沉井式一体化污水提升泵站设计要点探讨

污水提升泵站是污水管网系统中的重要节点设施。因污水管道采用重力流,在设计时有一定的坡度随污水管网的距离长度增加,管网埋深变大,一般在埋深大于 10m或者污水管需要穿越河涌、堤防、地铁等重力流无法穿越的情况时，需增设污水提升泵站传统污水提升泵站一般采用松散庭院半地下式,占地面积较大四,造价高;成品一体化污水提升泵站常采用玻璃钢外壳,其耐久性、规范相符性相对较差。此外污水提升泵站一般深度较深,基坑开挖难度大、施工风险大。综上因素,提出一种沉井式一体化污水提升泵站,本文结合工程实例,对沉井式一体化污水提升泵站设计要点进行研究探讨,以期为类似工程项目的开展提供参考。

工程概况

潮州某污水处理厂工程新建1座粗格栅及进水泵站(以下简称“CZ泵站”),泵站规模按0.058m%s(0.50万myd)一次建设,设备按近期 0.029 m/s配置。广州南沙某市政污水管节点新建中途污水提升泵站(以下简称“NS泵站”),泵站规模按 0.233 m/s(1.28万 md)一次建设,设备按 0.233 ms 配置。根据 GBT 50265-97《泵站设计规范》,CZ 泵站和 NS 泵站均属于小型泵站地理条件2

CZ 泵站位于河涌边,原属于潮州某污水处理厂的污水泵站,因污水处理厂周边存在外江堤防、桥梁等因素,无法采用传统重力流进污水厂,因此采用污水泵站提升后用压力管过外江堤防和桥梁桥墩群。CZ 泵站进水管管径 D600,管底标高 6.63 m,地面标高 11.24 m,埋深约 4.61 m。

NS 泵站位于河涌边,原河涌岸边的市政污水管管径 D600,管底标高-1.8m,地面标高 6.70 m,埋深约8.5 m,因污水管建成年代久远,存在较多的结构性隐患,河涌水涌人污水管网,修复难度较大、施工倒流难度大,通过增设污水提升泵站的形式增加备用管形式替代原有重力流污水管的污水转输功能。

泵站设计

3.1 技术要求

3.1.1 具备拦渣功能

污水中含有大量的固体残渣,为保护水泵,避免垃圾堵塞水泵叶轮导致过载损坏，污水提升泵站应设置格栅机。

3.1.2 符合设计规范要求

污水提升泵站是污水系统的重点节点设施，对于污水系统正常运营具有重要意义,在设计时应确保泵间距、泵与侧壁的净距、水泵运行时间等应满足规范要求,3.1.3 使用寿命较好

污水泵站属于城建基础设施，应具有良好的使用

寿命。

3.1.4 用地集约,无突出地表明显构筑物污水提升泵站一般在城镇建成区，土地资源珍贵应集约用地,并减少对城市景观的影响。

3.2方案比选

污水泵站主要形式为传统污水提升泵站、成品一体化污水提升泵站、沉井式一体化污水提升泵站等,具体对比情况见表1。3种方案中传统污水提升泵站占地面积最大,投资最高,施工周期长,且不利于城市景观,暂不予考虑。根据勘察资料及现场情况,拟设泵站位置场地相对狭小、靠近河涌,采用开挖施工方式会带来诸多不可预见的情况。考点到泵站规模、场地条件等因素,初步采用沉井式一体化污水泵站。对方案的应用考虑如下。

3.2.1 占地面积

沉井式一体化污水泵站的占地面积相比传统污水提升泵站占地面积更小,集约用地,投资相应更小,对城市景观的影响也比较小。

3.2.2 耐久性和使用寿命

成品一体化污水提升泵站一般采用玻璃钢筒体内部的粉碎格栅、水泵等附属设施依附在玻璃钢筒体上,在受到震动或运输不当磕碰时,易出现破损,给后续运营带来隐患,同时由于制作工艺限制,筒体直径不能做得太大,集水池较小、水泵频繁启动,耐久性和使用寿命存在一定的缺陷

