喀斯特地区隧洞涌水处理措施设计

侯业楹，徐 江，刘 灵

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州省喀斯特地区水资源开发利用工程技术研究中心,贵州 贵阳 550002)

水利水电工程隧洞施工过程中，对隧洞涌水的研究集中于涌水量预测、隧洞涌水“堵、引、排”等处理方案研究，而其对环境造成的污染以及废水涌水处理方式研究相对较少。地下水的影响因素总体可分为自然因素和人为因素，近年来，地下水开采对环境影响的研究成为国内学者的研究热点，目前正在施工的贵州省夹岩水利枢纽及黔西北供水工程，由于地处喀斯特典型地区，岩溶发育，地下水分布复杂，在施工过程中已产生17处隧洞涌水点，各个涌水点均具有涌水量大、悬浮物含量高、持续时间长等特点，若处理不及时，将对工程周边河流水资源、饮用水源、农田等会造成污染，导致区域水环境承载力下降，而此问题已成为夹岩工程施工中突出的环保问题，引起了参建各方和地方环保主管部门的高度重视。

1 工程概况

夹岩水利枢纽及黔西北供水工程以供水和灌溉为主，兼顾发电等综合利用，为Ⅰ等大(1)型工程。夹岩水库正常蓄水位1323m，总库容13.25亿m3，城乡供水4.581亿m3/a，灌溉毛灌溉供水量为2.35亿m3/a。工程由水源工程、毕大供水工程和灌区骨干输水工程3部分组成，涉及毕节、遵义两个地级市，受水对象包括七星关区、纳雍县等10个县(区)69个乡镇365个农村集中聚居点。

毕大供水工程和灌区骨干输水工程干渠总长317.781km，其中，隧洞总长135.582km，共56座，单个隧洞长度大于1km的有14座。

长石板隧洞总长15.412km，隧洞为无压引水隧洞，采用圆形断面，内径2.6m，设计水深3.815m。长石板隧洞于2015年10月动工，目前已贯通13.065km，剩余2.347km预计于2019年5月贯通。

2 隧洞涌水原因及涌水量

隧洞施工对地下水环境造成影响主要是通过改变赋存地下水的地质环境从而改变影响范围内地下水天然补径排条件，使地下水以隧洞为中心构成新的汇势，在隧洞排水影响范围内形成新的地下水循环系统，进而改变影响区地下水的分布格局。特别是在隧洞穿越岩溶区时，一旦挖断地下水的连通管道，或穿越岩溶区强含水层及地下水暗河，施工过程中则易引起涌水。

2016年7月，长石板隧洞4#支洞出现涌水现象，正常情况水量最大约3000m3/d或125m3/h。隧洞废水悬浮物含量较高，废水直接进入下游沟渠，流经途中对土壤造成污染，造成农田土壤板结，引起了村民与施工单位纠纷。

3 隧洞涌水水质

2016年12月，对长石板隧洞4#支洞洞内涌水点、洞室废水处理设施进口水质进行监测。隧洞洞内涌水点各监测指标浓度均较低，但隧洞涌水抽排至废水处理设施进口时，受洞内施工活动影响，各监测指标浓度明显升高，特别是特征污染物悬浮物、石油类浓度大幅度增加，其中悬浮物浓度从2mg/L增加至28702mg/L，石油类浓度从0.755mg/L增加至3.815mg/L。隧洞涌水水质监测指标见表1。

表1 隧洞涌水水质监测成果表

4 隧洞涌水处理措施

长石板隧洞4#支洞产生隧洞涌水后，施工单位及时在施工场地内采用二级沉淀池对隧洞废水进行处理，但处理效果较差。经设计优化后，采用预沉调节池+絮凝混合池+沉淀池+污泥池进行处理。处理方案流程如图1所示。

