朱宇峰

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

1 概述

三明市主城區(qū)依山面水而建，城市沿沙溪河帶狀發(fā)展，受限于兩側山體城市建設用地縱深較淺，因此土地資源尤為稀缺。隨著三明市列東片區(qū)和北部新城的發(fā)展，人民生活水平日益提高，污水排放量不斷增大；但是列東污水處理廠處理規(guī)模僅為1.5萬m3/d，目前已經達到處理極限，現狀用地已無擴建可能且距中心城區(qū)距離較近，因此急需另外選址搬遷及擴建。

同時，三明市作為“城市雙修”全國試點城市，為進一步補足民生設施短板、保障沙溪河水環(huán)境質量，三明列東污水處理廠搬遷及擴建工程也列入了《三明市2018年“城市雙修”行動計劃》完善市政基礎設施板塊的重點項目之一。

2 工程概況

2.1 項目位置及建設規(guī)模

三明列東污水處理廠搬遷及擴建工程建設地點位于碧湖地區(qū)，G205國道以南、三明市垃圾填埋場以北、三明市液化氣儲罐站以西，紅線內總用地面積約5.13 hm2。場地背山面水坐落于山體之上，北側為G205國道及沙溪河，南側背靠山體，場地東西長約350 m，南北縱深約150 m。場地北側G205國道標高約133 m，南側坡頂標高約190 m，最大高差近60 m，且坡面連續(xù)無可利用臺地，自然建設條件不佳，施工前需對場地標高進行平整以滿足污水廠建設需要。

該工程近期按3萬m3/d的規(guī)模實施，遠期再行擴建2萬m3/d，總規(guī)模達到5萬m3/d。根據場地條件，首期工程需統(tǒng)籌考慮近遠期實施條件，建設一座典型的山地式污水處理廠，而豎向設計、平面布置、總圖運輸、排水安全等諸多環(huán)節(jié)均是該工程設計需解決的關鍵問題。

2.2 設計進出水水質

該工程設計進水水質綜合考慮污水廠服務范圍內排水性質、現狀列東污水廠實際進水分析結果，并參考福建省同類型城鎮(zhèn)污水廠設計進水水質進行確定；設計出水水質根據環(huán)評要求，執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A排放標準，出水排入沙溪河。具體設計進出水水質見表1。

該工程設計進水水質為典型的南方城鎮(zhèn)生活污水水質，整體污染物指標偏低，但BOD5/TN=2.22，進水中反硝化碳源不足，因此在設計中考慮外加碳源措施并適當延長缺氧區(qū)停留時間，確保反硝化充分。

2.3 污水、污泥處理工藝流程

根據污水系統(tǒng)布局，該工程進水直接由廠外管道泵站壓力輸送至細格柵前，因此不設粗格柵進水泵房。經過比選論證，該工程污水處理工藝采用“細格柵曝氣沉砂池+AAO生物反應池+平流二沉池+高效沉淀池+高效纖維束濾池+次氯酸鈉接觸消毒”；污泥處理工藝采用“兩段式連續(xù)污泥深度脫水”至含水率小于60%后外運處置；除臭工藝采用生物濾池法。

表1 設計進、出水水質

3 山地式污水處理廠設計難點及對策

山地式污水處理廠因建設場地自然高程變化較大，廠區(qū)構（建）建物無法設置于相對統(tǒng)一的廠坪標高上，帶來了一系列設計難點。該項目區(qū)別于一般山地式污水處理廠，場地高差極大，整體坡度達到約40%且無可利用臺地，可借鑒的工程案例較少，因此需要因地制宜采取針對性的設計對策。

3.1 豎向布置及總圖布局

山地式污水處理廠確定合理的豎向設計是第一要務。一般而言，對于相對平緩的山地，可采用臺階式豎向布置及常規(guī)分散式的總圖布局，即各處理設施分散布置在標高不同的臺階上，根據水力流程結合臺階設置從高到底布置。同時，山地式污水廠工程往往包含大量的土石方內容，對工程投資影響較大。因此豎向設計需要根據自然條件和豎向布置進行多種臺階組合的填挖方方案比選，擇優(yōu)確定經濟合理、地質安全、施工方便的土方平衡方案。

該工程由于場地坡度大，南北縱深較小，巖層風化程度高，可用場地、豎向布置及挖方量相互制約。通過對臺階分散式布置方案和集約化布置方案分析表明，擬建場地如需構建大范圍臺階，挖方范圍較大，挖深較淺，但保留了大量強、中風化巖層，構筑物地基處理難度較大，且因臺階形狀狹長，處理設施布置和近遠期銜接難度較大。如采用集約化布置，雖挖方深度較大，但挖方范圍集中于近期建設場地，因此挖方量與分散式布置相比增加有限，工程投資基本持平，且構筑物底板可落于深層基巖上，地基處理及施工難度小，也便于壓縮工期。因此最終確定采用集約化平面布置方案與集中大挖深豎向布置。

