陸云才

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,烏魯木齊 830000)

1 工程概況

滲渠位于金溝河渠首上游約7.4 km處河道內(nèi)，在規(guī)劃中的紅山水庫(kù)回水線以上，該處河床寬闊，河道寬約400 m。滲管系統(tǒng)布置在河道靠左岸處，由集水支管、集水干管、閘閥井、集水井、截滲墻組成，其中：集水支管與集水干管呈33°～73°夾角斜向河道上游布置，集水支管共13根，支管采用直徑900 mm的濾水鋼管，支管長(zhǎng)280.77 m，支管總長(zhǎng)3 650 m;集水干管1根，采用直徑1 400 mm的濾水鋼管，長(zhǎng)度1 830 m。滲管采用鋼管，由12 mm厚的鋼板在工廠卷焊而成，在管壁鉆孔，孔徑為8 mm，孔(中心)距14 mm，行(中心)距12 mm，開(kāi)孔率29%。

滲管外部設(shè)有由外向里粒徑逐漸變大的過(guò)濾層來(lái)集取河流滲透水。根據(jù)含水層顆粒分析資料、同時(shí)參考已建工程成功經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置3層人工反濾料：第1層為D=1～4 mm碎石濾料、厚0.2 m；第2層為D=4～12 mm碎石濾料、厚0.3 m；第3層為D=12～36 mm碎石濾料、厚0.3 m。滲管開(kāi)孔大樣及反濾層設(shè)計(jì)詳見(jiàn)圖1。

2 試驗(yàn)概況

金溝河引水工程采用靈活供水的方案向獨(dú)石化引水3 000萬(wàn)m3/a，設(shè)計(jì)引水規(guī)模為2 m3/s，石化工業(yè)對(duì)水質(zhì)的要求必須低于3 NTU。為了保證獨(dú)石化金溝河引水工程水質(zhì)和水量滿足設(shè)計(jì)要求，故須通過(guò)水工模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證復(fù)核。

2.1 試驗(yàn)工作任務(wù)

本工程的試驗(yàn)任務(wù)主要有以下3點(diǎn)：① 驗(yàn)證3層反濾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；② 驗(yàn)證滲管設(shè)計(jì)的合理性；③ 在確保水質(zhì)低于3 NTU前提下，通過(guò)試驗(yàn)計(jì)算出滲管單位面積的滲水量。

2.2 滲管模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在長(zhǎng)12 m、寬1.0 m、高2.0 m的水槽中進(jìn)行，水槽邊壁為不光滑的細(xì)石混凝土抹面，內(nèi)壁底層為不透水層。在水槽內(nèi)布置1條完整式滲管，試驗(yàn)首部設(shè)有矩形堰，用于量測(cè)來(lái)水流量；水槽前部設(shè)有調(diào)砂池，用于調(diào)節(jié)來(lái)水含砂量，模擬渾水試驗(yàn)；水槽尾部設(shè)有沉砂池，用于沉淀泥砂，防止泥砂進(jìn)入地下水庫(kù)；同時(shí)試驗(yàn)裝置末端布置三角堰，用于量測(cè)水槽退水流量，試驗(yàn)裝置平面布置及滲管平面示意圖見(jiàn)圖2、3[1]。

圖1 滲管開(kāi)孔大樣及反濾層設(shè)計(jì)示意圖 單位：mm

圖2 試驗(yàn)裝置平面布置圖

圖3 滲管平面示意圖 單位：mm

滲管坡降為1/200；滲管上鋪設(shè)有3層共800 mm厚人工濾水層，人工濾水層上鋪設(shè)600 mm的原河床砂石料：自內(nèi)向外分別為200 mm厚、直徑12～36 mm卵礫石；300 mm厚、直徑4～12 mm卵礫石；300 mm厚、直徑1～4 mm粗砂；600 mm厚原河床砂石料[2]。同時(shí)，在靠近水槽尾部、第2層濾水料的中間位置設(shè)有3條自來(lái)水管用于模擬泉水。根據(jù)工程實(shí)際，分別進(jìn)行清水試驗(yàn)、渾水試驗(yàn)以及泉水補(bǔ)給試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)觀測(cè)及分析

3.1 濾水層設(shè)計(jì)合理性驗(yàn)證

濾水層的合理性采用太砂基準(zhǔn)則進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)掌握被保護(hù)土和料場(chǎng)砂礫料的顆粒級(jí)配，確定被保護(hù)土的控制粒徑、濾水層的等效粒徑、不均勻系數(shù)等[3]。

(1) 不均勻系數(shù)(Cu)

不均勻系數(shù)(Cu)按下式確定：

(1)

式中：d60為濾水料粒徑，小于該粒徑土重占總土重的60%；d10為濾水料粒徑，小于該粒徑土重占總土重的10%。

本次試驗(yàn)中濾層各層濾料不均勻系數(shù)自上而下分別為：第1層Cu=8.3，第2層Cu=1.6，第3層Cu=1.10。試驗(yàn)結(jié)果表明，該濾水料顆粒級(jí)配能夠滿足“過(guò)濾”和“取水”要求，運(yùn)行效果良好。

