獨石化金溝河引水工程滲渠水工試驗

陸云才

(新疆水利水電勘測設計研究院,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，在規劃中的紅山水庫回水線以上，該處河床寬闊，河道寬約400 m。滲管系統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280.77 m，支管總長3 650 m;集水干管1根，采用直徑1 400 mm的濾水鋼管，長度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，開孔率29%。

滲管外部設有由外向里粒徑逐漸變大的過濾層來集取河流滲透水。根據含水層顆粒分析資料、同時參考已建工程成功經驗，設置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。滲管開孔大樣及反濾層設計詳見圖1。

2 試驗概況

金溝河引水工程采用靈活供水的方案向獨石化引水3 000萬m3/a，設計引水規模為2 m3/s，石化工業對水質的要求必須低于3 NTU。為了保證獨石化金溝河引水工程水質和水量滿足設計要求，故須通過水工模型試驗進行驗證復核。

2.1 試驗工作任務

本工程的試驗任務主要有以下3點：① 驗證3層反濾層結構設計；② 驗證滲管設計的合理性；③ 在確保水質低于3 NTU前提下，通過試驗計算出滲管單位面積的滲水量。

2.2 滲管模型試驗設計

試驗在長12 m、寬1.0 m、高2.0 m的水槽中進行，水槽邊壁為不光滑的細石混凝土抹面，內壁底層為不透水層。在水槽內布置1條完整式滲管，試驗首部設有矩形堰，用于量測來水流量；水槽前部設有調砂池，用于調節來水含砂量，模擬渾水試驗；水槽尾部設有沉砂池，用于沉淀泥砂，防止泥砂進入地下水庫；同時試驗裝置末端布置三角堰，用于量測水槽退水流量，試驗裝置平面布置及滲管平面示意圖見圖2、3[1]。

圖1 滲管開孔大樣及反濾層設計示意圖 單位：mm

圖2 試驗裝置平面布置圖

圖3 滲管平面示意圖 單位：mm

滲管坡降為1/200；滲管上鋪設有3層共800 mm厚人工濾水層，人工濾水層上鋪設600 mm的原河床砂石料：自內向外分別為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，在靠近水槽尾部、第2層濾水料的中間位置設有3條自來水管用于模擬泉水。根據工程實際，分別進行清水試驗、渾水試驗以及泉水補給試驗。

3 試驗觀測及分析

3.1 濾水層設計合理性驗證

濾水層的合理性采用太砂基準則進行驗證，根據掌握被保護土和料場砂礫料的顆粒級配，確定被保護土的控制粒徑、濾水層的等效粒徑、不均勻系數等[3]。

(1) 不均勻系數(Cu)

不均勻系數(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%。

本次試驗中濾層各層濾料不均勻系數自上而下分別為：第1層Cu=8.3，第2層Cu=1.6，第3層Cu=1.10。試驗結果表明，該濾水料顆粒級配能夠滿足“過濾”和“取水”要求，運行效果良好。

(2) 濾水層層間系數(ξ)

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

當被保護土為無黏性土，且其Cu≤10時，其第1層濾水料的顆粒級配按下式確定：

(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為被保護土粒徑，小于該粒徑土重占總土重的85%；d20為被保護土粒徑，小于該粒徑土重占總土重的20%。

根據顆粒級配曲線圖，可計算自上而下第1層與第2層濾水層的層間系數。

“過濾凈化”：D15/d85=1.04≤4～5；

“取水減壓”：D20/d20=4.2≥4。

同時被保護土不均勻系數Cu=3.2，完全符合濾層設計準則，滿足“過濾”和“減壓”要求。

把第2層濾水層濾料作為被保護土時，它與第3層濾水層的層間系數為：

“過濾”：D15/d85=1.0≤4～5

同時被保護土不均勻系數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“過濾”要求，其“取水減壓”作用也必然能夠實現，因此，可以不考慮其“減壓”功能[4]。

經過模型試驗，3層濾水料能夠滿足“過濾”、“取水”和 “減壓”要求，因此，濾水層設計合理[5]。

3.2 濾水層滲透系數測定

在粒徑12～36 mm的卵石滲透系數試驗時，測壓管水頭差幾乎為零，說明卵石的滲透系數大，滲透性較好；粒徑1～4 mm粗砂的水頭差較大，且流量較小，滲透系數較小。

(3)

式中：Q為達西滲透儀流量,m3/s； L為2個測壓孔之間的間距(m),試驗中L=0.4m；A為試驗儀過水面積(m2),試驗中A=0.35m×0.35m=0.122 5m2；Δh為量測壓管之間的水頭差,m。

