我国深隧排水系统典型案例分析_何巍伟.pdf
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1、净水技术,():其他水系统研究与应用何巍伟,王梦华,武今巾 我国深隧排水系统典型案例分析 净水技术,():,():我国深隧排水系统典型案例分析何巍伟,王梦华,武今巾(合肥中科国禹智能工程有限公司,安徽合肥;泸州市园林绿化服务中心,四川泸州)摘 要 城市排水系统是城市正常运行的重要保障,频发的城市内涝和水体污染等问题,严重制约着我国城市安全发展和可持续发展。城市深隧排水系统作为一种有效的解决途径,近年来日益受到我国科研工作者及城市管理者的关注。通过介绍我国广州、武汉和上海 座城市深隧排水系统案例,重点分析深隧排水系统建设过程中的工程设计研究方法及重点内容,并从适用性、关键技术、运行调度与管理等方
2、面进行了讨论分析,以期为我国深隧排水系统的发展和设计研究提供参考。关键词 深隧排水系统 溢流污染 内涝 案例剖析 工程设计中图分类号:文献标识码:文章编号:():,(,;,),收稿日期 通信作者 何巍伟(),男,硕士,研究方向为城市智慧排水建设及物联网监测技术,:。随着我国城市化的快速发展,各种城市排水问题频发,城市内涝及水体污染事件严重威胁着人民生命财产安全和生态环境可持续发展。深隧排水系统(简称“深隧”)由深层隧道、入流竖井、泵站及其他配套设施(浅层连接、预处理、通风除臭、清淤、消防、监测监控、闸站等设施)构成,多埋设于地下,调蓄空间大、排水能力强且不影响地表或浅层地下空间环境的开发。深隧
3、通过与浅层排水系统有效衔接,实现城市雨污水的收集、调蓄、输送和排放,能有效解决城市土地资源矛盾和提升水污染控制能力及城市排水能力。深隧在国外已有很长的研究历史,尤其是美国及日本已规划建设多项深隧工程。日本由于其岛国的特殊地理位置,深隧大多以雨洪排放隧道为主,用于预防台风、山洪、强降雨等带来的洪涝灾害,保障城市洪涝安全。以日本东京江户川深隧为例,隧道长为.、内径为 、埋深为 ,处直径为 、深为 的竖井,及 处人造地下水库(长为 、宽为 、高为 ),调蓄容量为 万,最大排洪流量达 。在降雨量较小时,雨水就近排入中小型河流,无需开启深隧;当降雨较大超过河道蓄洪能力时,开启中小河流旁的竖井闸门,收集超
4、量雨水并利用隧道输送至东京最大河流江户川旁边的大型地下水库进行存储;当水库雨水储蓄量达到一定程度时,通过排水装置把雨水排入江户川中,平均每年仅运行 次,显著提高了上游河道的排洪能力,解决了东京的洪水灾害问题。美国则大多为合流调蓄隧道,实现洪涝和水污染双重控制,包括我国在内的其他国家,也均以合流调蓄隧道规划建设为主。以芝加哥隧道和水库工程计划()为例,工程一期于 年开工,以控制溢流污染为主,建设了 条独立排水隧道,总长为、直径为.、埋深为 ,可收集储存 个排污口排放的合流污水,调蓄容量达到 万,能够截取 的污染物以及 的合流污水溢流量。工程二期则以控制洪涝为主,建设 个大型水库,新增.亿 的调蓄
5、容积,其巨大的调蓄空间也可进一步减少溢流污染的产生。广州东濠涌深隧系统.工程概况为解决广州市雨季合流污水溢流和城市内涝问题,规划建设“一主七副”深隧(总长为.、埋深为 )和一座综合污水处理厂(图),并于 年开始建设东濠涌深隧试验段。广州东濠涌流域为合流制排水体制,管网排水能力低(.年),溢流污染严重(年均约发生 次溢流污染),城市内涝风险较大。综合考虑土地开发、地质条件等因素,为提升和补充现有浅层排水系统,广州市提出建设东濠涌深隧工程,收集和调蓄流域内的初雨及合流污水,并合理调配至污水厂集中处理,消除溢流污染现象。同时深隧在大暴雨时可作为排涝通道,提高流域排水能力,防止城区内涝发生。工程建设内
