球型防滲逆止閥在北疆某大型渠道排水系統中的應用

郝 毅，李曉慶

(1.新疆農業大學，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆水利水電學校，新疆 烏魯木齊 830013)

0 前 言

北疆大型渠道停水期往往在秋后，晝夜溫差大，在運行過程中通過防滲體滲入渠基的水分不僅會造成水量損失，若不能及時排出，反而可能使渠基土處于水飽和狀態，極易引起凍脹、鹽脹、滲透等多種破壞，對渠道造成極大的安全隱患，產生高額的維修保養費用。設置排水系統是降低渠道滲漏造成破壞的有效措施之一。而利用渠道內與渠基地下水位波動實現單向排水功能的逆止閥組成的排水系統，能夠在渠道運行期阻止向渠道基礎入滲，在渠道停水期將渠基入滲水體單向排入渠道內，可以有效降低渠基地下水位，降低渠道因滲漏造成的破壞。

1 球型防滲逆止閥結構及原理試驗

ND150球型防滲逆止閥主要由閥蓋、閥體和防滲膠球三部分組成。閥體直徑150 mm，長度265 mm。工作壓力：0.25 MPa，開啟水頭宜為2～5 cm，10 cm水頭內達到2 000 mL/s流量。關閉(密封)壓力：10～30 mm；泄漏率≤0.01%。溫度：-20℃～50℃。逆止閥閥體、閥蓋為塑料材質，防滲膠球為橡膠材質。

逆止閥安裝完畢后，兩側分別是渠道襯砌內水體和渠道基礎地下水水體。逆止閥通過重力、浮力和渠道內外水頭差，控制橡膠球的上下移動自動調節，實現單向排水。逆止閥會因渠道基礎地下水位和渠道內水位的變化而開啟或關閉，分成兩種工況，一種是開啟狀態工況，一種是關閉狀態工況。具體結構如圖1，密封膠球實線位置為關閉狀態，虛線位置為開啟狀態。

圖1 球型防滲逆止閥結構示意圖

開啟狀態：渠道基礎地下水水位高于渠道內部水位，密封膠球被頂起，地下水通過閥體流入渠道內，從而降低渠道基礎地下水水位。

關閉狀態：渠道基礎地下水水位低于渠道內部水位，密封膠球將進水口堵住，渠道內的水不可外滲。

2 球型防滲逆止閥工作狀況模擬試驗

2.1 試驗裝置

主要由以下六部分組成：①高壓水箱；②地下水位模擬池；③逆止閥；④渠道水位模擬池；⑤花墻；⑥直角三角測流堰。系統布置見圖2。

圖2 逆止閥測試系統布置圖

測量儀器：測壓管(或壓力表)、量筒(或臺秤)、秒表等。

2.2 試驗方法與量測手段

高壓水箱、地下水位模擬池、逆止閥、渠道水位模擬池、花墻、直角三角測流堰依次連接。高壓水箱用于為地下水位模擬池提供用水，模擬渠道基礎中的地下水，通過供水管與地下水位模擬池連接。地下水位模擬池可實現 60 cm 范圍內水位的自由升降，用于模擬地下水位的水頭條件，并用測壓管讀取水位變化數據。地下水位模擬池通過逆止閥與渠道水位模擬池相連。逆止閥須確保密封，連接地下水位模擬池和渠道水位模擬池。渠道水位模擬池亦可實現 60 cm 范圍內水位的自由升降，用于模擬渠道水位水頭條件，并用測壓管讀取水位變化數據。出水通過花墻整流后流向直角三角測流堰。直角三角測流堰測量過流流量。公式為：

Q=1.343H2.47

式中，Q為流量，m3/s,H為堰上水頭，m。

設備安裝好后，測試裝置可模擬渠道內水位的變化和地下水位的變化，水頭差數值由兩個模擬池測壓管獲得，根據不同水頭差測定逆止閥的止水性能、排水性能和排水流量，流量由直角三角測流堰計算得出。

2.3 試驗數據

開啟狀態工況：地下水位模擬池水位高于渠道水位模擬池，當水位差達到10 mm時，逆止閥開啟。流量與水頭的關系如圖3所示。

圖3 逆止閥流量與水頭關系圖

關閉狀態工況：地下水位模擬池水位低于渠道水位模擬池，逆止閥鎖死關閉，流量為0 mL/s。

2.4 試驗結果與分析

試驗測定結果：①地下水位模擬池水位低于渠道水位模擬池時，逆止閥立刻關閉，流量為0 ml/s，泄漏率≤0.01%；②地下水位模擬池水位高于渠道水位模擬池，當水位差達到10 mm時，逆止閥開啟，開啟水頭為10 mm；③在開啟狀態工況下，逆止閥流量隨水頭差增加而增加，數據分布規律近似線性關系分布。

試驗結果的實際應用：在渠道排水系統應用中，逆止閥開啟水頭的取值應取逆止閥本身所能達到的最小值，使逆止閥可以及時關閉或開啟。結合渠道水頭分布特點，通過滲流計算分析得出，逆止閥的布置參數，包括規格、排距、間距等。

3 球型防滲逆止閥在渠道排水系統的應用

3.1 渠道概況

北疆某干渠為跨流域調水工程，總長217 km，渠道為弧形底梯形斷面，頂寬23m，坡比1:1.75。渠道設計流量55 m3/s，加大流量60 m3/s，該渠道主要破壞形式為凍脹、鹽脹和膨脹巖土，究其原因都是滲漏引起，將逆止閥應用到渠道排水系統中，有益于避免渠道滲透造成的破壞，是上佳選擇。

3.2 球形防滲逆止閥在干渠排水系統的應用

球形防滲逆止閥在干渠排水系統中沿著軸線，在渠底和渠坡指定位置平行分布。逆止閥沿著渠道底部縱向排水每隔100m布置一個，通過三通管連接底部縱向排水體，同時在渠坡指定位置，沿渠道縱向每隔100 m布置一個，與渠道底部布置的逆止閥縱向間隔50 m，并設橫向排水花管插入渠底縱向排水體中，組成逆止排水系統。如圖4所示。

圖4 逆止閥布置示意圖

3.3 球形防滲逆止閥在干渠排水系統的應用效果

在渠道運行時，經觀測發現，逆止閥由于閥體兩側壓差，可實現自動調節單向排水，與渠道其他排水形式結合，形成逆止排水系統，有效控制基礎滲水。渠道一個運行期結束后，在停水期觀測，逆止閥由于泥沙淤積運行異常。相對逆止閥使用前，渠道襯砌板斷裂明顯減少，未發生渠道坡面大面積滑移、渠壁塌陷變形、堤頂縱向裂縫、局部填方段出現嚴重滲漏甚至管涌等危害。逆止閥的排水能力得到肯定。

4 結 論

渠道是北疆地域主要的輸水形式。由逆止閥組成的排水系統在北疆地域渠道運行維護中具有極大的應用價值。將逆止閥應用到渠道的排水系統中，根據渠道運行水位變化自動調節工作狀態，阻止水體向外滲漏，提高渠道襯砌抗浮穩定，有效排除基礎中入滲的水體，明顯改善了因渠道滲漏造成的破壞，大幅降低了渠道維護保養費用。然而，逆止閥在具體應用過程中也存在耐久性和抗淤堵性不夠的問題，影響其在工程中正常發揮作用，待進一步研究改進。

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