3.2 總圖運輸及功能分區(qū)

山地式污水處理廠受地形限制，廠區(qū)功能分區(qū)及總圖運輸需進行妥善考慮，盡量降低大宗物資的運輸難度，增強各功能分區(qū)的車輛可達性。廠區(qū)道路坡度不易過大，縮短坡長并加設緩和段，提高車輛行駛安全性；同時，廠區(qū)道路需注意與各標高層間的銜接。功能分區(qū)上應注意將污泥外運、藥劑裝卸、重要設備等重點物流單元相對集中設置，標高及位置便于大大減少車輛運距和爬升高度[1]。

該工程采用集約化布置，將所有處理設施合建于箱體廠房內，通過功能分區(qū)在空間上的合理布置及“航站樓”式的交通組織巧妙解決了總圖運輸問題。

3.3 排水防澇及地質安全

山地式污水處理廠除了要考慮廠區(qū)本身的排水以外，更需及時排除周邊山體下泄山洪，確保廠區(qū)的排水安全。同時對于填挖方后形成的邊坡需采取支護措施，坡面覆蓋植被，避免水土流失造成地質災害。

該工程對挖方后形成的邊坡采取全面的錨桿框架，坡面滿布生態(tài)綠化，同時設置排洪渠、急流槽等將坡面雨水收集后有序地排入地面雨水系統(tǒng)。箱體廠房屋面采用雨水立管排入地面雨水系統(tǒng)，最終通過場地雨水管渠排出廠區(qū)。

3.4 環(huán)境影響及景觀協(xié)調

山地式污水處理廠處理設施一般呈階梯式分散布置于山體場地之上，與周邊自然環(huán)境較難融合；且因地勢較高，不良感觀難以掩蔽，往往需要通過建設于山體背面、增加防護帶寬度等方式盡量控制不良環(huán)境影響和鄰避效應，加大了山地式污水廠的選址和建設難度。

該工程選址緊鄰G205國道，為進出三明市主城區(qū)的門戶道路，對環(huán)境影響控制和景觀效果營造的要求尤為嚴格。采用集約化的箱體布置將所有處理設施均容納于一體化廠房內，可有效隔絕臭氣、噪聲、敞開污水池等不良感觀；同時，廠房屋面布置大面積的綠化小品，廠區(qū)也進行全面的綠化覆蓋，與周邊山體有機協(xié)調，徹底改變了傳統(tǒng)污水處理廠負面的公眾印象。圖1為廠區(qū)總體鳥瞰效果圖。

圖1 廠區(qū)鳥瞰圖

4 工程設計探索

針對該工程特點、難點及制定的相關設計對策，在工程設計中進行了如下探索。

4.1 污水廠總平面布局

該工程紅線內總用地面積約5.13 hm2，考慮山地不良的建設條件和邊坡支護放坡距離等，實際可利用土地面積僅約3 hm2，實際建設用地指標僅為0.6 m2/m3·d，僅為《城市污水處理工程項目建設標準》（ZBBZH/CW）規(guī)定的Ⅴ類污水處理廠（含深度處理）建設用地指標一半左右，因此總平面布局需采用集約化布置形式?？紤]建設時序及施工條件，分為近、遠期兩個箱體建設：近期箱體布置于場地西側，退西側紅線約55 m，退北側紅線約20 m；遠期箱體考慮并排布置于近期箱體東側。近、遠期箱體周圍沿二級邊坡平臺設置廠區(qū)環(huán)形通道，銜接近、遠期箱體及箱體各層標高。綜合樓疊設于箱體頂蓋之上，場地地面北側沿G205國道設置兩處出入口及門衛(wèi)，同時場地西北側設置消防及生活水泵房。近期3萬m3/d全流程污水、污泥處理構筑物集約化布置于一個箱體內，平面尺寸為107.5 m×72.15 m，箱體占地面積為7 756.13 m3。噸水處理設施僅占地0.26 m2，屬極低水平?？偲矫娌贾萌鐖D2所示。

圖2 工程總平面布置圖

4.2 豎向高程布置

該工程場地高程變化較大且總平面布置緊湊，可用于各標高層間銜接的空間不多，因此需盡量減少標高層設置，簡化各標高之間的轉換。工程主體結構為集約化的地上雙層箱體，箱體內部空間在高程上分為下部的水池層和上部的操作層，綜合樓設置于箱體頂部，而廠區(qū)出入口則設于地面。因此廠區(qū)高程布置上主要分為三個標高層，即地面層、操作層及箱體頂層。