6、容主要包括:一条主隧道长为.、直径为、埋深为.,沿线 座入流竖井,终点设置大型综合泵站,以及其他相关配套附属设施建设。图 广州深层隧道排水系统 .运行调度模式深隧运行调度模式大体分为 种。在旱季或小雨降雨量不超过浅层排水系统排水能力时,主要依托浅层排水系统将合流污水输送至猎德污水厂,深隧仅在持续降雨时对溢流污水进行调蓄,随后泵送至猎德污水厂或初雨处理厂处理。在中、大雨降雨量超过浅层排水能力时,深隧首先对溢流污水进行调蓄,随后输送至猎德污水厂或初雨处理厂处理;若深隧调蓄空间不足,则开启闸门向东濠涌排放水质达标的雨水;若雨水水质不达标,为保护东濠涌水质,会先行将部分水质不达标雨水泵送至珠江进行排放
7、分流,随后再开启东濠涌闸门排放水质达标雨水。在大暴雨有水浸风险时,深隧在调蓄控制溢流污染的同时,泵站排洪泵组自动启动快速排洪,防止城市内涝的发生。.工程设计研究深隧系统建设是一项涉及多专业、多方面的复杂工程,广州东濠涌深隧作为我国首条深隧工程,相净 水 技 术 ,关参考依据如建设标准、技术参数等都是空白。为此,广州开展了多个课题研究,用于解决深隧系统工程设计及施工过程中所涉及的相关技术问题。东濠涌深隧沿东濠涌南段进行布置,并于新河浦南侧设置一条管径为 的截污管,截留废水通过深隧尾段沿江路竖井进入深层隧道。深隧沿线有东风路、中山三路、玉带濠和沿江路 座入流竖井及相应的浅层连接设施。通过竖井和深隧
8、连接起东濠涌中北段截污管及主要的合流溢流口,并在深隧末端设置大型综合泵站用于排空、排洪和景观补水。整个深隧系统调蓄容量达到.万。图 武汉深层隧道排水系统 在深隧设计过程中,排水模型的过程仿真及效果评估功能被广泛应用。其中包括:利用河道水力模型评估合流调蓄及污染削减标准,用于支撑深隧控制标准的设计;通过构建“河道浅层排水系统深隧系统”综合水力模型,用于不同降雨下城市排水系统溢流污染、水质变化、深隧沉积物转移等情况的模拟预测;通过构建水质模型评估深隧水污染减排效果,用于优化深隧的运行调度方式。研究表明,为满足水体功能目标(类地表水),广州市类建成区河涌、类半建成区河涌、类非建成区河涌截流调蓄量标准
9、分别为、,溢流污染削减率标准分别为、。深隧建设后流域内合流制溢流()次数减少率,合流污水截取率提升.,污染物削减率提高,排水管网标准由 年提升至 年,东濠涌防洪标准由 年提升至 年,显著提升了流域防洪排涝能力和改善了雨天河道水质污染的情况。其他方面,针对流域降雨分布不均问题,李文涛等对降雨点面关系进行了研究。首先根据深隧服务面积利用泰森多边形法对范围内 个雨量站点进行划分,并结合雨量站点历史数据分析验证了区域内降雨点面折减系数,获得了适合深隧工程规划设计需要的降雨点面关系函数曲线,为深隧工程不同片区降雨量校正、排水规模设计等工作提供了基础支撑。周午阳等构建了一套地表易涝点管网液位监测系统。通过
