多年冻土地区的供水和排水系统设计

薛　正

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安　710043)



多年冻土地区的供水和排水系统设计

薛正

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安710043)

摘要：针对高原冻土地区给排水系统的防冻及各种水处理的特殊要求，进行现场试验与工程应用。结果表明，通过对管道及构筑物采取架空保温敷设、浅埋敷设、深埋敷设、电伴热保温、中粗砂回填等方式，能较好解决不同冻土类型对给排水管道及构筑物的冻拔及融沉问题，通过采取反渗透、高效电催化氧化技术能较好解决低温、低压、低含氧量状态下的水处理效果。历时多年的实际工程运行效果证明，上述措施是可行的。

关键词：冻土区; 给排水系统；抗冻胀；抗冻拔；反渗透；高效电催化氧化

1工程概况

1.1工程项目规模

本工程的多年冻土地区设有沱沱河给水站、不冻泉生活供水站、长江源特大桥守护生活供水点和昆仑山隧道守护生活供水点。其中沱沱河给水站用水量322 m3/d，有客车上水作业，车站建有大口井、污水泵井、跌水井等构筑物和反渗透水处理设备、紫外线消毒设备、变频供水设备、防冻型客车上水拴、污水处理等设备；车站给排水管路总长约2.8 km，主要采用浅埋和深埋等方式。不冻泉生活供水站是多年冻土地区给排水工程试验站，建有多种给排水管道及构筑物，并设有多种给排水工程试验设备，水源采用汽车从不冻泉拉水，站区给排水管道总长约650 m。长江源特大桥守护生活供水点水源采用自建井，水源水质中Cl-、SO42-和锰超标，需进行特殊处理；生活污水处理后水质要求达到《生活饮用水水源水质标准》，需进行特殊处理；生活供水点建有大口井、污水泵井、跌水井等构筑物和反渗透水处理设备、紫外线消毒设备、气压供水设备、污水处理等设备；设计给排水管路总长约1.1 km，主要采用浅埋方式。昆仑山隧道守护生活供水点水源采用汽车拉水解决；生活污水处理后水质要求达到《污水综合排放标准》，需进行二级处理；生活供水点建有污水泵井、跌水井等构筑物和气压供水设备、紫外线消毒设备、污水处理设备等；设计给排水管路总长约550 m，主要采用浅埋方式。

1.2给排水设计技术难点

给排水系统在青藏高原多年冻土地区特殊的气候和地质条件下，如何保证系统的正常运转，在目前还没有成熟的经验可供借鉴。东北多年冻土地区已建成的给排水系统均存在不同程度的病害，常采用的水源加热和与热网埋设于同一管沟内的防冻措施在青藏铁路沿线还没有条件采用[1]。多年冻土的冻胀和融沉机理比较复杂，对给排水管道和构筑物的影响巨大，需要经过室内外试验、理论计算，摸索出给排水工程设施在多年冻土地区的冻胀和融沉规律，找到有效解决办法。

沱沱河给水站由于水源及处理水排出口距站中心均较远，运营对管道保温要求高；该站水源水质中Cl-和汞超标，需进行特殊处理；该站污水处理后水质要求达到《生活饮用水水源水质标准》，处理难度大。

不冻泉生活供水站作为多年冻土地区给排水工程试验站，担负着多年冻土地区给排水工程设施的试验任务，如何选择有代表性的给排水工程试验项目和内容，使试验成果早日得到有效应用是本站设计的重点和难点。

长江源特大桥守护和昆仑山隧道守护两生活供水点设计水量虽不大，但给排水工程设计内容却较多：长江源特大桥守护水源水质中Cl-、SO42-和锰超标，需进行特殊处理；生活污水处理后水质分别要求达到《生活饮用水水源水质标准》和《污水综合排放标准》[2]，青藏高原具有的低气压、低含氧量和低气温的三低气候特点对污水生化处理影响大，处理难度大[3]。