經試驗測得：1～4mm粗砂的滲透系數為5.96m/d，原河床天然砂的滲透系數為33.28m/d。由于對卵石和礫石來講，粒徑較大，超過了達西定律的使用范圍。在濾水層結構中其主要起到保護1～4mm粗砂不被擾動的作用，其對濾水層的滲透系數影響很小[6]。

3.3 模型試驗概況

(1) 清水試驗

經過滲管過濾后，水質濁度在2NTU以下過濾、凈水效果明顯，成果匯總如表1。

表1 滲管取水水工模型清水試驗記錄表

由表1可以看出：同種條件下，隨著來水流量的增大，滲管取水流量呈增大趨勢，這與阿拉薇娜—努美諾夫完整式滲管產水量計算公式相吻合。流量不變時，由首部至尾部，水槽內水深逐漸減小，同時，隨著流量的增大，水槽內水深呈增大趨勢，水質濁度呈降低趨勢，這一方面是由于水流沿程下滲，流量逐漸減小；另一方面是由于水槽尾部產生跌水，流速增大，水面下降。

(2) 渾水試驗

渾水試驗通過在水槽首部的攪拌池人工加砂攪拌來實現。經測定原河床天然砂厚度為60cm條件下渾水試驗要素見表2。

模擬渾水含砂量與測定原河道含砂量范圍基本一致。試驗測定滲管取水濁度均在1NTU以下，符合設計取水要求。試驗過程中發現，若濾水料中泥砂含量過高，在水流的輸移過程中將會在含水層表層形成泥膜，嚴重影響濾水料的滲透系數。因此，若水流中細顆粒泥砂(甚至淤泥)在濾層上過多的沉積,會導致表層濾層滲透系數迅速減小,甚至淤塞。這樣,整個濾層k值就會跟著減小,嚴重影響滲管產水量。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,細顆粒泥砂不會過多地落淤在濾層表面,保證k值在一個穩定的水平是十分必要的[7]。

表2 渾水試驗記錄表

(3) 模擬泉水補給試驗

試驗中用電磁流量計測量補給泉水流量，并用來水流量、渠道退水流量以及滲管取水流量與之進行校核。單獨采用泉水補給時，3根補給管流量全開時，待水量平衡后，泉水補給總流量等于滲管取水流量，流量為0.3L/s左右，說明泉水全部補給滲管。當打開其中2根或者1根補給管時，流量同樣可以完全補給滲管。當泉水與渠道來水共同的作用時，泉水補給量基本不受影響，仍為0.3L/s左右。

3.4 試驗分析

(1) 水質濁度分析

在試驗之初，滲管取水水質較差，隨時間增長，水質逐漸變好，這是由于試驗之初濾水層中含泥量較高，影響取水水質，然后逐漸被清洗干凈，水質變好，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啟之初到取水穩定，其取水濁度有一個遞減的過程，最終趨于穩定。

(2) 產水量分析

當濾水層總厚度為6m時，含水層的滲透系數為25.6m/d，根據不同水質選用α不同個取值。計算成果見表3。

表3 產水量計算表

滲管單位面積產水量超過1.5m3/(m2·h)時，水質濁度有增大趨勢，為保證水質，同時保證工程產生最大的效益，經校核計算，滲管最優的單位面積產水量確定為0.8～1.0m3/(m2·h)。

4 結 語

經過試驗和理論計算可以得出以下結論：

(1) 在取水穩定后，無論是清水還是渾水條件下，取水水質濁度均在1NTU以下，能夠達到工業用水小于3NTU要求。進入滲管的滲透水全部順暢排出,測壓管示數為零, “取水”減壓功能顯著。綜上，設計濾水層能夠滿足水質、水量要求，濾水層設計良好。

(2) 濾水管能夠維持濾水層的穩定，并不被12～36mm粒徑的濾水層堵塞，可以滿足產水量和水質的要求，因此滲管結構設計合理。

(3) 滲管單位面積的產水量為0.8～1.0m3/(m2·h),可以作為滲管的設計理論依據。

5 建 議

(1) 試驗過程中發現,12～36mm粒徑的卵石中8mm以下粒徑含量偏高,容易堵塞滲管,建議在施工過程中嚴格控制級配,防止滲管堵塞。

(2) 測定粒徑1～4mm粗砂滲透系數試驗中發現,粗砂中含泥量偏高，且經過試驗測定含泥量為5.2%,超過了允許范圍,建議施工過程中加強對粗砂的沖洗，保證正常的滲透系數；同時濾水層中泥砂含量減少，有利于縮短水質穩定的時間。

(3) 在工程選址時，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動，實現泥砂顆粒向下游輸送的條件，對維持滲管反濾層結構穩定具有重要作用，有利于工程的正常運行以及減少運行管理成本。