金溝河引水工程滲管反濾料滲透特性試驗研究

劉宇亮

(新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

1 試驗背景

獨石化從2005年起開始調研分析周邊河流向獨山子調水的可行性，通過前期論證，認為從金溝河向獨石化調水是可行的。2010年5月下發的新水辦政資【2010】14號文，基本同意在金溝河50%頻率來水條件下向獨石化供水3000萬m3，在75%頻率來水條件下向獨石化供水2000萬m3，并同意論證報告所提出的在紅山頭引水樞紐以上7.1km處采取埋滲管方式取水[1]。埋滲管取水是將滲管埋設于河床或河漫灘以下設計深度，并在滲管上部加鋪人工反濾層，天然河水經滲濾處理后，便可得到河流垂直滲透水量。埋滲管取水工程中反濾層是較為重要的部分，其濾料的透水性能對滲管取水能力有直接影響，濾土則決定著滲管取水的質量。獨石化金溝河引水工程通過在河床下埋滲管取水的方式進行供水不給，滲管反濾料的作用更為凸顯，為保證濾料充分發揮過濾和排水的作用，必須進行反濾料和天然河床粗粒土綜合滲透特性試驗，測定天然河床料及各層反濾料的滲透系數及綜合滲透系數；同種反濾層在清水和渾水情況下，滲水量進行對比研究，驗算設計參數，充分掌握反濾料的滲透性能，以綜合判斷埋滲管取水方案是否切實可行，并為取水工程設計提供建議。

2 試驗方案設計

2.1 試驗裝置

埋滲管取水反濾層設計主要包括層厚和層數兩個方面，層厚主要基于反濾料級配、粒徑等參數綜合確定，層數主要依據滲管取水質量確定。按照獨石化金溝河引水工程設計資料，滲管取水反濾層為5層，上面為細料，下面為粗料，天然河床料鋪設在表層主要對滲水進行初級過濾，反濾料層厚均按500mm設計。在試驗階段，根據相關設計制作出滲透試驗裝置，以進行反濾層滲透系數測定以及水流滲透過程和渾水情況下反濾層過濾泥沙過程的觀測。試驗裝置采用有機玻璃并按長×寬×高為40cm×40cm×120cm的尺寸制作，按照模型尺寸，以反濾料實際鋪設厚度1:2.5的比例進行試驗，由下至上鋪設反濾料，第1層-第4層反濾料粒徑分別按40-80mm、20-40mm、5-20mm及1-5mm設計，最表層鋪設天然河床料，并將測壓管設置在各濾料層間，濾管埋設于第1層反濾層下方，從上往下滲流。試驗裝置中濾料裝滿后滲透面積可達150cm2，四層反濾料滲徑均按200mm設計。

為驗證試驗材料的代表性，按照本次引水工程設計技術要求在項目區附近選取3組河床料，設計中選用的4層濾料滲透系數依次為1-5mm 濾料滲透系數1.04×10-2cm/s；5-20mm濾料滲透系數5.69×10-1cm/s；20-40mm濾料滲透系數5.06×10-1cm/s；40-80mm濾料滲透系數1.08×10-1cm/s，反濾層滲透系數滿足濾料設計中透水要求。根據《土工試驗規程》的要求進行顆粒篩分試驗，河床濾料顆粒篩分曲線，見圖1。試驗結果表明，河床料曲率系數為2.5，不均勻系數為38.9，級配良好，濾料含泥量0.38%，>60mm粒徑的河床料含量9.4%，60-2mm粒徑的濾料含量70.1%，2-0.075mm粒徑的濾料含量20.3%，<0.075mm粒徑的濾料含量0.2%，粒料級配良好[2]。

圖1 河床濾料顆粒篩分曲線

2.2 試驗方案

獨石化金溝河引水工程滲管反濾料滲透特性試驗共包括清水、渾水2種工況，清水選擇工程區自來水，渾水則根據工程區所在流域多年洪水懸移質情況配置。水流從試驗裝置上方按設計流速注入，待濾料充分飽和、滲管出水量穩定后進行進出口水頭、滲管出水量、測管水頭等試驗數據的記錄，并采用達西公式進行各層濾料滲透系數量化計算，根據試驗結果進行反濾料滲透特性及埋滲管取水方案合理性的評價。

2.3試驗內容與過程

本次滲管反濾料滲透特性試驗內容主要包括以下方面：①天然河床料的篩分，提供室內試驗模型料；②天然河床料的滲透試驗，計算天然河床料的滲透系數；③測定4種反濾料的滲透系數和綜合滲透系數；④對設計的反濾層分別進行清水和渾水情況下滲水量的對比研究，以及渾水試驗下泥膜厚度與滲透系數的關系研究。

