西藏高寒地區森布日水廠設計

廖亞新 段凱 馬建民

摘要：為總結西藏高寒地區特殊環境下水廠設計的特點和經驗，以西藏山南地區貢嘎縣森布日水廠為例，分析和總結了西藏高寒地區水廠設計中面臨的取水形式、水處理工藝、結構防凍保溫設計等關鍵問題。結合當地水文地質條件，水廠取水采用管井方案，管井設計需要重點解決沉降和泥沙淤積問題，可通過采用復合保溫層等措施解決結構防凍保溫問題。

關鍵詞：水廠設計; 管井; 防凍保溫; 泥沙淤積; 西藏; 高寒地區

中圖法分類號：TU991 文獻標志碼：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氣候地區，具有氣溫低、晝夜溫差大、空氣稀薄、氣壓低、輻射強以及日照充足的特點，年平均氣溫0℃以下，1月平均氣溫可達-20℃以下。西藏水資源十分豐富，但時空分布不均勻，水資源與生產力布局不相匹配，加上特殊的自然地理條件，部分區域位于嚴寒或寒冷地區，海拔高，自然條件惡劣，交通條件差，基礎設施落后。這些特殊的環境條件決定了西藏地區水廠設計的特殊性。必須對這些特殊問題進行針對性設計。本文對西藏山南地區森布日水廠的設計思路和實施方案進行了介紹，總結了西藏高寒地區水廠的設計經驗，可為類似項目提供參考。

1 工程概況

西藏山南地區森布日水廠位于西藏自治區山南市，設計供水規模2.5萬m3/d。水廠廠區占地面積約為21 400 m2。廠區主要構筑物包括取水管井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、機修車間及倉庫1座、綜合樓1座、門衛室1座及廠區管道、圍墻、大門、道路、綠化等。水廠建設效果如圖1所示。

2 主要設計方案

2.1 取水形式

2.1.1 水源選擇

工程區域水資源豐富，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，地下水補給來源為江水，與江水水力聯系密切，砂礫石地質結構單一且具強透水性，滲流途徑通暢，漫灘砂礫石層為強富水區。地表水主要為江水，江水主要接受大氣降雨、冰雪融水補給，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，水質良好并可達到地表水環境質量標準中Ⅰ類水標準。將地表水和地下水兩種水源方案進行對比分析，如表1所示。

綜合以上方案，地下水補給豐富，水量及水質均可得到保障，供水安全性、技術可行性和施工運行管理方案均具備優勢。此外，地下水作為水源還具備以下優點：水源地更靠近用戶，從而可降低給水系統（特別是輸配水管網）的投資，節省輸水運行費用，提高給水系統的安全可靠性;便于水源的分期建設與衛生防護區建立[1]。因此，推薦采用地下水水源方案。

2.1.2 取水構筑物

根據所在位置含水層情況的不同，地下水取水構筑物有不同的選擇，常見的地下水取水構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，設置井筒，以截取淺層地下水的構筑物。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組成的聯合取水構筑物。一般常用于中砂、粗砂、不含漂卵石和粉細砂地層。改進型輻射井是在傳統大口井井壁下部四周及井底向下增設12～20 m長的輻射管，使其同時具有傳統大口井及輻射井的功能，其應用范圍變廣，可用在含水層厚度大、埋深淺的取水地區，取水深度可至地下40 m。此改進型輻射井目前在西藏拉薩地區已有成功應用[2]。

森布日水廠工程水源地區域含水層面積及厚度較大，水位埋深較淺，取水構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行比選。

（1） 管井方案。由于工程區域地下水屬于穩定流無壓含水層，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，m/d;R為影響半徑，m，[R=2sHK]。

根據計算并結合水文地質詳勘報告，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。根據式（1）可知單井的取水量為Q=5 217.5 m3/d。根據取水量25 000 m3/d的要求，共設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;α為輻射管間干擾系數，[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，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，經計算，單井出水量為20 605 m3/d。根據取水量25 000 m3/d的要求，設置3口18 m深井徑為6 m 的輻射井，輻射管設3層，每層6根，并在井底部設6根豎直向輻射管，設計單井出水量為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，將兩種取水構筑物方案進行對比分析，如表2所示。綜合以上比選內容，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

根據地下水水質檢測報告，工程取水點水質可達到地表水環境質量標準中Ⅰ類水標準，一般情況下只需加氯就可供給城市居民使用，但考慮水質在不同年份洪水期及枯水期受泥沙影響，有可能出現波動，預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，直接消毒后便可進行供水。設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，選擇消毒劑時應考慮原水水質、出水水質、消毒劑來源、處理水量、成本及運行管理水平等因素。

