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案例分析:深隧排水系统运行与维护
更新时间:2021-06-15 来源: 给水排水 作者:王广华等

0 引言

随着城市化进程的加快,人口密集的大型城市,尤其是老城区域,浅层空间的排水转输与调蓄能力已难以满足高标准内涝防治与合流污染削减的需要,日益严重的排水问题对城市排水系统的排水标准、工程方案、管理措施等均提出了新的要求。

2018年12月,位于广东省广州市东濠涌的内陆首个深层排水隧道工程已全线贯通,因此系统启用后的运行与维护工作也将提上日程。鉴于我国内陆还未应用过深层排水隧道,在项目建成前,对项目运行维护管理中可能存在的问题、风险及规避措施进行研究以提高深隧运行管理维护的科学性和合理性是十分必要的。借鉴国内外已实施深隧项目的运行维护经验,结合工程设计和施工方案,制定合理的运行维护管理方案对项目的稳定运行有着重要意义。

1 香港净化海港计划 (HATS)

1.1 项目概况

香港位于中国东南端,总面积达1 104km²,夏季炎热多雨,年平均降雨量为2214.3mm,8月雨量最多,1月雨量最少。维多利亚港是香港的一个标志性区域,洁净的海港对提升沿海地区的海洋环境、保障水质安全十分重要。为解决维多利亚港沿线污水直排的问题,香港净化海港计划应运而生。该工程于1994年开工建设,2015年12月竣工,分两期实施:一期工程于2001年12月启用,主要涵盖区域为九龙及港岛东北部,基础设施包括全长23.6km的深层污水隧道以及末端的昂船洲污水处理厂,每日污水处理量140万m³/d,处理了将排入海港内3/4的污水,服务人口数约为450万人。二期工程分两个阶段进行,其中二期甲阶段于2008年施工,2014年启用,主要用于收集和处理余下1/4来自维多利亚港北部及西南部的污水,同时为了应对城市未来发展需求建造一个管道网络。二期乙阶段对净化海港计划收集的所有污水在昂船洲污水处理厂进行生物处理,提高排放水质。二期工程完成后,污水处理能力将大幅提高,处理规模可达280万m³/d,服务人口数将增至570万人。

1.2 深隧系统的功能与设计

净化海港计划是环绕维多利亚港两岸区域进行的污水收集、处理及排放的综合工程。该工程的主要功能是进行污水收集传输,具体而言,是采用竖井收集维多利亚港两岸各个区域产生的污水,经区域内现有的初级污水处理厂集中进行初级处理,确保污水中的固体物质不会进入后续的设施中,然后通过深隧系统被输送至昂船洲污水处理厂作一级强化处理。

净化海港计划深层污水隧道全长约44km,平均埋深100m,内径0.9~3m,输送方式为压力流输送。具体输送流程为:

①竖井用以收集海港各个区域初级污水处理厂的污水,收集区域包括北角、湾仔东、中环、沙湾、数码港、华富、香港仔及鸭脷洲;

②收集来的污水需在初级处理厂进行预处理,通过预处理构筑物去除污水中的固体物质,避免其在深层污水隧道内形成沉积物从而影响隧道安全,在保证后续污水处理设施正常运行的情况下,同时采用除臭设备对竖井产生的臭气进行除臭处理,降低对周围环境产生的不利影响;

③一期和二期的污水由深层污水隧道输送,经由两座主泵房分别从深层隧道末端抽往地面的昂船洲污水处理厂进行集中强化处理。两座主泵房的内部直径均超过55m,深达40m,确保在最大水量情况下提供足够的输水能力,泵房之间采用连接管道,以便必要时将污水分流,达到泵房运作的最佳效果。

1.3 深隧系统的运行与维护

1.3.1 深隧系统的运行

(1)运行数据记录。隧道运行控制系统位于昂船洲主泵房内,通过与计算机相连的分发控制及数据收集系统对深隧中的每一组件及运行情况进行监测,并将数据保存在系统的历史记录当中,多年的数据记录对评估隧道运营表现起到重要作用。当观测到运行恶化迹象时,可根据历史数据评估问题的大小从而采取适当的行动。

