北京通州碧水污水处理厂是北京东部地区最大的污水处理厂, 改造前处理能力为10万m³/d。为实施北京市政府东迁通州的规划及由于周围居民增加而不断引起的环境投诉, 处理厂必须尽快由开敞式污水池改造为全封闭下沉式的地下结构, 面积缩小为原来的1/3, 而处理能力提高到18万m³/d。节省面积将用于人工湿地和市民休闲广场建设。

改造工程面临的主要问题为: (1) 工期紧。项目总建设周期仅为13个月。市政府搬迁已进入倒计时, 任何方案的制订都必须考虑时间因素。 (2) 必须同时保证改造区深基坑作业安全及现有水厂的部分污水处理作业正常运行。因此, 需对污水池分区施工, 有效地将改造水域与现有水厂部分处理水域分开。挡水堤坝的结构形式必须满足上述2个要求, 是整个改造工程的重点和难点。

污水处理厂升级改造工程位于现有污水处理厂的处理三区, 为保证升级改造期间厂区的正常运行及升级改造的施工需要, 须设置挡水围堰将处理二区及一区进行分离, 并采取相关水质保障措施保证升级改造期间出水水质达标。

挡水围堰呈东西走向, 长度为400m, 要求高出水面1m, 顶标高为21.000m, 池底标高平均为9.000m, 改造区平均开挖标高为2.000m。即挡水围堰在基坑施工期的挡水水头高度为18～20m。

挡水围堰建成后, 北侧储水区放空后进行基坑作业, 南侧存水区正常使用。南北水头高差大, 对围堰防渗、防塌、安全性要求高。

经施工前的水下探摸, 污水池底部有淤泥堆积, 且有一定数量的钢筋混凝土地梁和管线支墩, 为围堰的选型和施工增加很大难度。

在水工中常用的施工围堰可分为3大类。第1类是重力式围堰, 主要采用砌筑式方法施工, 常见的形式有土石围堰和混凝土围堰等;第2类是桩基围堰, 主要采用水上或陆上沉桩方法施工, 常见的形式有预制混凝土桩、钢板桩、钢管桩等形式;第3类是人造箱体围堰, 可以是重力式, 也可以和下部桩基础连接, 常见的形式有钢套箱和钢吊箱围堰。

从上述3种围堰形式分析: (1) 因池底有硬化层及管线基础, 无法进行沉桩作业, 因此桩基围堰不适用于本工程; (2) 如采用人造箱体, 加工工程量和工期远超过要求, 因此也无法采用; (3) 综上分析, 只有重力式围堰可以使用, 所以选取围堰的筑堤材料和工艺成为决定堰体结构形式的关键因素。

工程所在区域没有石方及黏性土来源, 土石筑堤无法实现。混凝土堤的施工成本又远高于预算, 在经济上无法实现。经过调查发现:施工区域通州地处古京杭大运河的终点, 历史上河网较发达。在前期河道治理工程中清理出大量河砂, 同时污水厂改造后需大量回填砂用于公园和市民广场建设, 因此项目部在临近设置砂场囤积大量回填砂。经现场取样检测, 河砂含泥量在8%～15%。

基于上述分析和现场条件, 决定在本工程中采用海上大型袋装砂结构和工艺, 修筑挡水围堰。针对本工程的好处为: (1) 就地取材, 改造工程完成后, 围堰不予拆除, 成为永久回填的一部分, 大大缩短工期和节约成本; (2) 不需要大量准备工作, 可立即开始施工。难点为:海上的大袋砂结构一般规模较大, 挡水效果要求不高, 第1次用于市政工程, 断面和质量受到限制, 如何保证其止水效果满足改造工程的要求是施工重点和难点。