因廠區(qū)三面環(huán)山，平面尺寸受限，需要足夠的豎向空間確保污水處理廠功能完整。因此各標高層的設置主要需平衡廠區(qū)進出、場地排水防澇、水池容積及有效池深、操作層凈空要求、道路允許最大坡度等幾大限制因素。具體設計標高確定如下：

（1）地面層標高為133.20 m，箱體底層室內標地坪高為133.50 m。地面層標高主要考慮廠區(qū)進出與場地排水防澇兩個因素。場地北側G205國道現狀標高為132.50～133.00 m，考慮廠區(qū)地坪與外界接順，廠區(qū)地面層標高取133.20 m，箱體底層室內地坪標高133.50 m。同時，沙溪河防洪標準為50 a，沙溪河碧湖段50 a一遇洪水水位131.66 m，100 a一遇洪水水位132.75 m。因此地面層設計標高滿足防洪要求，同時略高于外界場地標高可有效避免路面雨水進入場地。

（2）操作層標高為141.30 m，操作層室外地坪標高為141.00 m。操作層標高主要考慮水池容積及池深與道路允許最大坡度兩個因素。因箱體平面尺寸受限，污水處理池體需確保足夠的有效水深以滿足池容要求。其中，生反池池深是主要控制因素。生反池設計水深為7 m，超高0.8 m，因此操作層主體標高為141.30 m（預處理區(qū)等局部標高根據水位適當加高），對應的室外地坪標高為141.00 m。同時根據《城市道路工程設計規(guī)范（2016年版）》（CJJ 37—2012）及《建筑設計防火規(guī)范（2018年版）》（GB 50016—2014）對道路坡度的規(guī)定，廠區(qū)道路兼作消防車道用，坡度不應大于8%，且車速需在20 km/h以下。因此操作層室外地坪與地面層高差7.8 m，道路最小坡長需97.5 m。根據廠區(qū)平面布置，從東北角入口處起坡，坡道長度可達約110 m，坡度小于規(guī)范限制要求。

（3）箱體頂層標高為149.50 m，綜合樓室內地坪標高為149.95 m。箱體頂層標高主要考慮操作層凈空與道路允許最大坡度兩個因素。操作層凈空主要考慮工藝設備、電纜橋架、通風管道等的安裝與運行需要。操作層最大工藝設備為鼓風機，其吊裝凈空要求為5.5 m；設備安裝空間之上為照明及電纜雙層橋架安裝空間，凈空要求為1.0 m；最上層為通風管道安裝空間，通風管采用1 000 mm×400 mm～1 250 mm×500 mm方管，安裝凈空要求為0.8 m，因此操作層凈空為7.3 m，箱體頂板板厚0.9 m（含梁高），箱體頂層標高取149.50 m。同時，操作層至箱體頂層坡長約175 m，高差8.5 m，道路坡度滿足規(guī)范要求。

綜上所述，地面層、操作層、箱體頂層設計標高分別為133.20 m、141.30 m和149.50 m?？傮w高程布置如圖3所示。

圖3 總體高程布置示意圖

4.3 總體施工方案

該工程作為三明市2018年城市雙修重點項目之一，計劃施工工期僅約13個月左右，考慮到邊坡治理、場地平整等前置工作，工期相當緊張。因此總體施工方案充分考慮最大限度地壓縮工期，同時統(tǒng)籌兼顧平面布置、高程布置、總圖運輸、地質災害、土方工程量等多方面因素，結合集約化的雙層地上箱體結構形式，采取兩級永久性邊坡支護一次性削坡至箱體底板底（絕對標高131.5 m）的土方開挖方式，主體結構不設基坑，待近期箱體位置處山體整體挖除后形成凹字形的平整建設場地后，從地面直接向上逐段澆筑集約化處理廠房。該方案避免了基坑二次開挖支護工序，可大幅壓縮施工周期，同時廠區(qū)內外地坪銜接更為順暢，施工機械進出方便，且與二級開挖基坑相比挖方量增加有限。

由于擬建場地基底條件較好，場地內及其附近無人為采空區(qū)、地面沉降和巖溶等不良地質作用，且地下水位較低，承載力滿足要求，采用天然地基筏形基礎不設樁基，配合底板構造設置抗滑移措施即可。

通過“一次土方開挖+天然地基+地面以上澆筑主體結構”的總體施工方案，避免了主體結構的二級基坑開挖，同時為構筑物的整體澆筑提供了完整開闊的地面空間，有利于多個工作面同時作業(yè)，極大加快了主體結構的施工進度。該工程土方開挖及邊坡支護用時約5個月，總挖方量約88萬m3，主體結構澆筑約5個月，目前主體結構已結構封頂進入設備安裝調試階段。