液氯是水處理行業里比較常用的消毒方法。液氯成本低、工藝成熟、效果穩定可靠，具有余氯的持續消毒作用。原水含酚時會產生氯酚味，原水有機物高時會產生有機氯化物，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。

二氧化氯是強氧化劑，在消毒過程中不會產生有機氯化物副產物。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，是近年來應用較廣泛的消毒方法。二氧化氯不穩定，只能現場制備，需要控制氯酸鹽和亞氯酸鹽等副產物，使得運行管理和設備維護過于復雜。

次氯酸鈉是一種高效、廣譜、安全的消毒方法，可以強力殺滅病菌、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生器現場制備，就地投加，不經貯運，操作簡單，使用方便，對環境無毒害，不存在安全隱患。因此推薦采用次氯酸鈉消毒。

2.3 結構防凍保溫

由于西藏地區冬季寒冷，為了確保水廠各系統的正常運行，應重視相關建筑物與構筑物的防凍保溫措施。

2.3.1 結構防凍設計

結構材料方面，混凝土抗凍等級不低于F200級，鋼材優先采用Q235D，Q345D級鎮靜鋼，以保證結構材料具備較好的抗凍性能。

基礎設計方面，工程區域存在凍土，基礎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）下設防凍砂墊層，基礎側表面均回填非凍脹材料中粗砂，通過以上措施，結構基礎可較好地適宜凍融變化。

2.3.2 結構保溫設計

建筑物的節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 合理設計建筑物形態（如L形、U形），有效減少寒風的影響;③ 采用新型建筑節能復合墻體、窗戶節能玻璃、節能屋面及控制建筑窗墻比等來提高保溫性能。

水廠主要的外露構筑物為地上式清水池，必須對其進行保溫設計，以保證冬季正常運行。保溫措施有：池壁采用復合保溫層，保溫材料采用80 mm厚擠塑聚苯保溫板，外側砌護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行了熱工驗算，傳熱系數滿足規范要求，覆土厚度及復合保溫層的做法可保障清水池冬季正常運行。

3 經驗總結

3.1 管井取水的可靠性保障措施

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

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，導致周邊建筑物基礎、地面發生不均勻沉降情況。工程西側約50 m處為現狀堤防，因此需要合理確定管井降深以保證周邊建構筑物沉降滿足相關規范要求。通過天漢軟件對管井降水引起周邊地層的沉降進行了計算分析，計算成果如圖3所示。由圖3可以看出，當管井降深為2.0 m時，周邊50 m處最大沉降約為8.0 mm，滿足規范要求，此時單井出水量滿足凈水廠水量要求。

凈水廠設計使用年限為50 a，河道的懸移質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的同期懸移質實測資料，經過推算，該河段多年平均含沙量0.527 kg/m3[3]。設計年限內泥沙淤積量可按式（3）近似計算[4]：

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

經計算，50 a泥沙淤積深度約為6.5 m。設計時單井考慮10 m淤積深度，單井設計長度為50 m。

3.2 建、構筑物的防凍和保溫措施

西藏地區為凍土地區，土體凍脹力對于建筑物基礎具有較大的破壞作用，從而影響結構安全，需要采用防凍脹措施。結構基礎盡量考慮條形基礎或者筏板基礎等整體穩定性好的基礎形式，地基梁下設架空隔離層，嚴禁地基梁或墻體直接砌筑在受凍脹影響的土層上。

水廠的主要生產構筑物有清水池、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，池壁應采用復合保溫層，池頂采用覆土及復合保溫層，覆土厚度及復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部，以利用廠房冬季采暖進行保溫。

4 結 語

西藏地區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。考慮區域環境特點，西藏地區水廠需要進行建、構筑物的防凍保溫設計。對于水池等構筑物，可采用外覆土結合聚苯保溫板的復合保溫層，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，建筑物基礎宜采用整體性較好的條形基礎或者筏板基礎，基礎埋置深度宜大于設計凍深0.25 m，基礎梁與凍脹土之間可預留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行良好，其經驗可供類似項目參考。

參考文獻：

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

[2] 趙忠富，黃慎勇，孟錦根，等. 西藏高海拔地區某水廠設計和建設特點[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輸沙量推算[J]. 水電站設計，2017，33 （1）：40-42.

[4] 宇彤. 花古水庫設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）