(2)紧急情况应对方案。突遇火灾、洪水、设备失效等紧急情况,操作员会详细记录所有状况及相关应急操作,这些报告为应急方案制订提供参考。除此以外,为规避因沉积物淤积、构筑物坍塌引起的隧道堵塞等紧急情况,该项目也已提前准备好详细的隧道及传输系统预警方案。

1.3.2 深隧系统的维护

(1)竖井检查。竖井中的聚氯乙烯保护内衬要求在首两年每6个月检查一次,其后每年检查一次。检查应由配备呼吸设备的专业潜水员进行。位于竖井顶部的出入通道为准备下降到竖井中的吊笼提供了足够空间,同时竖井壁面用聚氯乙烯保护膜对衬里加以防护。在进入隧道前应对隧道内的空气质量进行检测,若发现任何爆炸性气体应强制进行通风。

(2)隧道检查。在隧道正常运行过程中没有必要因维护等目的对其进行检查,只有隧道堵塞等极端情况下,才需要对隧道进行全面检查。检查人员进入隧道需遵循密闭空间条例,同时人员下井深度通常被限制在竖井底200 m范围内。

(3)关键表现指标监测。关键表现指标是指隧道的水头损失,可以使用数据收集系统中的历史水流及竖井水位数据进行表征。快速增长的水头损失表明隧道中有需要处理的大量沉积物,尽快安排专人进行检测。

(4)浮渣去除。在深隧系统正常运营过程中,应关闭抽气室及浮渣去除室之间的管道阀门,以防止污水流入至处理室中。在浮渣去除操作中,通过调整预处理站的污水泵或昂船洲污水处理厂中的主泵使竖井中的水位上升,当水位上升到一定标高时,管道水阀门将会打开使浮渣流入到操作室中。浮渣可通过泵送或是抓取等方式清除,去除的频率取决于除渣地点,半年一次或1年一次。

(5)各部件的检查。为保证深隧系统的正常运行,系统部件在一定时间内须进行一次全面检修,以及时发现问题,减少应急事故的发生频率。 

2 芝加哥深层隧道和水库工程(TARP)

2.1 项目概况

芝加哥位于美国伊利诺斯州、密歇根湖的西南岸,人口约950万人,是美国第三大城市。芝加哥全年降雨相对均匀,年平均降雨量为910mm,大部分降雨为夏季分散式强暴雨。 

在实施深层隧道和水库工程之前,芝加哥有600多个排水口,每年雨季约发生100次合流污水溢流至河道内的情况,污染了河流和饮用水源。同时,随着城市的持续开发,不渗透地面增多,进入合流系统的雨水量大幅度增加。在大暴雨期间,为保护密歇根湖,湖口的闸门经常关闭,导致合流污水倒流入住宅和商业区的地下室内,城市内涝频繁发生。为了改善河流水质,提高区域用水安全性,减轻城市内涝的影响,1972年,大芝加哥都市污水回收处理区决定采纳隧道和水库方案。该工程由4个独立的隧道系统(主隧系统、德斯普兰斯上游隧道系统、德斯普兰斯隧道系统、卡柳梅特隧道系统)和3个水库(麦克库克水库、桑顿水库、奥哈拉水库)组成,分为隧道和水库两阶段建设:第一阶段的4个深层隧道系统于1975年施工,2006年完工并投入运行;第二阶段工程包括3座大型贮存水库,主要用于控制洪涝,并增强TARP的污染调控能力。

2.2 深隧系统的功能与设计

TARP的主要功能是储存合流污水,排涝调蓄,即使用隧道、水库收集和贮存合流污水,然后将污水泵送至污水处理厂进行处理后排入地方水道。该项目旨在保护密歇根湖水质不受未经处理的污水污染,减少内涝。

