净水技术|水处理构筑物下叠清水池设计的要点
小编导读
作者：张晏晏/上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司；吴少衡/上海市自来水奉贤有限公司
随着人们对供水水质要求的提高，以及对生产废水排放的重视，现代水厂设计包括预处理、常规处理、深度处理和排泥水处理等。水厂构筑物数量增多，导致用地紧张。水处理构筑物下叠清水池的应用便成为了水厂设计的重点。清水池由于其占地面积较大，成为水厂设计中首先被叠合的构筑物。下叠清水池的设计与传统清水池设计差距较大，设计难度也有所增加。
传统的清水池构造简单，其设计经常不受给水工程师的重视，仅有的研究也集中在清水池调蓄、节能等优化。目前，对于传统清水池的设计要点及细节的研究较少，对于下叠清水池的设计要点的研究更是一片空白。因此，总结清水池设计要点、尤其是下叠式清水池的设计要点意义重大。本文就下叠式清水池的优化设计进行探讨。
调蓄与管配
厂区所有清水池调蓄容积之和应根据式（1）及式（2）确定。下叠清水池各管配件布置原则与传统清水池相同，应根据手册上要求按表1配套设计进水管、出水管、溢流管和排水管等管配件。
Wc=W1+W2+W3+W4 （1）
其中：W1——调节容积，m3，一般根据制水曲线和供水曲线求得；
W2——净水构筑物冲洗用水及其他厂用水的调节水量；
W3——安全储量，m3，为避免清水池抽空，威胁供水安全，清水池可保留一定水深的容量作为安全储量；
W4——消防储量，m3。
W4=T（Qx+QT-Q1） （2）
其中：T——消防历时（h），一般为3 h，也有采用2 h的，可视具体情况而定；
Qx——消防用水量，m3/h；
QT——最高日平均时生活与生产用水量之和；
Q1——消防时一级泵房供水量，m3/h，如消防时允许净水厂强制提高制水量，则Q1>QT。
表 1 清水池各配管布置要求
2
水位
若下叠清水池为水厂仅有调蓄构筑物，则水位按正常水力流程设计确定即可。若下叠清水池与其他独立清水池并联，则该清水池最高、最低水位应与独立清水池保持一致。
构筑物下叠清水池水位由该清水池在水力流程中的位置确定。若下叠清水池与独立清水池串联，即下叠清水池起消毒接触池作用，则该清水池最高水位应为滤池（无深度处理构筑物）或炭滤池（有深度处理构筑物）出水堰后水位减去至（炭）滤池连接管的水头损失，也可以通过独立清水池的最高水位加上两者之间的水头损失计算获得。下叠清水池的最低水位应为独立清水池的底板标高加上连接管间的水头损失。清水池与其他构筑物之间连接管的水头损失可根据式（3）确定。
h=h1+h2=∑iL+∑ξv2/(2g) （3）
其中：h1——沿程水头损失，m；
h2——局部水头损失，m；
i——单位管长的水头损失，m；
L——连通管段的长度，m；
ξ——局部阻力系数，查给水排水设计手册第1册《常用资料》；
v——连通管中流速；
g——重力加速度，m/s2。
3
隔墙与底板
3.1
底板
若下叠清水池为水厂仅有调蓄构筑物，则构筑物的底板标高确定同传统清水池相同，在此不做详细讨论。若除下叠清水池外，仍有其他独立的清水池，则下叠清水池的底板标高应同独立清水池的底板标高保持一致。出水管附近底板应有局部落低措施，并在适当位置设置一定数量集水坑，集水坑应设置在人员方便出入处，但要避开正对人孔入口、以及较大的隔墙过水孔，防止人员不慎跌落。
3.2
隔墙
沉淀池下叠清水池主体隔墙应与沉淀池水流方向平行。滤池下叠清水池隔墙应与滤池排水槽平行，以方便结构受力计算。构筑物伸缩缝两边也可根据结构要求适当增加隔墙。
底梁应尽可能上翻，降低底梁施工难度，因下叠清水池过水孔无法贴地设置，隔墙下部应每隔一定距离设置流水孔，防止调试过程中因两侧水位差异引起的受力不均匀而引起的隔墙坍塌。隔墙上部应每隔一定距离设置透气孔，防止积气而导致的水位无法上升。透气孔与过水孔一般较小，建议设计为圆形，在施工时只需预埋管道浇铸即可成型，而方形孔洞需预先支撑模板，施工不便。
下叠清水池上部为水处理构筑物，不便开人孔，部分区域离人孔较远。为方便检修，应在隔墙适当的位置设置检修门，便于检修人员快速到达需检修处。
4
人孔
4.1
人孔位置与形式
由于下叠清水池顶板为上部构筑物底板，清水池顶板上无法开设人孔。如何合理布置人孔，使检修人员方便从地面进入地下清水池一直是下叠清水池的设计难点之一。
下叠清水池外壁可较上部处理构筑边缘外凸一部分，并在外凸处上方开一人孔进入。也可以将整个下叠清水池外壁扩大至略大于上部构筑物外壁，在扩大部分上方寻找合适位置开设人孔。前者称为外凸式，该方式会使构筑物整体轮廓复杂不规则，结构基坑处理难度增加，施工不便，还会造成外凸部分死水淤积，不利于饮用水安全。后者称为外扩式，该方式构筑物轮廓规则，基坑维护简单、清水池平面尺寸增大，调蓄容积增加，设计难度减少，但土建费用较高。
