西藏高寒地区森布日水厂设计

廖亚新 段凯 马建民

摘要：为总结西藏高寒地区特殊环境下水厂设计的特点和经验，以西藏山南地区贡嘎县森布日水厂为例，分析和总结了西藏高寒地区水厂设计中面临的取水形式、水处理工艺、结构防冻保温设计等关键问题。结合当地水文地质条件，水厂取水采用管井方案，管井设计需要重点解决沉降和泥沙淤积问题，可通过采用复合保温层等措施解决结构防冻保温问题。

关键词：水厂设计; 管井; 防冻保温; 泥沙淤积; 西藏; 高寒地区

中图法分类号：TU991 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.02.008

文章编号：1006 - 0081（2022）02 - 0047 - 05

0 引 言

西藏位于中国青藏高原西南部，面积122.84万km2，平均海拔在4 000 m以上，素有“世界屋脊”之称。西藏属于典型的寒冷半干旱高原季风气候地区，具有气温低、昼夜温差大、空气稀薄、气压低、辐射强以及日照充足的特点，年平均气温0℃以下，1月平均气温可达-20℃以下。西藏水资源十分丰富，但时空分布不均匀，水资源与生产力布局不相匹配，加上特殊的自然地理条件，部分区域位于严寒或寒冷地区，海拔高，自然条件恶劣，交通条件差，基础设施落后。这些特殊的环境条件决定了西藏地区水厂设计的特殊性。必须对这些特殊问题进行针对性设计。本文对西藏山南地区森布日水厂的设计思路和实施方案进行了介绍，总结了西藏高寒地区水厂的设计经验，可为类似项目提供参考。

1 工程概况

西藏山南地区森布日水厂位于西藏自治区山南市，设计供水规模2.5万m3/d。水厂厂区占地面积约为21 400 m2。厂区主要构筑物包括取水管井6座、过滤车间及加氯间1座、清水池2座、送水泵房及变配电间1座、机修车间及仓库1座、综合楼1座、门卫室1座及厂区管道、围墙、大门、道路、绿化等。水厂建设效果如图1所示。

2 主要设计方案

2.1 取水形式

2.1.1 水源选择

工程区域水资源丰富，主要分为地下水和地表水。地下水主要为第四系松散覆盖层孔隙性潜水，赋存于漫滩冲积砂砾石层中，地下水补给来源为江水，与江水水力联系密切，砂砾石地质结构单一且具强透水性，渗流途径通畅，漫滩砂砾石层为强富水区。地表水主要为江水，江水主要接受大气降雨、冰雪融水补给，降雨主要集中在6～9月，江水在此期间径流量变大，冬春季降雨稀少，径流量相对减少。水源地水量充沛，水质良好并可达到地表水环境质量标准中Ⅰ类水标准。将地表水和地下水两种水源方案进行对比分析，如表1所示。

综合以上方案，地下水补给丰富，水量及水质均可得到保障，供水安全性、技术可行性和施工运行管理方案均具备优势。此外，地下水作为水源还具备以下优点：水源地更靠近用户，从而可降低给水系统（特别是输配水管网）的投资，节省输水运行费用，提高给水系统的安全可靠性;便于水源的分期建设与卫生防护区建立[1]。因此，推荐采用地下水水源方案。

2.1.2 取水构筑物

根据所在位置含水层情况的不同，地下水取水构筑物有不同的选择，常见的地下水取水构筑物主要有以下几种。

（1） 管井：井管从地面打到含水层，抽取地下水的井。适用于含水层厚度大于5 m、其底板埋藏深度大于15 m的场合。

（2） 大口井：由人工开挖或沉井法施工，设置井筒，以截取浅层地下水的构筑物。适用于含水层厚度在5 m左右，其底板埋藏深度小于15 m的场合。

（3） 渗渠：壁上开孔，以集取浅层地下水的水平管渠。仅适用于含水层厚度小于5 m、渠底埋藏深度小于6 m的场合。

（4） 辐射井：辐射井由大口井和径向设置的单层或多层辐射管组成，是一种由垂直与水平集水系统组成的联合取水构筑物。一般常用于中砂、粗砂、不含漂卵石和粉细砂地层。改进型辐射井是在传统大口井井壁下部四周及井底向下增设12～20 m长的辐射管，使其同时具有传统大口井及辐射井的功能，其應用范围变广，可用在含水层厚度大、埋深浅的取水地区，取水深度可至地下40 m。此改进型辐射井目前在西藏拉萨地区已有成功应用[2]。

