤積量可按式（3）近似計算[4]：

式中：G為多年平均懸移質(zhì)年輸沙量，kg/m3;T為設(shè)計使用年限，a;γ為泥沙容重，取為1.3 t/m3。

經(jīng)計算，50 a泥沙淤積深度約為6.5 m。設(shè)計時單井考慮10 m淤積深度，單井設(shè)計長度為50 m。

3.2 建、構(gòu)筑物的防凍和保溫措施

西藏地區(qū)為凍土地區(qū)，土體凍脹力對于建筑物基礎(chǔ)具有較大的破壞作用，從而影響結(jié)構(gòu)安全，需要采用防凍脹措施。結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)盡量考慮條形基礎(chǔ)或者筏板基礎(chǔ)等整體穩(wěn)定性好的基礎(chǔ)形式，地基梁下設(shè)架空隔離層，嚴(yán)禁地基梁或墻體直接砌筑在受凍脹影響的土層上。

水廠的主要生產(chǎn)構(gòu)筑物有清水池、沉淀池、濾池等水池，為了保證其冬季的正常使用，須采取保溫措施。水池宜埋地設(shè)置，以充分利用土壤的保溫性能。對于工藝要求露天的水池，池壁應(yīng)采用復(fù)合保溫層，池頂采用覆土及復(fù)合保溫層，覆土厚度及復(fù)合保溫層的做法可通過熱力計算確定。如有條件，可將水池布置在廠房內(nèi)部，以利用廠房冬季采暖進(jìn)行保溫。

4 結(jié) 語

西藏地區(qū)森布日水廠水源采用地下水，取水采用管井方案。管井方案需要考慮沉降和泥沙淤積兩個主要影響因素，可考慮10 m左右的淤積深度以保證管井正常使用?？紤]區(qū)域環(huán)境特點(diǎn)，西藏地區(qū)水廠需要進(jìn)行建、構(gòu)筑物的防凍保溫設(shè)計。對于水池等構(gòu)筑物，可采用外覆土結(jié)合聚苯保溫板的復(fù)合保溫層，覆土深度不宜小于1.0 m，保溫板厚度不宜小于0.5 m;對于廠區(qū)建筑物，主要房間朝南布置，并對建筑物外墻采取保溫措施，建筑物基礎(chǔ)宜采用整體性較好的條形基礎(chǔ)或者筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋置深度宜大于設(shè)計凍深0.25 m，基礎(chǔ)梁與凍脹土之間可預(yù)留100～200 mm空隙填充砂以消除凍脹力。通過采取以上措施，該水廠目前已建成并運(yùn)行良好，其經(jīng)驗(yàn)可供類似項(xiàng)目參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 嚴(yán)煦世， 范瑾初. 給水工程（第4版）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999：126-127.

[2] 趙忠富，黃慎勇，孟錦根，等. 西藏高海拔地區(qū)某水廠設(shè)計和建設(shè)特點(diǎn)[J]. 給水排水，2013，39（5）：37-40.

[3] 劉家富，李和平. 西藏雅魯藏布江藏木水電站入庫懸移質(zhì)輸沙量推算[J]. 水電站設(shè)計，2017，33 （1）：40-42.

[4] 宇彤. 花古水庫設(shè)計洪水及泥沙淤積計算探析[J]. 中國水能及電氣化，2017（2）： 67-70.

（編輯：江 文）