(2) 濾水層層間系數(shù)(ξ)

濾水層的功能是不允許被保護(hù)土的顆粒大量穿過(guò)濾水層的孔隙而流失，同時(shí)阻止含水層中粒徑大于0.25 mm的砂粒進(jìn)入濾水層，以保證水質(zhì)。

當(dāng)被保護(hù)土為無(wú)黏性土，且其Cu≤10時(shí)，其第1層濾水料的顆粒級(jí)配按下式確定：

(2)

式中：D15為濾水料粒徑，小于該粒徑土重占總土重的15%；D20為濾水料粒徑，小于該粒徑土重占總土重的20%；d85為被保護(hù)土粒徑，小于該粒徑土重占總土重的85%；d20為被保護(hù)土粒徑，小于該粒徑土重占總土重的20%。

根據(jù)顆粒級(jí)配曲線圖，可計(jì)算自上而下第1層與第2層濾水層的層間系數(shù)。

“過(guò)濾凈化”：D15/d85=1.04≤4～5；

“取水減壓”：D20/d20=4.2≥4。

同時(shí)被保護(hù)土不均勻系數(shù)Cu=3.2，完全符合濾層設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，滿足“過(guò)濾”和“減壓”要求。

把第2層濾水層濾料作為被保護(hù)土?xí)r，它與第3層濾水層的層間系數(shù)為：

“過(guò)濾”：D15/d85=1.0≤4～5

同時(shí)被保護(hù)土不均勻系數(shù)Cu=1.6，由于第2、3層濾層顆粒較第1層要大的多，其孔隙率要大得多，其透水性要比第1層大的多，故只要滿足“過(guò)濾”要求，其“取水減壓”作用也必然能夠?qū)崿F(xiàn)，因此，可以不考慮其“減壓”功能[4]。

經(jīng)過(guò)模型試驗(yàn)，3層濾水料能夠滿足“過(guò)濾”、“取水”和 “減壓”要求，因此，濾水層設(shè)計(jì)合理[5]。

3.2 濾水層滲透系數(shù)測(cè)定

在粒徑12～36 mm的卵石滲透系數(shù)試驗(yàn)時(shí)，測(cè)壓管水頭差幾乎為零，說(shuō)明卵石的滲透系數(shù)大，滲透性較好；粒徑1～4 mm粗砂的水頭差較大，且流量較小，滲透系數(shù)較小。

(3)

式中：Q為達(dá)西滲透儀流量,m3/s； L為2個(gè)測(cè)壓孔之間的間距(m),試驗(yàn)中L=0.4m；A為試驗(yàn)儀過(guò)水面積(m2),試驗(yàn)中A=0.35m×0.35m=0.122 5m2；Δh為量測(cè)壓管之間的水頭差,m。

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得：1～4mm粗砂的滲透系數(shù)為5.96m/d，原河床天然砂的滲透系數(shù)為33.28m/d。由于對(duì)卵石和礫石來(lái)講，粒徑較大，超過(guò)了達(dá)西定律的使用范圍。在濾水層結(jié)構(gòu)中其主要起到保護(hù)1～4mm粗砂不被擾動(dòng)的作用，其對(duì)濾水層的滲透系數(shù)影響很小[6]。

3.3 模型試驗(yàn)概況

(1) 清水試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)滲管過(guò)濾后，水質(zhì)濁度在2NTU以下過(guò)濾、凈水效果明顯，成果匯總?cè)绫?。

表1 滲管取水水工模型清水試驗(yàn)記錄表

由表1可以看出：同種條件下，隨著來(lái)水流量的增大，滲管取水流量呈增大趨勢(shì)，這與阿拉薇娜—努美諾夫完整式滲管產(chǎn)水量計(jì)算公式相吻合。流量不變時(shí)，由首部至尾部，水槽內(nèi)水深逐漸減小，同時(shí)，隨著流量的增大，水槽內(nèi)水深呈增大趨勢(shì)，水質(zhì)濁度呈降低趨勢(shì)，這一方面是由于水流沿程下滲，流量逐漸減?。涣硪环矫媸怯捎谒畚膊慨a(chǎn)生跌水，流速增大，水面下降。

(2) 渾水試驗(yàn)

渾水試驗(yàn)通過(guò)在水槽首部的攪拌池人工加砂攪拌來(lái)實(shí)現(xiàn)。經(jīng)測(cè)定原河床天然砂厚度為60cm條件下渾水試驗(yàn)要素見(jiàn)表2。