清水試驗下滲管中出水主要為清水，反濾料性能并未表現出明顯的變化，5次滲水試驗后僅表現為測管水頭與出水量的略微減小；渾水試驗下滲管出水仍略有渾濁，且在各層反濾料表層均形成一層薄泥膜，隨滲水時間的延長泥膜厚度逐漸增加，而且少部分泥土會被持續水流帶入濾料內，測管水頭與出水量也持續下降。

3 試驗結果及分析

3.1 清水試驗

從試驗裝置上端按設計流速注入清水，待反濾層充分飽和過濾且出水，共進行5次試驗，按設計時間間隔進行測量管出水口水頭、各層反濾料測壓管水頭的測量和記錄，并根據所取得的試驗數據計算各反濾層濾料滲透系數及總濾料綜合滲透系數，公式如下：

(1)

式中：ky為垂直于反濾層的土層滲透系數均值；H為總濾料水位差，m；H1、H2、…、Hn為各層濾料水位差，m；k1、k2、…、kn為各層濾料滲透系數。

將本工程反濾料滲透特性清水試驗各項參數帶入式(1)所得各反濾層濾料滲透系數結果詳見下表。根據表中試驗及計算結果可知，在所進行的5次試驗中，各層濾料滲透系數的變化存在一定規律性，其隨濾料孔隙率的增大而增大，隨試驗持續時間的延長而減小，主要原因在于在水的滲透下表層河床料中粒徑1mm以下的細顆粒逐漸下滲至下層濾料，導致下層濾料孔隙堵塞，下層濾料滲透系數及總濾料層綜合滲透系數逐漸減小[2]，清水試驗各反濾層濾料滲透系數，見表1。

表1 清水試驗各反濾層濾料滲透系數

從反濾料清水滲透試驗結果可以看出由于河床料缺乏1-2mm粒徑組，在滲水過程中，有明顯的細料(1mm以下)下沉現象，部分細料沉積在1-5mm濾料表層，造成河床料滲透系數有所下降。

3.2 渾水試驗

渾水試驗中注入試驗裝置的是所配置的渾水，其余試驗方法與清水試驗相同。渾水配置主要依據金溝河流域6月份洪水期內洪水懸移質年平均含量(也即小于某粒徑的沙重占比)，金溝河流域6月份洪水期內洪水懸移質年平均含量統計表，見表2。

表2 金溝河流域6月份洪水期內洪水懸移質年平均含量統計表 %

渾水試驗所測得的各反濾層泥膜厚度及滲透系數結果見表3，根據試驗發現，滲流出水量及各反濾層測壓管水頭并不穩定，比清水試驗下降幅度大，且為獲得各反濾層所形成的泥膜淤積厚度對滲管取水影響的相關數據，延長并增加了試驗時間和次數。

表3 渾水試驗各反濾層泥膜厚度及滲透系數結果

通過渾水試驗結果可知，各層反濾料滲透系數明顯比清水試驗小，且天然河床料滲透系數受泥膜淤積厚度影響較大，反映出天然河床料對渾水中泥土具有較大的過濾作用；滲管出水量大，表明反濾料排水效果良好，但出水口出水較為渾濁，說明第4層反濾層顆粒粒徑較大，導致粒徑<1mm細顆粒透過了反濾層，過濾效果略差。

對于滲透系數較大的反濾層，渾水過濾導致其出現部分淤塞和滲透系數的大幅下降，主要原因在于此類反濾層濾土能力小，排水能力強，進入其中的細顆粒泥沙部分隨水流滲透過程排出，其余部分則吸附在反濾層砂石表層，改變反濾層結構并降低其滲透系數。

對于滲透系數較小的反濾層其濾土能力強而排水能力弱，渾水中細顆粒泥沙被過濾在反濾層表層并形成透水能力較弱的泥膜，隨著泥膜厚度的增加，滲透系數減小；進入反濾層內的細顆粒吸附能力增強，排水能力弱化，導致反濾層內孔隙減小，滲透系數降低。

從反濾料渾水試驗可以看出，河床料滲透系數隨淤落厚度的增加下降明顯，有少量泥土透過反濾層，使濾料滲透系數下降，但不明顯。從出流情況看，水質濁度偏小，基本可以滿足用水要求。

4 結 論

根據文章所進行的獨石化金溝河引水工程滲管反濾料滲透特性試驗結果可以看出，工程所選擇的濾料雖考慮了透水性要求，但濾土效果不好，建議減小表層1-5mm濾料的粒徑或增加一層反濾料，增加濾土效果。此外，引水工程濾管反濾料設計可以考慮采用混合反濾料，將河床料剔除粗料后，將5mm以上顆粒作為濾料，5mm以下顆粒作為保護料，使混合濾料具有一定自反濾性，表層鋪設一層粗砂，落淤后每年推掉重新鋪設，這樣既可以節約資金又可以延長反濾料的壽命。