滲渠集水工程滲渠結(jié)構(gòu)及反濾層設(shè)計(jì)分析

袁合龍，苗 磊

(臨沂市水利工程處，山東 臨沂 276000)

0 引 言

目前，我國(guó)北方有超過(guò)80%的城市都存在水資源短缺問(wèn)題，尤其是華北地區(qū)，地下水累計(jì)超采達(dá)到1 800×108m3。山東省緊鄰華北地區(qū)，水資源緊缺問(wèn)題也很突出，在地下水超采嚴(yán)重、地表水水質(zhì)較差的背景下，選擇一種兩者兼顧的采水措施成為很多學(xué)者研究的焦點(diǎn)。滲渠集水技術(shù)是目前“傍水城市”重要的水資源攫取途徑，既不會(huì)對(duì)地下水造成過(guò)大影響，也可大大降低水質(zhì)凈化成本。

1 工程概況

臨沂市位于山東省東南部，轄區(qū)內(nèi)水系發(fā)達(dá)，10 km以上河流超過(guò)300條，主要包括沂河、沭河、中運(yùn)河、濱海四大水系，區(qū)域劃分屬淮河流域。隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化規(guī)模的不斷擴(kuò)大，工業(yè)和生活廢水排量逐年增加，目前臨沂市地表水水質(zhì)較差，凈化成本較高，將造成生活用水價(jià)格升高。因此在2017年4月，相關(guān)部門決定在臨沂市區(qū)附近設(shè)計(jì)建設(shè)一處水庫(kù)直供水源工程，為降低凈水成本，采用滲渠集水技術(shù)，預(yù)計(jì)供水能力可達(dá)8.2×104m3/d，有效緩解城區(qū)用水緊張問(wèn)題。

2 滲渠結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)分析

滲渠的基本結(jié)構(gòu)是將帶孔眼的管道埋設(shè)在水源附近，利用水的滲流及重力作用將其收集，可以利用地層來(lái)過(guò)濾一些大粒徑雜質(zhì)及重金屬離子，滲渠集取的水一般經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單消毒處理就可滿足生活飲用水的水質(zhì)要求[1]。

2.1 滲渠布置形式設(shè)計(jì)

滲渠布置形式由水文地質(zhì)條件、補(bǔ)給來(lái)源、水質(zhì)條件、供水量等因素決定，根據(jù)布置位置不同可分為3類：平行于水源、垂直于水源、平行與垂直組合[2]。

2.1.1 平行于水源布置滲渠

當(dāng)含水層厚度較小，但是河床潛流水、地下水較為充沛時(shí)，可將滲渠平行于河流布置，見(jiàn)圖1。該布置方式每個(gè)時(shí)段的供水量不會(huì)有太大變化，有利于供水持久性和穩(wěn)定性，且滲渠施工、檢修均簡(jiǎn)單，綜合建造成本較低，因此在有條件的地區(qū)推薦該布置方式。

圖1 平行于水源布置滲渠示意圖

2.1.2 垂直于水源布置滲渠

當(dāng)河床潛流水、地下水不足，且河床漫灘含水量多且透水性較好時(shí)，滲渠可采用垂直于水源布置形式，見(jiàn)圖2。該種布置方式在枯水期也能集取一定水源，但受河流水位影響較大，且施工、檢修困難，綜合成本高[3]。

圖2 垂直于水源布置滲渠示意圖

2.1.3 平行與垂直組合布置滲渠

當(dāng)所需集水量較大，單一方式無(wú)法滿足時(shí)，滲渠可采用平行與垂直組合布置形式。該形式綜合上述兩種方式的優(yōu)點(diǎn)，且產(chǎn)水量和水質(zhì)也都能滿足要求，因此是目前應(yīng)用最廣泛的布置形式。由于本項(xiàng)目設(shè)計(jì)供水量較大，因此只能采用這種布置形式，即沿著水庫(kù)邊緣和水庫(kù)底部各布置一條滲渠。

圖3 平行與垂直組合布置滲渠示意圖

2.2 滲渠結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)

滲渠工程的主要組成部分包括水平集水管(渠)、集水井、檢修井3部分，下面分類對(duì)各部分結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析[4]。

2.2.1 水平集水管(渠)設(shè)計(jì)

水平集水管(渠)是核心設(shè)施，直接決定集水量和水質(zhì)，而很多失敗工程案例關(guān)鍵問(wèn)題也是出在這個(gè)點(diǎn)，因此對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)要求很高。水平集水管主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括長(zhǎng)度、進(jìn)水孔，下面分別進(jìn)行說(shuō)明。

1) 集水管長(zhǎng)度設(shè)計(jì)。由于本項(xiàng)目集水管采用平行與垂直組合布置形式，因此長(zhǎng)度分為兩部分。集水管長(zhǎng)度主要由集水量Q決定，計(jì)算公式見(jiàn)式(1)[5]：

(1)