2给排水处理设计方案

2.1给水处理工程设计

沱沱河站水源水质中Cl-和汞超标、长江源特大桥守护水源水质中Cl-、SO42-和锰超标，水质需进行处理后方可饮用。由于水质超标项目不止一项，如采用传统处理工艺：处理构筑物较多，占地面积较大，操作控制较复杂，不适合青藏铁路管理的要求。设计中对可能采用的电渗析处理工艺、反渗透处理工艺和离子交换处理工艺进行充分的论证，确定采用反渗透处理工艺。相比之下，反渗透处理工艺更先进、处理效率高，设备自身小型化、占地面积小，系统操作更简单，自动化控制程度高、可实现无人操作运转，符合青藏铁路管理的要求。同时，反渗透处理工艺设备费用相对较大。

2.2给水管道工程设计

给排水管道工程在多年冻土地区铺设主要有架空式和浅埋式；在多年冻土融区地区铺设主要有深埋式和浅埋式。

2.2.1架空式保温管道设计

在以下几种情况下，应优先采用架空式保温管道：管道通过地质条件不良，不宜把管道直接铺设在土层中或在土层中不易埋管施工、不易维修处；管道通过沼泽、洼地或沟渠等受地形控制的地段；管道通过岩石层不易开挖管沟的地段。

(1)架空式保温管道桩采用钢制结构，埋设深度根据多年冻土上限及多年冻土冻胀力计算确定，不宜小于季节性融化层深度的两倍，钢管内壁除锈后灌注细石混凝土。

(2)桩基采用钻孔桩或曝扩桩，孔径大于200 mm，桩基底部设有扩大部。钢管与桩基间灌浆和填充中粗沙。桩基周围的冻胀性土宜挖除，换填为非冻胀的砂、卵石、碎石、炉渣等。为了保证换填体的防冻拔效果，换填体周围应采用土工布等材料包裹，以防换填体被细粒土浸入而失效。换填的范围应根据原基上冻胀量的大小和冻结深度确定。

(3)管道支架分固定支架及滑动支架两种。固定支架应安设在柔性接口(热补偿装置)之间，并应锚固在支墩上，通常用角钢制作。滑动支架每隔2 m安设一个，通常用扁钢制作，并固定在底板上。柔性接口的间距应根据管道施工和运用时可能产生的最大温差计算出管道的伸缩量后，按照选用的柔性接口允许的伸缩量加以确定。架空式保温管道上安设柔性接口处，应采用易于拆卸的活动外罩，以便于检修。

(5)扬配水干管及配水支管应尽量铺设单向坡度，最小坡度不应小于5‰，扬配水干管的最低点应设一条放空管。架空式保温管道构造见图1[5]。

2.2.2浅埋式保温管道设计

(1)浅埋管道采用管道基础换填中粗砂的工程措施[6]。粗砂和砂砾石冻结时，重力水向下流，使冻结的水量减少，因此在管道周围换填粗颗粒以减轻切向冻胀力。

(2)冻胀通常不是发生在近地表层，而是在最大冻结深度的1/5的部位[7]。整个冻结深度范围存在着一个主冻胀带。这个地带的冻胀量占整个冻结深度范围的大部分数值。从各层土体冻胀量观测结果可以看出，土体最大冻胀率出现的地方是从地表至1/3的最大冻结深度处，此处所产生的冻胀约占总冻胀量的70%～90%。剩下的1/3冻结深度范围内，其冻胀量比较小，因此设计浅埋管道埋设深度宜埋设在多年冻土上限以上，埋设在地面以下1.0～1.5 m地温变化较小处。浅埋管道断面如图2所示。

图2　浅埋管道断面(单位：mm)

(3)在地下水位较低的地区，给排水管道可采用了无防护外罩的浅埋式保温管道；在地下水位较高的地区，为隔断地下水对管道造成危害，应采用带防护外罩的浅埋式保温管道。为防止地下水浸湿保温层，防护外罩的接缝处应有防水措施。见图3。

图3　浅埋管道防护剖面(单位：mm)

(4)管道保温层应尽量选用绝缘性能好，吸水性小的保温材料，如聚酚醛泡沫塑料、可发性聚苯乙烯泡沫塑料、硬质聚氨脂泡沫塑料等。设计选择防水性较好的聚酚醛泡沫塑料作为保温材料。根据理论计算和现场试验观测结果，在确定保温层厚度时，应根据当地气温、地温及管道的运营条件，通过热力计算后确定。一般情况下，保温层厚度不应小于40 mm。