森布日水厂工程水源地区域含水层面积及厚度较大，水位埋深较浅，取水构筑物采用管井及辐射井较适宜，因此对管井和辐射井方案进行比选。

（1） 管井方案。由于工程区域地下水属于稳定流无压含水层，单井出水量计算公式[1]为

式中：Q为井出水量，m3/d;H为含水层水头高度，m;s为水位降深，m;l为滤水管长度，m; rw为井半径，m;K为渗透系数，m/d;R为影响半径，m，[R=2sHK]。

根据计算并结合水文地质详勘报告，含水层埋深最大为3.2 m，含水层水头高度为46.8 m，管井降深按2.0 m计。根据式（1）可知单井的取水量为Q=5 217.5 m3/d。根据取水量25 000 m3/d的要求，共设6座管井（5用1备）。井群双排布置，井与井距离35 m。

（2） 辐射井方案。辐射井为无压含水层辐射井，出水量可按以下公式计算[1]：

式中：n为辐射管根数;α为辐射管间干扰系数，[α=1.609n0.6864];q为单根辐射管出水量，m3/d，[q=1.36K（H2-h20）lgR0.45L];h0为井外壁动水位至含水层底板高，[h0=H-S-hw];K为渗透系数，59.4 m/d;S为降深，m;L为辐射管长度，20 m;hw=辐射管水损，取0.8 m;hr为辐射管中心至含水层底板高，m;H为含水层厚度，20 m;R为影响半径，m，[R=2sHK]。

辐射井降深按2.0 m考虑，经计算，单井出水量为20 605 m3/d。根据取水量25 000 m3/d的要求，设置3口18 m深井径为6 m 的辐射井，辐射管设3层，每层6根，并在井底部设6根竖直向辐射管，设计单井出水量为12 500 m3/d，其中一口为备用井，布井间距为55 m。

（3） 方案比选。针对管井和辐射井方案，将两种取水构筑物方案进行对比分析，如表2所示。综合以上比选内容，水源地含水层丰厚，管井方案成熟可靠，投资小，推荐采用管井方案。

2.2 水处理工艺

2.2.1 净水工艺

根据地下水水质检测报告，工程取水点水质可达到地表水环境质量标准中Ⅰ类水标准，一般情况下只需加氯就可供给城市居民使用，但考虑水质在不同年份洪水期及枯水期受泥沙影响，有可能出现波动，预计浊度有可能会超过3度的限值。因此，在原水浊度高于1度时，采用过滤、消毒工艺处理，在原水浊度低于1度时，直接消毒后便可进行供水。设计采用净水工艺流程如图2所示。

2.2.2 消毒工艺

目前国内常用的消毒剂有液氯、次氯酸钠、二氧化氯等，选择消毒剂时应考虑原水水质、出水水质、消毒剂来源、处理水量、成本及运行管理水平等因素。

液氯是水处理行业里比较常用的消毒方法。液氯成本低、工艺成熟、效果稳定可靠，具有余氯的持续消毒作用。原水含酚时会产生氯酚味，原水有机物高时会产生有机氯化物，其中含有致癌物或可疑致癌物。氯气是剧毒危险品，存储氯气的钢瓶属高压容器，有潜在威胁。

二氧化氯是强氧化剂，在消毒过程中不会产生有机氯化物副产物。除能杀灭病菌之外，还能很好地去除水中的Fe2+，Mn2+，以及嗅和味，是近年来应用较广泛的消毒方法。二氧化氯不稳定，只能现场制备，需要控制氯酸盐和亚氯酸盐等副产物，使得运行管理和设备维护过于复杂。

次氯酸钠是一种高效、广谱、安全的消毒方法，可以强力杀灭病菌、病毒，同水的亲和性很好，能与水任意比例互溶。次氯酸钠所含的有效氯易受日光、温度的影响而分解，一般采用次氯酸钠发生器现场制备，就地投加，不经贮运，操作简单，使用方便，对环境无毒害，不存在安全隐患。因此推荐采用次氯酸钠消毒。

2.3 结构防冻保温

由于西藏地区冬季寒冷，为了确保水厂各系统的正常运行，应重视相关建筑物与构筑物的防冻保温措施。

2.3.1 结构防冻设计

结构材料方面，混凝土抗冻等级不低于F200级，钢材优先采用Q235D，Q345D级镇静钢，以保证结构材料具备较好的抗冻性能。

基础设计方面，工程区域存在冻土，基础埋置深度考虑大于冻土层，所有外围与土接触的混凝土梁（地梁）下设防冻砂垫层，基础侧表面均回填非冻胀材料中粗砂，通过以上措施，结构基础可较好地适宜冻融变化。

2.3.2 结构保温设计

建筑物的节能保温措施需要考虑多个方面：① 合理安排建筑物朝向，充分利用日照条件争取尽量多的太阳能辐射热量;② 合理设计建筑物形态（如L形、U形），有效减少寒风的影响;③ 采用新型建筑节能复合墙体、窗户节能玻璃、节能屋面及控制建筑窗墙比等来提高保温性能。