10、结合易涝点的实时液位数据,联动深隧闸泵的启停运行,研究科学的调度策略,一方面有利于实现深隧智能化控制调度,另一方面可避免频繁开启深隧,节约运行成本。另外陈小芳、刁志刚等分别对深隧供电设计方案及深隧竖井基坑开挖和盾构吊出井等技术也开展了相关研究。武汉大东湖深隧系统.工程概况由于中心城区土地资源紧张,污水厂扩厂提标困难,加上国家和上级政府日益严格的环保政策,武汉提出建设大东湖污水深隧系统(图)。工程通过对中心城区 座污水厂(沙湖、二郎庙、落步咀)进行改造,并利用深隧将其收集的污水转运至新建的北湖污水厂进行集中处理,以解决所面临的土地矛盾及水环境问题。工程建设内容主要包括:二郎庙至北湖污水厂主隧,长
11、为.,埋深为 ,管径为;落步咀至三环线支隧,长为.,埋深为,管径为。另有何巍伟,王梦华,武今巾我国深隧排水系统典型案例分析,座预处理站、沙湖提升泵站及相关配套设施。.运行调度模式武汉深隧运行调度主要是针对污水日常输送及特殊场景下的应急调度,以保证深隧系统水量的稳定运行。调度模式主要包括常规调度、淤积冲刷调度、应急调度等。常规调度模式应用于日常调度,通过控制深隧系统不同接入点的进水量,来保证深隧的平稳运行,避免对下游竖井及污水厂带来影响。淤积冲刷调度模式主要通过对淤积管段提高污水流速实现淤积冲刷,避免深隧淤堵。应急调度模式主要应用于某些特殊场景,例如当下游污水厂部分停水检修,上游预处理站进水相应
12、调小;上游部分区域夜间水量过小时,会关闭该区域预处理站进水保持该站水位稳定,并通过调整其他预处理站水量来弥补该区水量的缺失,保障下游污水厂进水稳定;当上游区域降雨,部分合流制进水量激增存在溢流风险时,增大该区预处理站进水量,并相应减小其他区域预处理站进水量,以保持深隧系统的水量稳定。.工程设计研究深隧的建设需要考虑各方面因素,如工程量、地质条件、用地情况、协调难度、对现有环境影响、安全性、经济性等。武汉深隧的主隧道起自二郎庙预处理站,沿沙湖大道、欢乐大道绿化带、三环线、汉鄂高速、严西湖和北湖公园绿化带敷设,终至北湖污水厂。污水支隧起自落步咀预处理站,沿三环线敷设,于青化立交处接入主隧道。李尔等
13、在传输方式方面通过利用排水模型对重力流、压力流两种传输方式在相同工况条件下进行水力模拟分析,重力流方式对各入流点流量变化适应性较强,水泵扬程较低,变幅较大。但考虑深隧系统的经济性、安全性、管理维护(通风除臭、沉积物管理、防腐维护)等方面,压力流则更具优势,因此,武汉深隧选择压力流方式进行污水输送。徐剑乔利用 软件建模,分析对比了涡流式和折板式两种入流竖井的消能和排气效果。在正常工况下涡流式竖井效果相对更好,折板式竖井在大流量时井壁会受到冲击从而影响其结构安全性;而过载工况情况下,两者排气、消能效果均会失效。另外,泵站是连接深隧上下游的重点枢纽,是深隧成功运行的重要保障。陈宝玉等采用多种分析方法
14、对泵站设计进行了优化,其中包括:采用流体动力学数字模拟分析(分析)对泵站的进、出水水力流态进行仿真分析和设计优化,以减轻避免进、出水水力流态旋涡和水力剥离现象的发生;在 分析基础上,通过构建物理模型进一步模拟泵站内水位液面、旋涡、分流及不同水位下气泡的产生情况,实现泵站设计和 分析结果的验证和优化;通过构建水锤分析模型,对泵站水泵正常开停机及异常断电事故情况下水力过渡过程进行模拟分析,获得管路异常情况下压力、倒流流量、负压、倒转转速等关键参数,为水泵的优化选型和安全防护措施制定提供支撑;利用 软件对泵站管道、楼层结构等进行了模态分析,评估其主要受力点及抗震情况,指导结构设计优化采取进行配筋加固