(5)为防止管道冻结以及运营时的管道保温，需在管道上增加拌热电缆，其结构及布置形式见图4。通过计算及现场观测，管径D≤200 mm的管道，选用加热功率为30 W/m的拌热电缆能满足管道维持正常工作的需要。埋地式管道的电加热拌热电缆的启动温度控制在0.5 ℃，断电温度控制在3 ℃，由自控系统自动操作。

图4　管道电伴热断面

(6)多年冻土地区的管道埋设主要采用浅埋的方法，该办法具有管道土方工程量少，检修方便，供、排水安全可靠的优点。但也有运营费用高的缺点，设计中对多种管道保温材料进行了实地试验，选用了保温性能好的保温材料，并提高了管道测温装置的自控能力，能有效控制管道的加热温度，既能安全运行，又可降低运营费用。

选择2016年08月--2017年02月的20例鼻腔鼻窦良性肿瘤患者的资料进行回顾性分析,患者均在鼻内镜下应用低温等离子射频开展手术。其中男性患者有12例,女性患者有3例,年龄区间在13岁-61岁之间,平均年龄为(38±1.02)岁;内翻性乳头状瘤有9例,均为单侧、鼻咽纤维血管瘤有2例,主要位置在鼻咽顶后壁侵犯右侧翼腭窝、鼻腔血管瘤有4例,位置在鼻中隔、左下鼻甲前端及、右侧上鼻甲、上颌窦出血坏死性息肉5例。

2.2.3深埋式保温管道设计

主要适用于多年冻土融区地区给排水管道的铺设，该地区通常季节性冻土冻深较大。在深季节冻土区管道埋设主要采用深埋的方法，该办法具有管理简单，运营费用低，受供电影响小，供、排水也安全可靠的优点。但也有管道土方工程量大，检修困难等缺点，设计中根据具体工程地质情况，优化管道走向，尽量减少管道土方工程量。同时，设计采用在管道上设置金属探测线，方便了管道的检修。部分已完工的给排水管道及构筑物工程经过一个冬季的检验，运行良好。

2.2.4管道敷设方式的选择

沱沱河给水站位于冻土融区地区，故站区内给排水管线采用浅埋敷设方式，有利于施工及日后检修。站外给排水管线均采用深埋敷设方式，可有效保证给排水管线的安全运营，降低后期运营管理成本。

长江源特大桥守护供水点和昆仑山隧道守护供水点位于多年冻土地区，故采用浅埋敷设方式，可有效减小工程量，方便检修维护。

2.3给排水构筑物工程设计

(1)给排水构筑物按“保持冻结”原则进行设计，因为混凝土或钢筋混凝土构筑物导热系数大，热量传递快，又由于构筑物内常年贮存有正温的液体，因此对冻土层温度场，多年冻土上限会产生较大影响，造成融沉[8]。给排水构筑物采用在构筑物基础周围换填中粗砂的工程措施防止冻胀。粗砂和砂砾石冻结时，重力水向下流，使冻结的水量减少，因此设计时在周围换填粗颗粒减轻切向冻胀力。给排水构筑物布置形式见图5。

图5　构筑物施工防护大样(单位：mm)

(2)给排水构筑物应采用钢筋混凝土整体浇筑结构，井壁外应有保温设施(如将聚酚醛泡沫塑料板用环氧煤树脂粘结在井壁上等，可减小冻结力)，保温层应尽量选用绝缘性能好，吸水性小的保温材料，设计选择防水性较好的聚酚醛泡沫塑料作为保温材料。根据理论计算和现场试验观测结果，在确定保温层厚度时，应根据当地气温、地温及管道的运营条件，通过热力计算后确定[9]。保温层厚度不应小于100 mm；中小型给水构筑物内还应设置电加热设施，加热功率一般为2～5 kW/m3就能满足系统正常运行时的温度要求。

(3)给排水构筑物保温层外侧应回填非冻胀性粗颗粒，如中粗砂等。设计中采用换填油砂的方法以减少给排水构筑物的冻拔和冻胀力：油砂采用7%的沥青和干净的粗砂(粒径0.5～1.0 mm)拌和均匀，然后分层回填并夯实，给排水构筑物底部换填中粗砂垫层。

