新疆某滲濾取水工程反濾層設計要點分析

雪力卡提·阿里木

(新疆蘇齊農業節水規劃設計研究院(有限公司)，新疆 烏魯木齊 830049)

新疆自治區是典型的內陸干旱型氣候，水資源缺乏且分布不均，加上農業灌溉所需水資源量巨大，導致近幾年新疆自治區水資源缺口越來越大。據統計：到2030年全疆用水缺口將達到7.3億m3，屆時會嚴重阻礙當地經濟社會發展。新疆地區有多條山溪性河流，很多河流河床沖積層厚度小、顆粒粗，且蘊含潛水流，是理想的滲濾取水場地。人工反濾層對防止取水系統堵塞，保證其正常運轉有著重要作用，因此要做好相關設計工作。

1 工程概況

新疆某滲濾取水工程源頭為某水庫庫區，終點為自來水廠，輸水線路總長度約為9.8km，工程管線全部埋設地下，設計取水量為1.0×104m3/d，水源地總面積約為1.5×106m2。本滲濾取水工程主要建筑物包括：1座集水井，3條輸水平巷，6個集水硐室，2條滲渠組成(布置示意圖如圖1所示)。這些建筑物的主要參數見表1。

表1 滲濾取水工程建筑主要參數

圖1 滲濾取水工程布置示意圖

2 滲濾取水工藝流程分析

2.1 滲濾取水工程結構原理

滲濾取水工程主要由滲濾孔群、反沖系統、水量控制系統、匯水硐室、江底輸水巷道和地面泵站組成。通過在集水豎井中抽水，產生水位降深，由于壓力傳導作用，河水位與豎井位之間產生壓力差，在河床底部砂卵石層內形成低壓區，誘使河水下滲，穿過濾床表層濾膜、砂卵石層和特制過濾器后進入匯水洞室和井巷[1]。該系統流程圖和結構圖分別如圖2—3所示。

圖2 滲濾取水工藝流程圖

圖3 滲濾取水工程立體結構圖

2.2 滲濾取水工程適用條件及特點

(1)適用條件。綜合分析，滲濾取水工程適用條件主要包括以下3個：①河流流速v≥0.05m/s；②砂卵石濾床厚度范圍在3～30m；③砂卵石層下覆巖層較完整，工程地質情況良好[2]。

(2)主要特點。①水質優：取水區位于江河中心地段，流速較大，水質較岸邊好。河水入滲透床泥膜、砂卵石層將產生一系列物理、化學和生物凈化作用，過濾后水質綜合指標一般可達到國家生活用水衛生標準。②水量大：濾床取水面積和表層水頭壓力是決定取水量的重要因素。滲濾取水系統可通過輸水巷道延伸和反向滲濾孔群來增大取水面積和水頭壓力，取水量較傳統傍河地下取水方式有了本質的提高，單井日取水量可達5～10萬t[3]。③運行服務期長：取水過程中砂卵石濾床中水流速遠小于江河流速，可保持地下潛流水自然平衡滲流狀態。在水流沖刷下砂卵石濾床表面沉積細顆粒物被置換，不易形成堵塞，所以正常情況下滲濾水廠服務期可達20a以上。④維護方便：通過地面對井內滲濾孔群產水量的自動控制系統，使豎井中水位快速降至輸水巷道以下，便于人和機具設備直接進入井、巷道和硐室，維護、檢修較為方便。

3 滲濾取水工程反濾層設計要點分析

本項目滲濾取水工程采用滲渠作為集水管，由于本取水工程主要為居民提供生活用水，因此對水質要求較高，設計在集水管上鋪設人工反濾層，其作用有2個：①防止上層土顆粒進入反濾層，引起反濾層堵塞；②使進入反濾層的滲流壓力消失，能夠通暢排走，維持滲流穩定[4]。

3.1 反濾層不均勻系數的確定

反濾層的不均勻系數(Cu)是指濾料中顆粒粒徑的比例關系，是反映顆粒組成的重要指標，計算見式(1)。為驗證最佳不均勻系數，在此參照其他工程及試驗，共設計了2種反濾層(均分為3層)：①第一層Cu=3.2，第二層Cu=1.8，第三層Cu=1.4；②第一層Cu=2.7，第二層Cu=3.2，第三層Cu=1.8。這2種反濾層的厚度—滲透系數關系曲線如圖4—5所示[5]。

(1)

式中，d60—小于該粒徑土重占總重的60%；d10—小于該粒徑土重占總重的10%。

圖4 第一種反濾層厚度—滲透系數關系

圖5 第二種反濾層厚度—滲透系數關系

由圖4—5可知：①隨著反濾層厚度的減少，其滲透系數在增加，但增加幅度急劇減小；②2種反濾層的滲透系數差別巨大，將近100倍，說明第二種反濾層出現了堵塞情況。滲透系數并不是越大越好，因為滲透系數越大，水質質量也會越差。所以綜合考慮本項目滲透取水量和取水水質，確定第一種反濾層作為本項目的最終施工方案[6]。

3.2 反濾層結構設計

本項目的人工反濾層主要由砂石層構成，要求其結構同時滿足以下幾個要求：①上覆土層不會滲透到反濾層中；②人工反濾層每個分層內的顆粒不得發生移動，即主體骨架穩定；③反濾層的砂礫料性能穩定，耐久性好；④砂礫料應為無黏性顆粒，不得發生堵塞[7]。

(1)反濾層控制粒徑。反濾層控制粒徑dk是指控制上層土體被破壞的粒徑值。本項目采用的砂礫料無黏性土反濾層，所以dk按照式(2)計算。本項目通過試驗確定了各類土控制粒徑細粒區分粒徑，詳見表2，本項目反濾層粒徑級數少(3個)，Cu<5，細粒區分粒徑為全體土料[8]。

(2)

表2 各類土控制粒徑細粒區分粒徑

圖6 人工反濾層結構示意圖(單位：mm)

(2)結構分層。為確定人工反濾層的最佳厚度，本項目通過試驗手段將人工反濾層共設計了3層，從上至下依次為：0.5～1.0mm細砂(250mm)、1～5mm粗砂(200mm)、10～20mm礫石(300mm)，結構如圖6所示，3種濾料具體級配曲線如圖7所示[9]。

圖7 3種濾料具體級配曲線

參照以上級配曲線，在該人工反濾層結構下，其濾土凈化和排水減壓均滿足相關要求，說明人工反濾層結構設計是合理的[10]。

4 結語

滲濾取水工程是對河流潛水流的充分利用，只要不打破地下潛水流平衡，可謂是可持續發展的取水工程。滲濾層對水質、水量均有著直接影響，本項目設置人工反濾層后，水質直接達到了國家生活飲用水標準，水量也達到了設計值。反濾層設計要緊密結合工程上覆土層的顆粒性質，不得直接參照其他工程，可能會造成反濾層堵塞，大大影響取水量。