水厂主要的外露构筑物为地上式清水池，必须对其进行保温设计，以保证冬季正常运行。保温措施有：池壁采用复合保温层，保温材料采用80 mm厚挤塑聚苯保温板，外侧砌护300 mm厚砖砌体;池顶采用1 m厚覆土保温。通过天正暖通软件进行了热工验算，传热系数满足规范要求，覆土厚度及复合保温层的做法可保障清水池冬季正常运行。

3 经验总结

3.1 管井取水的可靠性保障措施

西藏地区的主要城镇位于雅鲁藏布江中游河谷地区，以砂卵石地层为主，渗透系数较大，地下水横向水力联系和补给充沛，水厂水源推荐采用地下水。管井构造简单、施工方便、成熟可靠，可作为推荐的取水构筑物形式。

管井取水主要存在沉降和泥沙沉积两个问题。管井取水使地下水位降低，导致周边建筑物基础、地面发生不均匀沉降情况。工程西侧约50 m处为现状堤防，因此需要合理确定管井降深以保证周边建构筑物沉降满足相关规范要求。通过天汉软件对管井降水引起周边地层的沉降进行了计算分析，计算成果如图3所示。由图3可以看出，当管井降深为2.0 m时，周边50 m处最大沉降约为8.0 mm，满足规范要求，此时单井出水量满足净水厂水量要求。

净水厂设计使用年限为50 a，河道的悬移质泥沙随着时间的变化逐渐沉积在管井顶部，最终影响管井的出水能力，因此，合理推断管井的泥沙沉积深度显得尤为重要。工程河段设有羊村水文站，羊村水文站具有1961，1964～1965，1976～2004年共32 a的同期悬移质实测资料，经过推算，该河段多年平均含沙量0.527 kg/m3[3]。设计年限内泥沙淤积量可按式（3）近似计算[4]：

式中：G为多年平均悬移质年输沙量，kg/m3;T为设计使用年限，a;γ为泥沙容重，取为1.3 t/m3。

经计算，50 a泥沙淤積深度约为6.5 m。设计时单井考虑10 m淤积深度，单井设计长度为50 m。

3.2 建、构筑物的防冻和保温措施

西藏地区为冻土地区，土体冻胀力对于建筑物基础具有较大的破坏作用，从而影响结构安全，需要采用防冻胀措施。结构基础尽量考虑条形基础或者筏板基础等整体稳定性好的基础形式，地基梁下设架空隔离层，严禁地基梁或墙体直接砌筑在受冻胀影响的土层上。

水厂的主要生产构筑物有清水池、沉淀池、滤池等水池，为了保证其冬季的正常使用，须采取保温措施。水池宜埋地设置，以充分利用土壤的保温性能。对于工艺要求露天的水池，池壁应采用复合保温层，池顶采用覆土及复合保温层，覆土厚度及复合保温层的做法可通过热力计算确定。如有条件，可将水池布置在厂房内部，以利用厂房冬季采暖进行保温。

4 结 语

西藏地区森布日水厂水源采用地下水，取水采用管井方案。管井方案需要考虑沉降和泥沙淤积两个主要影响因素，可考虑10 m左右的淤积深度以保证管井正常使用。考虑区域环境特点，西藏地区水厂需要进行建、构筑物的防冻保温设计。对于水池等构筑物，可采用外覆土结合聚苯保温板的复合保温层，覆土深度不宜小于1.0 m，保温板厚度不宜小于0.5 m;对于厂区建筑物，主要房间朝南布置，并对建筑物外墙采取保温措施，建筑物基础宜采用整体性较好的条形基础或者筏板基础，基础埋置深度宜大于设计冻深0.25 m，基础梁与冻胀土之间可预留100～200 mm空隙填充砂以消除冻胀力。通过采取以上措施，该水厂目前已建成并运行良好，其经验可供类似项目参考。

参考文献：

[1] 严煦世， 范瑾初. 给水工程（第4版）[M].北京：中国建筑工业出版社，1999：126-127.

[2] 赵忠富，黄慎勇，孟锦根，等. 西藏高海拔地区某水厂设计和建设特点[J]. 给水排水，2013，39（5）：37-40.

[3] 刘家富，李和平. 西藏雅鲁藏布江藏木水电站入库悬移质输沙量推算[J]. 水电站设计，2017，33 （1）：40-42.

[4] 宇彤. 花古水库设计洪水及泥沙淤积计算探析[J]. 中国水能及电气化，2017（2）： 67-70.

（编辑：江 文）