TARP服务于芝加哥市及其周边51个城郊社区,约975.1km²,有抵御10年暴雨的设计能力,输送方式为重力流输送和短时压力流输送。该项目包括长176km、直径3~10.6m、深45~107m的深层污水隧道,264座直径1.2~7.6m的竖井,竖井类型有靴型污水竖井,3座大型泵站,600多个调控构筑物以及浅层系统连接点。这4个隧道系统可存贮由960个排污口排放的870万m³合流污水。在没有拟建水库情况下,TARP系统可以截取85%的污染物以及60%的合流污水溢流量,这一截取率和设计很大程度提高了排水水质。TARP被美国环境保护机构认定为全国净水法案最成功案例之一,并且在全球作为典型的城市水管理工具模范。

2.3 TARP系统的运行与维护

2.3.1 深隧系统的运行

(1)运行调度方案。在旱季,污水通过浅层截污管输送到污水处理厂,浅层排水系统不溢流,TARP系统不运行;在雨季,当合流污水量超过截污管的转输能力时,合流污水进入TARP系统;在暴雨期间,若水量超出了TARP和污水处理厂的能力,浅层排水系统开始溢流,未经处理的合流水将溢流至河道内,每年溢流控制在4次以内。TARP泵站根据水位开启,把贮存的合流污水抽送至污水处理厂进行二级处理,并为下一次降雨释放调蓄空间。TARP能够收集处理服务区内超过85%的合流水量,进入深隧的合流水量由闸门控制,入流闸门处于常开状态,当隧道水位达到预定水位需要泄洪时,则需要关闭入流闸门。

(2)运行数据记录。TARP系统配备监测日常运行状况和实时操作情况的设备,使各个设施的操作和控制实现最优化,确保系统处于安全的操作环境。及时记录分析收集到的监测数据,可以实时了解系统的运行情况。

(3)紧急情况应对方案。根据TARP系统维护管理具体要求,为避免出现因垃圾残渣、漂浮物、腐蚀、渗漏等原因造成的一系列紧急情况,该项目已经制定了应对方案和风险调控措施,操作人员会及时记录具体情况并启用相应措施。

2.3.2 深隧系统的维护

(1)隧道检查。浅层排水系统与深隧连接处未设置预处理设施,街道雨水口设有雨水箅子和约1m深的沉泥井,在隧道终点泵房入口处设有自动机械格栅和大型沉砂井,清疏频率为2年一次,同时考虑建设从密歇根湖引水清洗主隧道的设施。 

TARP系统在设计时可保证进入深层污水隧道内的沉积物可以被输送到隧道末端待建水库,使隧道具有较强的自净能力并最大限度减少隧道清洗维护需求。若隧道需要清洗维护,可以通过竖井吊装进入隧道。隧道清洗维护没有明确的周期要求,但预计在水库建设完成后,隧道内的固体及沉积物都将被冲刷至末端水库内。迄今为止,还没有进入隧道进行人工清疏,更未在每场降雨后进行水力清洗。 

(2)预处理系统设置。污水中的固体在隧道下游泵站之前进行预处理,预处理装置布局包括重力沉砂池和格栅。预处理构筑物的处理能力受到泵站的限制,格栅尺寸根据泵机最大输送能力确定。

(3)除臭。TARP系统现阶段还没有在运行的空气处理系统,但在深层隧道的特定位置进行了试点研究以估计空气处理系统的效率。264座竖井特定位置设有通风口,采用重力气闸对空气进行控制,空气由排气孔释放到地面。一般情况下,通风口在旱季天气关闭,在雨季天气打开。

(4)各部件检查。为保证系统的正常运行,需要对TARP系统预处理系统、排气系统、调压系统等多个部分进行定期检查维护,及时对出现问题的部件进行维修或更换。

3 克里弗兰净湖工程

3.1 项目概况

克里弗兰位于美国的中部,俄亥俄州西部城市,是美国中部地区的交通要道。克里弗兰降雨分布相对均匀,年平均降雨量为890mm,夏季多为分散式暴雨;冬季降雪,降雪总厚度920mm。