2.4污水处理工程设计

根据《青藏铁路环境影响报告书》的要求沱沱河站生活污水出水水质须达到《生活饮用水水源水质标准》(CJ3020—93)二级标准，这在路内尚数首次。

2.4.1污水处理工艺技术难点

(1)青藏高原具有的低气压、低含氧和低温的三低气候特点给污水生化处理带来了许多困难，尤其是温度对生化污水处理有着非常大的影响[10]。站区年平均气温在-3～-7 ℃，四季不分，寒冷期漫长，极端最低气温达-30～-35 ℃[11]。站区海拔高(平均在4 500 m以上)，含氧量低。现有的污水深度处理工艺多为生物化学处理方法，低温和低含氧量气候条件不利于污水处理所需的微生物生长，处理后水质尚达不到《生活饮用水水源水质标准》(CJ3020—93)二级标准。

(2)利用现有的、成熟的物理化学处理方法，但该处理方法人工及药品耗费量大；运营管理繁琐，不易实现自控；处理过程中产生污泥量大，较难处理，易造成新的环境污染。物理化学处理方法也不适用于青藏铁路的特殊自然条件和管理要求。

2.4.2污水处理工艺技术创新

(1)针对青藏铁路的特殊自然条件和环保要求，收集了大量的国内外污水处理工艺资料，并进行了认真的分析、总结，对有可能串联后采用的工艺进行排列组合，最后设计确定采用先进的科研成果——高效催化电氧化技术来处理生活污水。此水处理工艺已通过实验室试验，处理后污水所监测水质项目符合《生活饮用水水源水质标准》“二级”标准，达到了预期的目的。

(2)设计采用的污水处理工艺流程见图6。

图6　污水处理工艺流程

混凝沉淀+MCR+催化电氧化处理的工艺流程，经过分析沱沱河污水处理站的运营情况，结果表明，该工艺运行方式灵活、出水稳定达标。

3结语

青藏线格拉段多年冻土区给排水管道及构筑物设计具有较高的技术水平。在青藏线多年冻土地区的给排水设计工作中遇到许多新难题，设计中采用了新技术、新材料和新工艺，通过精心设计，较好地解决了不同冻土类型对给排水管道及构筑物的冻拔及融沉问题，有效地保证了给排水管道及构筑物的安全运行，对多年冻土区内给排水管道及构筑物的设计进行了有益的研究和探索，并总结出在多年冻土区行之有效的给排水管道及构筑物工程处理方法，对类似地区的给排水工程设计有很好的借鉴和指导意义。青藏线格拉段多年冻土区给排水管道及构筑物工程，在配合施工过程中积累了较丰富的第一手资料和高原地区施工的宝贵经验。

部分已完工的给排水管道及构筑物工程经过一个冬季的检验，给排水管道及构筑物均保持良好，满足设计要求，这就有效地保证了给排水管道及构筑物的安全运行，工程将逐渐显示出良好的技术效益、经济效益和环境效益。

同时，鉴于多年冻土区特殊的气候和地质特征，以及多年冻土和季节性冻土冻胀、融沉机理的复杂多变性，设计中采用的相关计算参数和工程措施仍有待于实际运营的检验。

参考文献：

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Design of Water Supply and Drainage Systems in Permafrost Regions

XUE Zheng

(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.)

Abstract：In view of the special requirements for anti-freezing and water treatment of the drainage system in plateau permafrost regions， field tests and engineering practices are implemented. The results show that elevated heat insulation， shallow and deep laying， electric heating insulation in coarse sand backfilling are effective to construct water supply and drainage systems and structures in freezing areas in case of frozen stubs and thaw problems. Reverse osmosis， high electro-catalytic oxidation technologies are better ways for water treatment under the condition of cold water， low pressure and low oxygen state. Many years of practical engineering applications have made the above mentioned measures feasible．

Key words：Permafrost area; Water supply and drainage system; Anti-frost heave; Anti frost evulsions; Anti-osmosis; High efficient electric catalytic oxidation

中图分类号：X731

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.04.036

文章编号：1004-2954(2015)04-0152-04

作者简介：薛正( 1981—)，男，工程师，2005年毕业于兰州交通大学给排水工程专业，工学学士，E-mail:52215420@qq.com。

收稿日期：2014-06-18； 修回日期：2014-07-03