总体来看，沉井式一体化污水提升泵站既具备传统污水提升泵站的使用寿命较长、可靠的特点,又兼具成品一体化污水提升泵站的高度集成性，具有比较泛的应用场景

3.3 方案设计

3.3.1 工程规模

CZ 泵站设计规模0.50万md，旱季最大规模0.95 万 m/d,共设置了3个泵位,安装2台。根据污水量及扬程的特点,水泵采用蜗壳式潜水排污泵。单台流量为 0=198 mh,扬程 H=20 m,功率 N=22 kW,近期早季1用1备,雨季2用,远期加装1台泵,2用1备,均变频。安装回转式粗格栅1台,栅宽 B=700 mm,栅隙6=20 mm,安装角度 a=75°,功率 N=0.37 kW

NS 泵站设计规模 1.28万md，旱季最大规模2.06万md,共设置了3个泵位,安装3台。根据污水量及扬程的特点,水泵采用蜗壳式潜水排污泵。单台流量为0=430 m/h,扬程H=14m,功率N=30 kW,近期早季1用1备,雨季2用1备,远期时2用1备,均变频。安装粉碎格栅1台,流量0=860mmh,功率N=5.5 kW。3.3.2 工程布置

CZ 泵站采用矩形布置,占地面积约 76 m’。泵站整体采用钢筋混凝土箱体结构,LxBxH=7.4mx7.6 mx8.6 m，泵站采用半地埋形式,设置4类检修孔,分别为水泵检修孔 LxB=1.0 mx1.0 m、前闸门检修口 LxB=1.0 mx0.8m、后闸门检修口 700 和格栅检修孔 LxB=2.35 mx0.8m,平面和剖面布置示意图如图1所示。

NS 泵站采用矩形布置,占地面积约 49 m。泵站整体采用钢筋混凝土箱体结构,LxBxH=6.0 mx7.0 mx7.5 m,泵站采用全地埋形式,设置3类检修孔,分别为水泵检修孔 LxB=1.8 mx0.8m、清淤孔 Ф700、格栅检修口 LxB=1.2 mx1.2m,平面和剖面布置示意图如图 2所示。为避免同一区域开挖大基坑,泵前检修闸门设置闸站上游 20m污水检查井内,采用圆形闸门,无漏出地埋的操作杆。

3.3.3 水泵启停方式

CZ 泵站共安装3台水泵,采用“分水位开启、分水位停”方式,即第一台水泵启泵水位即是第二台水泵的停泵水位,每台水泵按 5min 设置启停,停泵液位 5.50m、单泵启泵液位 6.05 m(也即第二台停泵液位)、双泵启泉液位 6.50 m。

NS 泵站共安装2台水泵,采用“分水位开启、同水位停”方式,即第一台水泵启动后,如水位仍继续上升,则设定水位接近充满度时开启第二台水泵，第二台水泵与第一台水泵停泵水位相同。NS泵站停泵液位0.70m,第一台水泵启泵水位 1.90 m,第二台水泵启泵水位 2.36 m,2 台水泵共用停泵液位。

3.3.4 沉井结构设计

CZ 泵站和 NS 泵站沉井有一定的相似性。以 NS泵站为例,沉井尺寸 LxBxH=6.0 mx7.0 mx7.5 m,采用直壁式侧壁,侧厚度 500 mm,底板厚 500 mm。采用“不排水下沉”法,水下素砼封底厚1100 mm,主体结构采用 C30 混凝土,封底采用 C25 混凝土。地质揭露存在淤泥质土，地基处理进行 Ф500@1 000 高压旋喷桩处理。NS 泵站下沉开挖土层主要为填土、淤泥质土,无邻近需保护建构筑物,不未设挡土周桩。NS 泵站底板与侧壁之间的止水措施采用2道遇水膨胀止水条，效果较好。做法如图3所示。

3.4 设计要点

3.4.1 泵站的集约化布置经对比研究，沉井式一体化污水提升泵站主要有以下3种布置形式(图4),其中布置形式一采用回转式机械格栅,将格栅及格栅检修、泵站检修阀门设置在沉井内部,通过内部隔墙分为不同的功能区,不同功能区的高程差异通过素混凝土二次填充实现;布置形式二和布置形式三均采用粉碎格栅，将格栅安装在沉井内壁，将泵站检修阀门井设置在沉井外的第一个污水检查井内,相比布置形式一,布置形式二和布置形式三用地更加集约。3种布置形式的共性是阀门井二次施工浇筑。本研究案例中的CZ泵站属于布置形式一、NS泵站属于布置形式二,从实际设计来看,虽然 NS 泵站规模远大于 CZ 泵站,但得益于粉碎格栅的使用,NS 泵站占地面积比 CZ 泵站更小,。