 里弗兰采用合流制排水系统,随着城市的发展建设,需要处理的污水量大幅增加,每年雨季约发生80次的污水溢流事件,虽然改造了部分浅层排水管道,但对于解决合流污水溢流产生的污染问题是远远不够的。降雨仅达6mm就会超出合流制排水系统的负荷,导致污水溢流进入河道,对伊利湖水质产生了严重影响,同时也无法满足美国环境保护局对合流雨污水溢流控制政策的要求。所以,克里弗兰制订了控制地表水合流污水溢流或者排放的方案,即“净湖工程”。该工程预计投资30亿美元,估算25年完成。

3.2 隧道的功能与设计

克里弗兰净湖工程的主要功能是储存和传输合流污水。该工程旨在保护伊利湖水质不受合流污水溢流污染,控制地方河道污染,同时满足美国环境保护局关于合流污水溢流控制政策要求。

克里弗兰净湖工程规划建设7条隧道,总长33.8km,直径5.2~7.3m,埋深30~60m,输送方式为重力流输送和短时压力流输送。目前有两条用于控制合流污水溢流的隧道正在修建,包括欧几里德隧道和米尔溪隧道。欧几里德隧道直径7.3m,由4个直径在4.2~16.8m的竖井连接,隧道总长5.5km,设置坡度为0.1%。米尔溪隧道直径7.2m,由16个直径在4.6~6.1m的竖井相连接,建成后隧道总长4 km,设置坡度为0.2%。两条隧道将合流污水输送至伊斯特利污水构筑物进行处理。隧道可以减少合流污水溢流排入克里弗兰市内河道和伊利湖内。另外,克里弗兰也在进行溢流排水管的安装以将合流污水输送至拟建深层隧道,并减少市中心区域洪涝发生。东北俄亥俄州污水区(NEORSD)预计欧几里德隧道能够将该流域年发生60次溢流降低至2次;同时认为米尔溪隧道能够达到97%的合流污水溢流削减率,并使该流域溢流次数不超过每年5次,隧道和溢流排水管能显著降低洪水灾害。

3.3 深隧系统的维护

(1)隧道检查。虽然现在两条隧道都还处于建设阶段,NEORSD已经制订了相应的初步运行方案及维护方案,计划每年进行一次隧道清洗维护,隧道进出口设计为允许小型维护设备的出入。

(2)除臭。在欧几里德隧道和米尔溪隧道中,克里弗兰使用生物过滤的方法进行除臭处理。但由于物资供应问题,生物过滤除臭设施在短期内还无法实施,拟将其作为一项长期方案逐步实施。竖井设有通风口,对通风口不予以控制。

(3)预处理系统设置。克里弗兰有限的土地面积限制了用于修建大型储存合流污水构筑物的空间,因此深层排水隧道系统也需要承担起降雨期间存储合流污水的任务。系统内污水的流速会随着隧道储存能力达到其极限而减小,这会导致水流能量损失,从而无法带走污水中的悬浮固体,使其沉积在隧道内,这将会影响隧道系统的储存能力。因此,应在竖井上游的浅层污水输送系统中设置去除悬浮固体的格栅、沉砂池等构筑物,以确保污水中的固体在进入隧道后不会沉积。同时,无须在隧道下游泵站之前再设置格栅、沉砂池等构筑物。

4 案例运行维护小结

本文选取的3个国内外典型深隧排水工程案例,由于其服务地区及系统的功能性具有不同的特点,其运行维护方案之间存在一定差异性,见表1。

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表1 国内外主要深层隧道工程调研总结

(1)就隧道功能而言,香港净化海港计划是为了实现污水输送;芝加哥深隧系统是为了储存合流污水,排涝调蓄,减轻城市内涝;克里弗兰深隧系统是为了储存和传输合流污水,保护河流水质不受污染。

(2)在隧道运行维护方面,对于香港净化海港计划而言,在隧道正常运行过程中没有必要因维护等目的对其进行检查,只有发生极端情况才需要对隧道进行全面检查;对于芝加哥深隧系统而言,隧道本身具有较强的自净能力,若需要清洗维护,可以通过竖井吊装进入隧道;克里弗兰深隧系统计划每年进行一次隧道清洗维护。