围堰沿东西向布置, 主体长约400m, 底部宽度为56.0m, 顶宽为8.0m, 高9.6m;围堰垫层宽为60m, 高2.4m。围堰外侧迎水面整平后再在其上铺设2层土工防渗膜, 防渗膜向垫层外延伸10m, 膜上用防老化编织长袋装砂分段压实 (宽度50cm, 厚度30cm) , 每隔10m 1道;堤顶防渗膜延伸至堤顶中心并用土堤 (或砂袋) 连续压牢。在围堰顶部修筑厚度为0.2m、宽度为6.0m的泥结碎石路面, 将土工防渗膜压入路基底部, 路面宽度为6.0m, 坡面坡高比为1∶1, 并在路面两侧修筑护栏 (见图1～3) 。

围堰采用大砂袋, 通长砂袋、软体排砂被等加筋材料增强堤身的稳定性, 减小堤身断面。围堰垫层高度为2.4m (0.4m厚砂袋+3层0.6～0.8m通长砂袋) , 围堰底部宽度为56m, 围堰堤身用砂袋, 分层铺设, 每层厚度为0.6～0.8m (见表1) 。

充填砂袋采用编织布缝制, 主要材料指标如表2所示。

污水池岸壁为现浇混凝土斜坡护岸。围堰与岸壁相接的部位, 在高水头作用下有可能形成绕过围堰体的透水通道, 引起管涌甚至垮坝。因此, 围堰两端接岸处, 防水膜沿着污水池池壁方向延伸20m, 先用通长砂袋压实, 再用砂袋堆砌压实。同时, 向外5m内施工旋喷桩进行端部止水, 深度为18.0m。注浆压力从0.5MPa开始逐步加大。注浆期间严密观察袋体, 防止因压力过大袋体胀破或充填砂流失。

围堰堤身最长处为449.3m, 最高13m, 用砂量总计约19万m³, 而总工期目标对围堰阶段工期要求极紧。计划工期4个月, 实际工期70d。平均日吹砂量达3 000m³, 施工从东西两端同时开始。主堆砂场设置于东端, 副堆砂场设置于西端。需日存砂量≥30 000m²的砂场, 且日存砂量需保证吹砂围堰施工3～5d的供应 (见图4) 。

经初步探查, 现有污水池底部主要有硬化层、地梁及管线基础、沉积淤泥等。由于地基承载力可满足围堰施工要求, 因此海上施工时的软体排铺设可省略。

施工前必须首先对基底进行以下处理: (1) 现有污水池使用年代长, 基底形成厚度不明的淤泥层。虽然淤泥会在重力堰体的作用下挤出, 本身的透水系数较低, 但如残留厚度过大, 在后期高水头压力下, 会对围堰整体抗滑性造成危险。处理的方法是潜水员分区进行水下探查, 查清池底淤泥情况, 对池底淤泥厚度>50cm的部分, 用配备高压水枪的吸砂船清理, 并将清理出的淤泥放置指定区域进行后续处理。 (2) 现有污水处理池底存在水厂原建设废弃曝气器、新建曝气管、主曝气管及基础、支管与支管基础直接阻碍围堰施工, 并且会扎破袋体造成堰体塌陷。因此, 为清理设计了打捞船, 上面配起重机, 水下配合潜水员, 将曝气器、曝气管及其混凝土基础进行水下拆除及打捞。同时, 将打捞上来的物体进行编号, 对照原图纸, 确保清理干净, 仅保留地梁。

在前面清理淤泥和水下障碍物的基础上, 栓浮漂定位, 并设立标志, 用45cm75cm小砂袋将地梁之间填平, 高度与地梁平齐, 1m²15个左右, 整体找平, 同时对梁间淤泥做压实挤淤。小砂袋用装载机运至船上, 用人工抛掷到指定区域, 再下潜水找平。再在地梁上施作3层0.6～0.8m厚通长砂袋。

基底处理工期达45d, 难度超出预期, 但对于重力式坝体而言十分重要, 必须处理达标。

施工要点: (1) 大袋砂挡水围堰是利用砂袋的自重相互挤密阻断透水通道, 形成不透水的整体, 因此严禁出现竖向和横向通缝。施工时必须合理安排每层袋体的数量和安放顺序。 (2) 对于围堰施工, 需对围堰基础进行适当处理, 同时根据堰体高度严格控制堰体各级加载、静载时间, 并通过监控量测数据调整加载速度, 才能控制好堰体总体沉降量, 避免出现堰体局部滑移, 确保堰体总体稳定。