沉淀池水力流程上布置较前、底板一般较高，故其下叠的清水池一般水深足够、调蓄容积充足，其下叠的清水池无需过大的平面尺寸。另外沉淀池通常外壁形状方正、土建结构较为简单，即使下叠清水池局部外凸，也不会对整体结构设计造成太大难度。因此，外凸式成为了沉淀池下叠清水池人孔的主流，但也有不少将下叠清水池扩大至沉淀池排泥渠外侧的实例。可见这两种人孔设置方式均适用于沉淀池下叠清水池。图1（a）与图1（b）为人孔的两种不同的布置形式。
（a）外扩式
（b）外凸式
图1 不同的下叠清水池人孔布置方式
而滤池本身结构复杂，基坑维护设计本已不易，若继续增加滤池外轮廓的不规则性，会为结构设计带来更大困扰。因此滤池下叠清水池一般不采用外凸法。滤格上部有一条悬空的浑水渠，若将清水池外壁与浑水渠外壁对齐，在浑水渠底板与清水池顶板中空间设置人孔，这样结构上的处理较为简单，也充分利用了滤池浑水渠下部空间。采用外扩式后，滤池浑水渠一侧外立面不出现肋板，外形较为美观。而且滤池本身底板较低，下叠清水池高度不够，外扩式正可以扩大清水池占地面积，增加调蓄容积。可见，外扩式人孔布置非常适合滤池下叠的清水池。
采用外扩式的滤池下叠清水池的人孔，若浑水渠底板底与清水池外扩部分顶板顶的高差大于2 m，则可将人孔设置于清水池顶板之上，并采用方形人孔。若该高差不足2 m，那么设计时应采用将浑水渠底板与清水池顶板合并，并在合并处侧壁部分预埋墙管，检修人员从侧壁圆形人孔处进入下叠清水池。
另外，若清水池进出管口径较大，可在进出水阀门井中阀门前管道上设置三通及法兰闷版作为进入清水池的通道。这种方式具有土建成本增加较少、施工难度较小、检修人员进池方便、组合池外轮廓规则等优点，适用于较大规模的水处理构筑物。
4.2
人孔与溢流及通风设施的结合
通风设施与溢流设备需与地面连通，而人孔必有与地面连通的部分，故可在设置人孔处布置溢流与通风设施。精简下叠清水池附属设施，方便管理。
一般采用在人孔既高出地面又高出溢流水位处开数个小孔、加防虫网的方式实现通风功能。此方法减少池壁其他地方的开洞个数，减少透气管穿墙套管的敷设，降低清水池漏水风险。
人孔与溢流设施结合方式较多，并根据溢流水位的不同而形式多样。若溢流水位同地面标高相近或高出地面不多，则可采用地平上方侧壁开溢流孔的方式，使溢流的清水散至地面，漫流至厂区雨水系统。若溢流水位高出地面许多，则上述方法会使溢流孔高出地面较多，溢流水流至地面时，孔下方外壁受水侵蚀面积较大，积年累月影响池壁外立面美观。而设置过分高于地面的溢流孔，清水池溢流时水声也较大，不利于厂区内噪音污染控制。此时应选择在人孔附近设置溢流管，溢流水流进溢流管后再经管道连接的溢流井排至地面进入雨水系统。另外，溢流管出口经常处在排水水位以下时，为避免清水收到污染，也可以考虑使溢流管先经溢流井，再通至排水井。考虑到溢流流量及溢流管入口出堰上水深，溢流管入口处常采用喇叭口，此时需注意清水池人孔大小应能保证清水池内喇叭口的顺利安装与调换。
图2（a）及图2（b）为两种不同人孔与溢流设施结合的布置案例。
（a）外设溢流井式
（b）直接设溢流孔式
图2溢流与人孔的不同结合方式
5
结论
清水池是给水工艺中重要的水处理构筑物。随着水厂建设用地的日益紧张，清水池与其他水处理构筑物合建已成为一种趋势。下叠的清水池设计与传统独立清水池设计略有不同，结构处理难度较大，考虑细节较多。为保证下叠清水池的顺利运行，现总结设计要点如下：
（1）并联下叠清水池最高水位与最低水位同独立清水池各水位相同。串联清水池的最高水位同最低水位应略高于流程后的独立清水池。
（2）下叠清水池隔墙应平行于沉淀池水流方向或者（炭）滤池排水槽方向。清水池底梁应上翻，隔墙上应设置上部透气孔与下部流水孔，且最好为圆型。隔墙必要位置处应设置检修门和过水孔。
（3）下叠清水池的人孔为该构筑物设计难点，需根据实际情况选择人孔形状和安排人孔位置。土建人孔设计可采用外凸式和外扩式，两种方式均适用于下叠于沉淀池下的清水池。设置于滤池下的清水池推更应采用外扩式，若进出水管口径较大，可在阀门井中管道上设置人孔。人孔设计时应考虑与清水池的溢流与通风设施相结合，必要时应在清水池附近设置额外溢流井。
推荐参考
张晏晏,吴少衡.水处理构筑物下叠清水池设计的要点[J].净水技术,2017,36(12):104 -108 .
Zhang Yanyan, Wu Shaoheng. KeyPoints of Design for Clear Water Reservoir Overlapped under Water Treatment Constructions[J]. Water Purification Technology, 2017,36(12): 104-108 .
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