(3)各案例采用了不同的预处理方式及设施,对于香港净化海港计划深隧系统而言,污水在流进深隧前,利用污水处理厂格栅、沉砂池等构筑物去除悬浮物及携带的砂砾,从而保证深隧系统和后续的污水处理设施正常运行;芝加哥深隧系统在街道雨水口设有雨水箅子和沉泥井,在隧道终点泵房入口处设有格栅和大型沉砂井,因此要重点考虑隧道的清洗;克里弗兰深隧系统中,在所有竖井上游的浅层污水系统中设置格栅、沉砂池等预处理构筑物,以保证污水携带的固体物质不会进入深层隧道。

5 关于广州东濠涌深隧系统运行维护的思考

5.1 项目概况

广州东濠涌全长4.51km,流域面积12.47km²,自北向南汇入珠江,是广州市典型的老城区,流域范围为合流制排水体制。广州东濠涌深隧系统是为了彻底解决广州市老城区的排水问题,缓解内涝和河流污染问题而提出的。

5.2 深隧系统的功能与设计

广州东濠涌深层排水隧道具有合流污水调蓄、排涝、转输等功能,具体而言,在充分利用已有浅层排水系统输送能力的基础上,采用深层排水隧道系统对超出浅层排水系统负荷而溢流的合流污水进行调节储存。该工程服务面积为12.4 km²,可提供6.3万m³的调蓄库容,排水标准为10年一遇。建设内容为主隧长1.77km,外径6m,隧道埋深地下30~40m,排水管道长1.4km,内径3m;沿线设有东风路、中山三路、玉带涌和沿江路4座入流竖井及相应的浅层连接设施,其中东风路竖井、中山三路竖井和玉带涌竖井均采用折板消能竖井,沿江路竖井为旋流式竖井;在隧道尾端设置大型综合泵站,包括排空泵组、排洪泵组和补水泵组,其中排洪泵组最大设计流量为48m³/s。

5.3 关于系统运行的思考

(1)运行调度方案。旱季时,深隧系统不启动,生活污水通过浅层排水管网转输到污水处理厂处理后,排入珠江。雨季时,雨污水在降雨后通过深层隧道系统的排空泵泵送到浅层污水管道系统,然后进入污水处理厂进行处理。当持续降雨导致区域内出现水浸风险时,启动位于深层排水隧道尾端的排涝泵组,利用现有东濠涌排涝泵站进行泄洪。

(2)运行数据记录。做好日常运行数据的记录和分析,保存记录完整的各项资料,及时整理汇总,建立运行技术档案。对于处理构筑物和设备的维护保养工作和维护记录要做好存档。

(3)紧急情况应对。充分考虑排水隧道运营时发生自然灾害、安全事故或其他紧急情况,在运行前期制定应急处置方案,配备应急器材设备,定期组织检查。若因管道或设备堵塞等原因造成突发事故,必须立即予以排除。

5.4 关于系统维护的思考

深隧系统实际运行中会产生许多问题,通过对深隧系统的定期维护、及时进行故障处理,可以避免各类问题的产生,减少紧急情况造成的损害。应尽量减少工作人员的下井作业从而提高系统维护的安全性,深层排水隧道在维护管理方面,应学习借鉴国内外先进经验和成功做法,合理控制运行维护成本,结合实际工作中系统的维护需求不断优化。

5.4.1 维护考虑因素

浅层排水系统清疏维护问题同样出现在深层大管径排水隧道,如垃圾残渣、漂浮物、腐蚀、臭气、渗漏等。而深层大管径隧道的维护工作难度更大,其原因包括:

(1)隧道尺寸。大部分隧道都比浅层管道直径大,不能进入小型下水道的物体(例如树枝、车胎等)可能在大型隧道中出现。隧道进出口等,应考虑清疏去除更大的垃圾;用于小型下水道的清洁工具和视频检查工具可能不适用于大型隧道;另外,进入隧道前的通风过程需要更长时间,要有充足的通风设施排走潜在的有害或易爆气体。

(2)隧道深度。大部分隧道都比浅层排水管道更深,用于清疏维护浅层系统的工具可能不适合深层隧道,例如需要更长的升降设备,且多数通信工具(如无线电)在隧道内不能正常工作。