图1 隧洞涌水处理方案流程图

隧洞涌水处理流程：用管道将隧洞废水引至预沉池，进行初步沉砂；絮凝剂先溶于水后，由计量泵抽至管道混合器，经初沉后的隧洞废水引至管道混合器，与絮凝溶液混合；隧洞废水与絮凝液在絮凝混合池充分混合后，进入沉淀池沉淀，上层清水排放或回用，絮凝混合池污泥采用吸泥泵吸至沉淀池，与其沉积污泥一同采用桥式吸泥机抽至污泥池；污泥池上层清水排放或回用，施工单位应根据泥沙淤积程度安排清淤频次(不超过2天清理一次)；下层污泥干化后清运至渣场填埋。

(1)沉砂池

停留时间T1=30min。

沉砂池容积W=QmaxT1/60=200×30/60=100m3。

考虑沉砂池池高为3.3m，超高0.3m，有效水深H=3.0m。

沉砂池宽B=(W/H)^0.5=(96/2.7)^0.5=5.77m，取6m。

(2)隔板絮凝池+平流式沉淀池

沉淀时间T1=3.0h。

沉淀池平均水平流速v=2.7mm/s。

沉淀池长L1=3.6vT1=3.6×2.7×3.0=29.16，取30m。

沉淀池容积W1=QmaxT1=200×3.0=600m3。

沉淀区有效水深取3m，超高0.3m，沉淀池池高3.3m。

沉淀池宽B1=W1/(H1L1)=600/(3×30)=6.6m。

絮凝混合池根据地形布置，考虑设置3级，每级长×宽×高=2m×1.8m×3.3m。

(3)加药设备

考虑到液体药剂配备，加药设备由2箱2泵1台电动搅拌器组成，考虑每班工作8h，每个液体药剂箱容积按8h液体投加量进行加工定制，两个药箱轮流使用。

絮凝剂选用聚合氯化铝。商品聚合氯化铝有效物质含量29%～31%，25kg/袋。使用时先用水按1∶4稀释，搅拌均匀后用可调开关根据排水浊度加入药剂，有效投加比例为1L水配比10～50mg固体药剂。

(4)絮凝混合池污泥泵

选用WNL50- 8型立式液下泥浆泵2台，流量20m3/h，扬程9m，功率1.5kW。

(5)污水排放

4#支洞施工区下游有一条天然溪沟，修建一条约1500m长浆砌石排水沟(内部尺寸为0.6×0.5m)对隧洞排水进行引排，严禁污水漫流至溪沟。

5 隧洞涌水处理效果监测

2017年8月、12月，2018年7月，对4#支洞涌水处理设施排水口水质进行3期监测。根据监测结果，涌水处理设施排水口各监测指标均能达到GB/T 14848—2017《地下水环境质量标准》Ⅲ类水质标准及GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类水质标准。

针对隧洞涌水特征污染物悬浮物、石油类，处理后悬浮物浓度平均值为31mg/L，处理后石油类浓度平均值为0.005mg/L，远低于涌水处理设施进口浓度监测值，说明施工单位在严格按照设计方案实施后，隧洞涌水处理效果较好。监测指标统计见表2。

表2 隧洞涌水处理后水质监测成果统计表

6 结论

(1)隧洞穿越岩溶区时，一旦挖断地下水的连通管道，或穿越岩溶区强含水层及地下水暗河，施工过程中易引起涌水。

(2)2016年7月，长石板隧洞4#支洞出现涌水现象，正常情况水量最大约3000m3/d或125m3/h。隧洞洞内涌水点各监测指标浓度均较低，但隧洞涌水抽排至废水处理设施进口时，受洞内施工活动影响，各监测指标浓度明显升高，特别是特征污染物悬浮物、石油类浓度大幅度增加。

(3)经设计优化后，采用预沉调节池+絮凝混合池+沉淀池+污泥池进行处理。修建排水沟对隧洞排水进行引排，严禁污水漫流至溪沟。

(4)经处理后，4#支洞涌水处理设施排水口水质较好，针对隧洞涌水特征污染物悬浮物、石油类，处理后悬浮物浓度平均值为31mg/L，处理后石油类浓度平均值为0.005mg/L，远低于4#施工支洞洞室废水处理设施进口浓度监测值，说明施工单位在严格按照设计方案实施后，隧洞涌水处理效果较好，此方法可供喀斯特岩溶地区修建输水隧洞的引水工程借鉴。