3.4.2 泵站扬程设计

水泵扬程确定是水泵选型的重要考虑因素，水泵的扬程主要由静扬程、沿程损失和局部损失构成,此外,为保障水泵运营安全,一般预留一定的富余水头。在计算水泵扬程时,应分别按近期、远期的旱季平均和旱季高峰等工况进行计算,按最大值选取水泵。当计算的水泵扬程过高时，应通过调整出水管管径的方式降低流速,从而降低扬程。在计算沿程损失时,应采用海曾威廉公式计算。以 NS泵站为例,不同工况下,扬程计算结果详见表2，计算泵站扬程在6.18-12.07m,考虑最不利工况扬程为 12.07m，预留2m左右富余水头,最终选取水泵扬程 日=14m。在选用水泵时,优先选择带切削功能的变频泵。当泵站服务分区内存在合流区时,还应考虑雨季运行工况下扬程的复核。

3.4.3 集水池有效容积及水泵启停

泵站集水池有效容积是水泵可靠、稳定运行的必要条件。集水池的容积不应小于最大一台水泵5min的出水量,水泵机组为自动控制时,每小时开动水泵不宜超过6次口,在集水池有效容积设计时,应充分考点水泵总体参数选型,泵站规模较小时建议采用同等规模的变频泵。以最大一台水泵的5min出水量作为集水池最小有效容积,结合泵站平面尺寸设计,确定第一台水泵的启泵水位和停泵水位。由于泵站最高水位在进水管道充满度位置,停泵水位在进水管底高程以下,因此,不同启停模式对泵站基坑深度有明显影响,“分水位开启、分水位停”启停方式会导致泵坑深度相对比“分水位开启、同水位停”方式更深,在设计中应根据实际情况选择。除此之外,还有“阶梯式开泵、阶梯式停泵”方式,即第一台水泵和第二台水泵的启泵水位、停泵水位均不同,分阶段启动、分阶段停泵,2个水泵启泵水位和停泵水位差值相等。研究表明,“阶梯式开泵、阶梯式停泵”方式相比“分水位开启、分水位停”“分水位开启、同水位停”方式水泵启停最不频繁、最为安全考虑到“阶梯式开泵、阶梯式停泵”在运维阶段可在其他2种方式上修订水泵启停水位实现,建议在设计时优先考虑其他2种方式。

3.4.4 沉井设计与施工

对比传统基坑支护方式,沉井平面尺寸小,适合场地空间狭小、开挖深度大的工况,自身结构可作为基坑支护结构;在地下水丰富地区,沉井法可水下开挖、不排水下沉,节约降排水措施费。沉井法与污水泵站良好四配的沉井式一体化污水提升泵站具有明显优势,在设计时应特别注意:①优先考虑地质资料、周边环境情况,评估是否能够使用沉井、是否需要设置挡土周桩及地基处理,周边有临近建构筑物时应设置挡土周桩,减少沉井下沉过程中因超挖、倾斜或存在流沙等造成的周边地面沉降;②在满足泵站功能需求的基础上,合理确定沉井尺寸;③应特别注意底板与侧壁之间的止水措施,防止地下水的渗人;④重视施工阶段结构内力配筋、封底厚度、下沉、使用阶段结构内力配筋、地基承载力、抗浮稳定和裂缝等各个层面的结构计算。相较传统方式由下到上浇筑结构不同,沉井法下沉标高较难精准控制,易产生倾斜,施工时应控制下沉速度,防止突沉,将偏差控制在允许值之内,保证泵站标高满足工艺要求。

泵站的运行情况

CZ 泵站于 2020 年 10月建成通水,至今通水 2年多时间,已基本按近期规模运行,运行过程一切正常运行稳定、可靠。NS 泵站于 2022 年1月建成通水,至今通水1年多时间,运行过程一切正常,已基本按设计规模运行,运行稳定、可靠。

结束语

污水泵站的设计需综合考虑功能、用地情况、投资大小和施工影响等各方面的要求及条件,经对比论证研究确定沉井式一体化污水提升泵站的技术方案。本文结合2种不同的泵站布置形式的工程实例，探讨分析设计要点。随着对沉井式一体化污水提升泵站的研究,其具备的集约用地、易于施工、投资小及规范相符性较好等综合优势，将使其在污水治理工程中发挥更加重要的作用。