4.4 廠區(qū)總圖運輸

該工程廠區(qū)總圖運輸重點在于合理銜接地面層、操作層、箱體頂層三個標高層以及妥善協(xié)調車輛通行、物料運輸及人員進出三者的關系。

根據廠區(qū)平面布置，近、遠期箱體位于場地中央，四周設置環(huán)形道路銜接箱體操作層及頂層標高。環(huán)形道路按照7m雙車道設置，為滿足道路坡度及坡長要求，環(huán)形道路由東北角入口處開始起坡，順時針方向一次爬坡至箱體頂層標高149.50 m；逆時針方向分為兩側爬坡，一次爬坡至操作層室外地坪標高141.00 m，并在箱體操作層北側設與箱體等寬的平坡高架道路以作為設備進出操作層的主要通道，繞過箱體西北角后二次爬坡至箱體頂層標高149.50 m。兩側環(huán)形道路至149.50 m標高交匯后通過天橋跨至箱體頂層。因此車輛從東北角入口進廠后可通過環(huán)形通道直接到達操作層及箱體頂層，便于設備裝卸及參觀團隊上下客。

對于箱體底層，通過北側中部入口直接進入141.00 m地面層，并在箱體北側設置110 m×20 m場地，方便脫水污泥外運和藥劑卸料。

同時在箱體北側中部位置設置一部電梯及樓梯間，分別?？肯潴w底層133.50 m，操作層141.30 m和箱體頂層149.50 m標高，廠區(qū)工作人員可從北側中部入口進入廠區(qū)后由電梯直達箱體頂層到達綜合樓。廠區(qū)道路布置如圖4所示。

圖4 廠區(qū)道路布置示意圖

箱體與廠區(qū)環(huán)形道路形成類似于“航站樓”的建筑形式，廠區(qū)環(huán)形道路使得車輛可快速達到操作層和箱體頂層，方便大型設備運輸和大批人流上下；箱體底層單獨對外，運輸污泥及藥劑，有利于改善廠區(qū)衛(wèi)生條件；箱體內電梯及樓梯方便工作人員巡視管理。

4.5 箱體功能分區(qū)

該工程箱體高度集約化布置，所有污水、污泥處理設施及配套輔助設施全部設置于箱體內部。箱體功能分區(qū)主要遵循以下原則：

（1）工藝流線清晰流暢，處理設施分組明確。（2）箱體高程合理利用，構建筑物有序整合。（3）操作環(huán)境清污分離，設備物資進出方便。箱體內上下層功能分區(qū)如圖5、圖6所示。

圖5 箱體下層（133.50 m標高）功能分區(qū)示意圖

圖6 箱體上層（141.30 m標高）功能分區(qū)示意圖

污水處理設施部分設細格柵曝氣沉砂池一座（3萬m3/d），位于箱體中央；生反池、二沉池、高效沉淀池兩座（單座1.5萬m3/d），對稱布置于箱體兩側；高效纖維束濾池一座（3萬m3/d），位于箱體東側高效沉淀池旁；加氯接觸池一座（3萬m3/d），疊于東側二沉池底。污泥處理設施部分設污泥泵房、濃縮池和儲泥池兩組（單組1.5萬m3/d），對稱布置于細格柵兩側；污泥脫水機房及料倉一座（3萬m3/d），位于箱體下層中央。

同時，構筑物充分利用箱體高程進行集約整合，利用生反池與二沉池之間的池深差在二沉池底部分別疊設了加氯接觸池、放空調蓄池及設備管廊；利用高效纖維束濾池和高效沉淀池的池深差在濾池底部疊設廢水池；利用三面池體圍合形成的空間作為污泥脫水機房，凈空可達7.0 m。

箱體內部清污兩區(qū)分離，將自動化程度高、衛(wèi)生條件相對較好的處理設施布置于上層，營造操作層良好的環(huán)境條件；將加氯加藥間、污泥脫水機房等衛(wèi)生條件稍差的處理設施布置于箱體下層，避免日常藥劑裝卸、污泥運輸影響整體操作環(huán)境。

操作層將變配電間、鼓風機房均設于操作層北側，便于重要供配電設備及鼓風機設備等直接對外運輸。另外還在操作層內劃設了倒T形的車行荷載范圍，可讓運輸車輛進入箱體內部，配合起重設備大大降低設備運輸和吊裝難度。

5 結語

（1）該工程采用集約化箱體廠房建設形式，可有效節(jié)省污水廠占地面積，相比國家相關建設指標低50%左右，并極大提升了污水廠視覺感觀。

（2）針對山地建設條件，采用合理的平面布置和施工方案，在挖方量可控范圍內，可大幅壓縮施工工期，降低施工難度及風險。

（3）箱體廠房依山勢而建，綜合考慮總圖運輸、道路坡度、消防疏散等要求，采用類似于“航站樓”式的高程布置，巧妙地解決了箱體廠房高程與周邊地勢的銜接問題。

（4）該工程采用的集約化建設形式和箱體高程布置可為國內山地城市污水廠建設提供參考和啟示。