本工程土工布采用200g/m²的复合防渗土工布, 两块土工布连接采用折线法拼接缝制, 搭接15cm, 每条至少缝制2道。防渗土工布铺设不得发生折叠和破损现象, 必须平顺。砂袋制作成长条状棱体断面, 砂袋的横向尺寸根据设计断面的不同位置和高程所要求的尺寸进行控制, 在围堰横断面方向须整块制作, 纵向每袋尺寸以利于制作和施工方便为宜, 一般≥15m。每条砂袋的灌口布置呈梅花形, 灌口数量视充泥管袋容积的大小和土质情况而定, 一般每16～20m²设1只, 灌口长度水上出水部位为30～50cm, 水下以高出袋面50cm为宜, 以便潜水员水下绑扎。灌口直径为20cm, 缝制时, 每道缝≥2道 (先缝1道, 折叠后再缝1道或2道) , 确保袋体的接缝强度。

充填袋装砂应采用水力充填法施工, 每层厚度严格控制在0.5～1.0m。为确保围堤堤身安全, 排出棱体中水分, 必须分级进行, 第1和第2级袋装砂棱体施工间隔以第1级袋装砂固结度达到70%为准, 间隔为1～2d, 严禁上、下层连续施工, 采取平行顺序法作业。

大型袋装砂的堆筑呈阶梯形向前推进, 上、下两层间及相邻砂袋的搭接需4m以上, 以防形成通缝。同层相邻袋体搭接处, 在砂袋铺设时, 应预留收缩量, 确保充填时两袋之间相互挤紧, 并有搭接余量, 充填后两袋之间不得有贯通缝隙, 如有应做相应处理。

主要工艺步骤为: (1) 定位利用前方交会法定位砂袋铺设边线, 并插镀锌钢管作为边线控制点。 (2) 卷袋施工前, 为利于人工搬运及铺设过程便于展开, 须将对应铺设位置的砂袋卷好。 (3) 展开砂袋由船机或浮排装载砂袋到铺设位置, 然后用驳船按方向展开;要求砂袋长度方向与围堰轴线方向垂直、边线对齐, 保证搭接5～7m。 (4) 充填砂利用泵船将符合设计要求的砂, 通过袖口泵灌入砂袋, 采取分层充灌的方式保证砂袋平整度。充灌时须防止局部出现夹泥现象。砂袋充填砂的含泥量≤10%, 并在现场和砂源取样以检验砂料的质量。相邻砂袋的搭接应该靠紧, 防止通缝, 当铺设2层以上砂袋时, 上、下层砂袋的通缝应错开, 两条缝之间距离最少应相差5m。

围堰施工期间, 考虑对围堰进行沉降和位移监测。通过水平位移和垂直位移控制充填速度, 通常情况下, 每昼夜沉降量应<10mm, 水平位移每昼夜位移量应<5mm, 围堰沉降量或水平位移超过要求, 应进行分析研究, 并报告监理和设计单位。在加载过程中, 及时绘制沉降量与充填作业和时间的变化过程曲线。

堰体施工原计划70d, 实际完成55d。

围堰施工结束后, 经过15d的沉降期开始抽水排干。排水结束后, 经过1周观察, 坝体的挡水性和稳定性达到并超过设计要求。坝体上未见明显透水点, 整体透水量控制在50m³/d。为保障施工期坝体安全, 成立应急施工小组, 配备水玻璃、棉布条等堵漏材料, 24h值守。施工期间出现过一次局部管涌, 经紧急处理后渗水被止住。

挡水围堰的顺利实施为后续基坑开挖和地下连续墙施工打下一个良好基础, 为整个改造项目按期按质完成提供了坚实保障。

利用海上大袋砂结构在陆上市政工程中应用, 可以说是一个创新。事实证明, 其具有工期短、结构稳定、止水效果好等优点, 非常成功。