(3)检修车辆。需要配备专门用于隧道清疏维护的机动车辆,且必须有适当的维护保养。

(4)排水隧道工程在运营初期宜留有余量,增加安全系数。在积累运行经验后,再逐步使用隧道的全部容量。

(5)强降雨时隧道内流量较大,水位上升快,要求相关运行工作人员在较短时间内根据情况做出及时反应,应采用简明的隧道运行方案。由于隧道闸门的升降、水泵的开启需参照隧道内的水位,因此水位的监测是指导隧道运行的重要参数之一。

(6)尽管在入流竖井上游考虑设置沉淀池,主隧末端需要进行淤泥清除的频率较低,但仍需考虑隧道清淤功能。

5.4.2 系统的检查与清淤

(1)深隧系统的常规检查。在深隧系统的运行过程中,需要定期对隧道进行常规检查(通常是每3年一次至每5年一次)。定期摄像排查是一种常见的低成本的隧道检查手段,通过隧道内部的摄像排查,可以清楚了解隧道的现状,及时对存在破裂或严重淤积的排水隧道进行修缮和清理。

(2)深隧系统的清疏计划。深隧系统的清疏工作计划具体要求的频率和程度由以下几个因素决定:生活污水的特性(砂砾杂物和总悬浮固体浓度),雨水径流的特性(砂砾杂物和总悬浮固体浓度),隧道的水力特性,暴雨的频率、持续时间和强度,暴雨的间隔时长,竖井设施的布置(如格栅、沉砂和溢流堰),隧道使用的清洁系统、方法(如人工清洁和水力清洗)等。

通常来说,在最初运行期间,应在每次降雨后检查隧道,主要调查固体沉积量和评估去除措施的功效,也应测量竖井预处理设施收集到的固体量,评估设施的功效,然后制定详细的维护计划。

(3)深隧系统的清疏措施。深隧系统的清疏方法包括人工清疏、水力清疏和机械车辆清疏。由于分支隧道各竖井用地受限,未能严格按要求设置格栅和沉砂设施,垃圾量较大,考虑机械车辆进入隧道,主要采用机械车辆清疏;临江大道污水输送主隧道由于长期运行,且经过严格的粗格栅、细格栅沉砂设施去除垃圾和砂砾等,垃圾量较小,主要采用水力清疏措施。隧道内应设置一个小排量的泵排走少量的渗入水;除设置砂泵外,隧道泵井里面的砂砾和废物需要使用夹斗定期清除。隧道通风时,需要考虑机械和人员车辆进入的要求,工程规划隧道要考虑设置永久通风设施。

6 深隧系统运行维护相关建设管理措施

为进一步完善规划深隧系统运行维护机制,除采用技术措施外还应充分利用行政、法律等手段,保证规划的有序实施。

(1)建立完备的管理层次,统一协调管理。建设单位应当建立健全管理规章制度,使不同管理层次的工作人员各司其职,相互配合,并及时解决深隧系统运行维护工作中的重点问题。

(2)建立完善建设项目档案。建设单位应当建立完整的深层排水隧道系统的建设项目竣工档案,并且及时在项目竣工验收后交至城市建设档案馆,并应纳入广州市排水管网管理数字化系统平台。

(3)加强环保宣传教育,完善监督机制。普及水污染治理工作是一项长期的、艰巨的系统工作,可采取多种形式宣传,让全民了解城市供排水现状、城市洪涝风险,鼓励全民参与环保。同时,树立对规划管理和实施的监督机制,制止违规行为,维护规划法律地位。

7 结语

通过借鉴国外污水深隧系统运行维护经验,依据广州东濠涌深隧系统的项目特点,针对深隧系统需关注的维护管理重点问题,制订相应的维护管理方案,指导项目的后期运营,规避相应风险。后续工作应进一步调研其他国家案例中关于无人机进入深隧系统进行维护检修的相关解决方案,同时进一步关注深隧系统运行维护管理中应注意的相关问题,优化各部分维护方案,保障系统的稳定、高效运行。


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