模擬渾水含砂量與測(cè)定原河道含砂量范圍基本一致。試驗(yàn)測(cè)定滲管取水濁度均在1NTU以下，符合設(shè)計(jì)取水要求。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，若濾水料中泥砂含量過(guò)高，在水流的輸移過(guò)程中將會(huì)在含水層表層形成泥膜，嚴(yán)重影響濾水料的滲透系數(shù)。因此，若水流中細(xì)顆粒泥砂(甚至淤泥)在濾層上過(guò)多的沉積,會(huì)導(dǎo)致表層濾層滲透系數(shù)迅速減小,甚至淤塞。這樣,整個(gè)濾層k值就會(huì)跟著減小,嚴(yán)重影響滲管產(chǎn)水量。所以,選擇河流水力條件比較好的河段,保證明渠水流有一定的挾砂能力,細(xì)顆粒泥砂不會(huì)過(guò)多地落淤在濾層表面,保證k值在一個(gè)穩(wěn)定的水平是十分必要的[7]。

表2 渾水試驗(yàn)記錄表

(3) 模擬泉水補(bǔ)給試驗(yàn)

試驗(yàn)中用電磁流量計(jì)測(cè)量補(bǔ)給泉水流量，并用來(lái)水流量、渠道退水流量以及滲管取水流量與之進(jìn)行校核。單獨(dú)采用泉水補(bǔ)給時(shí)，3根補(bǔ)給管流量全開(kāi)時(shí)，待水量平衡后，泉水補(bǔ)給總流量等于滲管取水流量，流量為0.3L/s左右，說(shuō)明泉水全部補(bǔ)給滲管。當(dāng)打開(kāi)其中2根或者1根補(bǔ)給管時(shí)，流量同樣可以完全補(bǔ)給滲管。當(dāng)泉水與渠道來(lái)水共同的作用時(shí)，泉水補(bǔ)給量基本不受影響，仍為0.3L/s左右。

3.4 試驗(yàn)分析

(1) 水質(zhì)濁度分析

在試驗(yàn)之初，滲管取水水質(zhì)較差，隨時(shí)間增長(zhǎng)，水質(zhì)逐漸變好，這是由于試驗(yàn)之初濾水層中含泥量較高，影響取水水質(zhì)，然后逐漸被清洗干凈，水質(zhì)變好，因此工程之初的濾水層清洗尤為重要[8]。另外滲管取水自滲管閘閥開(kāi)啟之初到取水穩(wěn)定，其取水濁度有一個(gè)遞減的過(guò)程，最終趨于穩(wěn)定。

(2) 產(chǎn)水量分析

當(dāng)濾水層總厚度為6m時(shí)，含水層的滲透系數(shù)為25.6m/d，根據(jù)不同水質(zhì)選用α不同個(gè)取值。計(jì)算成果見(jiàn)表3。

表3 產(chǎn)水量計(jì)算表

滲管單位面積產(chǎn)水量超過(guò)1.5m3/(m2·h)時(shí)，水質(zhì)濁度有增大趨勢(shì)，為保證水質(zhì)，同時(shí)保證工程產(chǎn)生最大的效益，經(jīng)校核計(jì)算，滲管最優(yōu)的單位面積產(chǎn)水量確定為0.8～1.0m3/(m2·h)。

4 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和理論計(jì)算可以得出以下結(jié)論：

(1) 在取水穩(wěn)定后，無(wú)論是清水還是渾水條件下，取水水質(zhì)濁度均在1NTU以下，能夠達(dá)到工業(yè)用水小于3NTU要求。進(jìn)入滲管的滲透水全部順暢排出,測(cè)壓管示數(shù)為零, “取水”減壓功能顯著。綜上，設(shè)計(jì)濾水層能夠滿足水質(zhì)、水量要求，濾水層設(shè)計(jì)良好。

(2) 濾水管能夠維持濾水層的穩(wěn)定，并不被12～36mm粒徑的濾水層堵塞，可以滿足產(chǎn)水量和水質(zhì)的要求，因此滲管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

(3) 滲管單位面積的產(chǎn)水量為0.8～1.0m3/(m2·h),可以作為滲管的設(shè)計(jì)理論依據(jù)。

5 建 議

(1) 試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),12～36mm粒徑的卵石中8mm以下粒徑含量偏高,容易堵塞滲管,建議在施工過(guò)程中嚴(yán)格控制級(jí)配,防止?jié)B管堵塞。

(2) 測(cè)定粒徑1～4mm粗砂滲透系數(shù)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),粗砂中含泥量偏高，且經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)定含泥量為5.2%,超過(guò)了允許范圍,建議施工過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)粗砂的沖洗，保證正常的滲透系數(shù)；同時(shí)濾水層中泥砂含量減少，有利于縮短水質(zhì)穩(wěn)定的時(shí)間。

(3) 在工程選址時(shí)，保證河道水流具有一定的流速，滿足明渠水流含砂顆粒推移運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)泥砂顆粒向下游輸送的條件，對(duì)維持滲管反濾層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定具有重要作用，有利于工程的正常運(yùn)行以及減少運(yùn)行管理成本。