式中：K為反濾層滲透系數(shù)，60 m/d；L1/L2為平行/垂直布置的集水管長(zhǎng)度，m；l為集水管至水庫(kù)水邊線距離，2.0 m；R為影響半徑，5.0 m；H1為庫(kù)邊地下水位距含水層底板高度，4.0 m；H2為河水位距含水層底板高度，6.0 m；h0為集水管水位距含水層底板高度，3.8 m。

經(jīng)計(jì)算得：L1=235 m，L2=525 m。

2) 進(jìn)水孔設(shè)計(jì)。滲渠材質(zhì)一般有混凝土管、鑄鐵管、鋼管等種類，其中鋼管重量最小，且粗糙度最小，施工質(zhì)量容易控制，因此本項(xiàng)目選取厚12 mm鋼管作為最終滲渠形式。設(shè)計(jì)鋼管內(nèi)徑1.0 m，進(jìn)水孔總面積S直接影響集水量Q(m3/s)，估算公式見(jiàn)式(2)，算得S=57 m2。

(2)

式中：v為進(jìn)水孔允許流速，0.02 m/s。

進(jìn)水孔設(shè)計(jì)為條形孔，每孔面積15 cm2，共需要開(kāi)38 000個(gè)，呈條形孔梅花型布置在管道上(圖4)，具體分布角度見(jiàn)圖5，其中迎水面進(jìn)水孔分布角度57°，背水面分布角度43°[6]。

圖4 鋼管進(jìn)水孔布置示意圖(單位：mm)

圖5 進(jìn)水孔分布位置及角度示意圖

2.2.2 集水井和檢查井設(shè)計(jì)

在滲渠集水工程中，集水井的直徑和深度由集水管(渠)參數(shù)決定，一般要求集水井直接為集水管(渠)直徑1.5～2.0倍，且不得小于1.5 m。本文設(shè)計(jì)集水井直徑為2.0 m，井底低于集水管管底0.5 m，井身采用混凝土澆筑。

檢修井主要用于對(duì)滲渠進(jìn)行清理和修補(bǔ)，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)在集水管直線(每隔60 m)、端部、拐角處均設(shè)置檢修井，直徑1.2 m，材質(zhì)為混凝土澆筑。

3 反濾層設(shè)計(jì)分析

反濾層是滲渠集水技術(shù)的又一核心工程，其分層鋪設(shè)于集水管(渠)之上，起到濾土、透水作用。滲渠集水工程中,對(duì)反濾層要求有以下3點(diǎn)：①反濾層鋪設(shè)在集水管外部，粒徑由外向內(nèi)逐漸增大；②任一層顆粒決不允許穿過(guò)相鄰較粗一層孔隙，同一層顆粒也不能產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)；③各層粒料要求有很好的耐久性、抗腐蝕性，性質(zhì)不發(fā)生改變[7]。

3.1 反濾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

參照其他工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本項(xiàng)目要求，反濾層滲透系數(shù)K≥60 m/d。結(jié)合表1所示系數(shù)，設(shè)計(jì)反濾層結(jié)構(gòu)為3層礫石層，由外向內(nèi)依次為：粒徑5～20 mm礫石層50 cm；粒徑20～30 mm礫石層30 cm；粒徑30～40 mm礫石層20 cm，結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖6。

表1 反濾層滲透系數(shù)參照系數(shù)(部分)

圖6 反濾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

3.2 滲渠工程反濾層反沖洗裝置設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)總結(jié)各工程經(jīng)驗(yàn)可知，隨著滲渠集水系統(tǒng)使用時(shí)間的增長(zhǎng)，集水效果必然越來(lái)越弱，本質(zhì)原因是反濾層被水中泥沙等雜質(zhì)慢慢堵塞，其中位于最外部的礫石層為主要堵塞層。解決該問(wèn)題的根本方法首先是設(shè)計(jì)反沖洗裝置，其次是加強(qiáng)上游排污管理。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)反沖洗裝置以檢修井為分界點(diǎn)，將整個(gè)滲渠系統(tǒng)分成若干段，兩端密封牢固，在沖洗時(shí)向集水管灌水，具體要求有以下幾點(diǎn)：①反沖洗水頭范圍要求大于10 m且小于15 m；②反沖洗時(shí)間不低于30 min，要求濾層膨脹率達(dá)到10%～15%；③本項(xiàng)目規(guī)定每隔3年清洗一次，不夠該時(shí)間的以實(shí)際供水量不低于設(shè)計(jì)值的80%為標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

滲渠集水技術(shù)雖然原理簡(jiǎn)單，但對(duì)設(shè)計(jì)及施工要求較高，而且工程相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)受當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)水文條件影響較大，因此在應(yīng)用時(shí)必須詳細(xì)調(diào)查基本資料后再進(jìn)行設(shè)計(jì)論證。臨沂市該滲渠集水工程投入使用兩年以來(lái)，日供水量平均達(dá)到8.41×104m3，完全達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，冬季日供水量可達(dá)設(shè)計(jì)值的83%左右。滲渠集取的水源相對(duì)于地表水，凈化成本可降低50%以上，經(jīng)濟(jì)效益顯著。