15、、板层加厚等措施,改善泵站整体受力情况提高其抗振动性能。为满足深隧的日常运行管理、监测预警和应急调度等需求,武汉开展了多项深隧信息化系统的设计研究。杨杏勃等针对深隧运营期内上下游合理调度及淤积风险管控问题,利用物联网监测设备获取隧道运行流量、淤泥、压力等参数,结合暴雨管理模型()进行水力、水质、淤积过程状态的模拟仿真计算,设计出常规调度、应急调度、淤积冲刷调度 种方案并进行模拟验证,通过联合调控 座预处理站及末端污水厂的进出水量来保障不同场景下深隧系统水量的平稳运行和淤积风险的管控。学者们为了及时掌握和预防深隧结构病害的发生,研究并设计开发了一套深隧健康监测系统。系统主要通过对隧道结构受力、渗
16、透、腐蚀、环境信息等方面进行实时监测,实现隧道健康状态的分析评估和提前预警等功能,有效保障深隧系统运行安全。史诗乐等设计的套智慧深隧系统,包括深隧设施三维仿真展示、设备管理、监测预警、生产数据统计分析、防淤积管理、智能巡检等功能,实现了深隧精细化管理和节本增效的目标。其他方面,研究者们对工程区域地质特征进行了研究,探讨了武汉岩溶地区深隧工程的勘察方法以及相关地质灾害问题的处理措施。谢小龙等对深隧施工方法进行了比选研究。首先由于深隧埋深较大且处于市政道路下方,排除明挖法;矿山法由于辅助工法较多,机械化程度低,速度慢,工程进度无法与北湖污水厂及配套工程有效衔接,予以排除;顶管法速度快、费用低,效果
17、好,但需要较大曲线半径。武汉深隧曲线段较多,转弯半径最小为,因此,选择在条件较好的落步咀至三环线支净 水 技 术 ,隧采用顶管法施工,而主隧则采用盾构法施工。学者们也分别对武汉深隧下穿既有铁路盾构施工技术、支隧长距离双孔曲线顶管施工技术和建筑信息模型()技术在有限空间作业中安全管控等方面进行了技术探讨,有效保障了武汉深隧工程的顺利实施。上海苏州河深隧系统.工程概况上海中心城区苏州河沿岸土地开发密度大、人口密集,雨天溢流污染及内涝严重,近年来已造成巨大经济损失,城市安全受到严重威胁。为解决上述问题,上海开展了苏州河深隧工程建设(图),提高沿线区域雨天排涝能力,调蓄合流污水消除溢流污染。工程建设内
18、容主要包括:一级主隧长为.,直径为 ,埋深为 ;二级支隧长为 ,直径为 ,埋深为 ;三级支隧长为 ,直径为 ,埋深为 。设置提升泵站和初雨处理厂各 座,座入流综合设施。图 上海深层隧道排水系统 .运行调度模式上海苏州河深隧系统运行调度模式主要分为雨天运行模式和旱天出流调度模式。雨天运行模式:小雨时(降雨量),依托现有浅层排水系统进行截流和排放,不启动深隧调蓄;中雨时(降雨量.),若降雨量超过合流管负荷,开启深隧调蓄存储超量合流污水;大雨时(降雨量.),首先开启深隧调蓄超量雨水,当隧道充满后,在启动市政雨水或合流泵站将多余雨水抽送入河,直至雨停;大暴雨时则同时启动深隧调蓄和开启雨水泵站进行排洪。
19、旱天出流调度模式:若未来 无降雨,则在凌晨利用污水厂空余能力进行合流污水处理;若未来 有降雨且隧道内的调蓄合流水不能及时排空,则提前启动污水厂对隧道内的合流水进行处理排放。.工程设计研究上海苏州河深隧结构设计由收集调蓄、提升输送、处理排放三大系统组成。()收集调蓄系统。包括一级调蓄管道沿苏州河敷设,用于调蓄和输送雨水;二级输送管道,用于优化一级调蓄管道竖井布局并连接三级收集管道,输送三级收集管道的雨水进入一级调蓄管道;三级收集管道,在利用原有排水设施的基础上,进行局部地区进行升级改造,提高管网排水标准,充分发挥雨水收集的作用。沿线设置 座综合设施(苗圃、云岭西、长风、万航渡、叶家宅、梦清园、昌
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