文章编号:1006—2610(2018)06—0092—04
独石化金沟河引水工程渗渠水工试验
陆 云 才
(新疆水利水电勘测设计研究院,乌鲁木齐摇 830000)
摘摇 要:独石化金沟河引水工程通过水工模型试验验证了反滤层设计、渗管设计的合理性,并根据试验计算出渗管
单位面积的渗水量,同时针对试验过程中发现的问题提出了较好的建议,为保证渗渠水质和水量达到设计要求提
供了有力的保证。
关键词:渗渠;反滤层;渗透系数;水工试验
中图分类号:TV67;TV697. 32摇 摇 摇 摇 文献标志码:A摇 摇 摇 摇 DOI:10. 3969 / j. issn. 1006-2610. 2018. 06. 025
Hydraulic Tests on Seepage Canal of Jingou River Diversion Project
LU Yuncai
(Xinjiang Water Resources and Hydropower Investigation Design and Research Institute, Urumqi摇 830000,China)
Abstract:Through hydraulic model tests, rationality of design of the filter and seepage pipe for the Jingou River diversion project is veri鄄
fied, and seepage per unit area of the seepage pipe is calculated according to verification. Additionally, issues exposed in tests are com鄄
mented. These strongly secure water quality and quantity of the seepage canal to satisfy design requirements.
Key words:seepage canal; filter; permeability coefficient; hydraulic test
摇 摇 收稿日期:2018-02-21
摇 摇 作者简介:陆云才(1986- ),男,安徽省蚌埠市人,工程师,主要
从事水利水电工程设计工作.
1摇 工程概况
渗渠位于金沟河渠首上游约 7. 4 km 处河道内,
在规划中的红山水库回水线以上,该处河床宽阔,河
道宽约 400 m。 渗管系统布置在河道靠左岸处,由
集水支管、集水干管、闸阀井、集水井、截渗墙组成,
其中:集水支管与集水干管呈 33毅 ~ 73毅夹角斜向河
道上游布置,集水支管共 13 根,支管采用直径 900
mm 的滤水钢管,支管长 280. 77 m,支管总长 3 650
m;集水干管 1 根,采用直径 1 400 mm 的滤水钢管,
长度 1 830 m。 渗管采用钢管,由 12 mm 厚的钢板
在工厂卷焊而成,在管壁钻孔,孔径为 8 mm,孔(中
心)距 14 mm,行(中心)距 12 mm,开孔率 29% 。
渗管外部设有由外向里粒径逐渐变大的过滤层
来集取河流渗透水。 根据含水层颗粒分析资料、同
时参考已建工程成功经验,设置 3 层人工反滤料:第
1 层为 D = 1 ~ 4 mm 碎石滤料、厚 0. 2 m;第 2 层为 D
= 4 ~ 12 mm 碎石滤料、厚 0. 3 m;第 3 层为 D = 12 ~
36 mm 碎石滤料、厚 0. 3 m。 渗管开孔大样及反滤
层设计详见图 1。
2摇 试验概况
金沟河引水工程采用灵活供水的方案向独石化
引水 3 000 万 m
3
/ a,设计引水规模为 2 m
3
/ s,石化工
业对水质的要求必须低于 3 NTU。 为了保证独石化
金沟河引水工程水质和水量满足设计要求,故须通
过水工模型试验进行验证复核。
2. 1摇 试验工作任务
本工程的试验任务主要有以下 3 点:淤 验证 3
层反滤层结构设计;于 验证渗管设计的合理性;盂
在确保水质低于 3 NTU 前提下,通过试验计算出渗
管单位面积的渗水量。
2. 2摇 渗管模型试验设计
试验在长 12 m、宽 1. 0 m、高 2. 0 m 的水槽中进
行,水槽边壁为不光滑的细石混凝土抹面,内壁底层
为不透水层。 在水槽内布置 1 条完整式渗管,试验
首部设有矩形堰,用于量测来水流量;水槽前部设有
调砂池,用于调节来水含砂量,模拟浑水试验;水槽
尾部设有沉砂池,用于沉淀泥砂,防止泥砂进入地下
水库;同时试验装置末端布置三角堰,用于量测水槽
29
陆云才. 独石化金沟河引水工程渗渠水工试验
詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨
退水流量,试验装置平面布置及渗管平面示意图见 图 2、3
[1]
。
图 1摇 渗管开孔大样及反滤层设计示意图摇 摇 单位:mm
图 2摇 试验装置平面布置图
图 3摇 渗管平面示意图摇 摇 单位:mm
摇 摇 渗管坡降为 1 / 200;渗管上铺设有 3 层共 800 mm
厚人工滤水层,人工滤水层上铺设 600 mm 的原河床
砂石料:自内向外分别为 200 mm 厚、直径 12 ~ 36 mm
卵砾石;300 mm 厚、直径 4 ~ 12 mm 卵砾石;300 mm
厚、直径 1 ~4 mm 粗砂;600 mm 厚原河床砂石料
[2]
。
同时,在靠近水槽尾部、第 2 层滤水料的中间位置设
有 3 条自来水管用于模拟泉水。 根据工程实际,分别
进行清水试验、浑水试验以及泉水补给试验。
3摇 试验观测及分析
3. 1摇 滤水层设计合理性验证
滤水层的合理性采用太砂基准则进行验证,根据
掌握被保护土和料场砂砾料的颗粒级配,确定被保护
土的控制粒径、滤水层的等效粒径、不均匀系数等
[3]
。
(1) 不均匀系数(C
u
)
不均匀系数(C
u
)按下式确定:
C
u
=
d
60
d
10
(1)
式中:d
60
为滤水料粒径,小于该粒径土重占总土重
的 60% ;d
10
为滤水料粒径,小于该粒径土重占总土
重的 10% 。
本次试验中滤层各层滤料不均匀系数自上而下
分别为:第 1 层 C
u
= 8. 3,第 2 层 C
u
= 1. 6,第 3 层 C
u
= 1. 10。 试验结果表明,该滤水料颗粒级配能够满
足“过滤冶和“取水冶要求,运行效果良好。
(2) 滤水层层间系数(孜)
滤水层的功能是不允许被保护土的颗粒大量穿
过滤水层的孔隙而流失,同时阻止含水层中粒径大
于 0. 25 mm 的砂粒进入滤水层,以保证水质。
当被保护土为无黏性土,且其 C
u
臆10 时,其第
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西北水电·2018 年·第 6 期
詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨詨
1 层滤水料的颗粒级配按下式确定:
D
15
d
85
臆 4 ~ 5摇 摇 摇
D
20
d
20
逸 4 (2)
式中:D
15
为滤水料粒径,小于该粒径土重占总土重
的 15% ;D
20
为滤水料粒径,小于该粒径土重占总土
重的 20% ;d
85
为被保护土粒径,小于该粒径土重占
总土重的 85% ;d
20
为被保护土粒径,小于该粒径土
重占总土重的 20% 。
根据颗粒级配曲线图,可计算自上而下第 1 层
与第 2 层滤水层的层间系数。
“过滤净化冶:D
15
/ d
85
= 1. 04臆4 ~ 5;
“取水减压冶: D
20
/ d
20
= 4. 2逸4。
同时被保护土不均匀系数 C
u
= 3. 2,完全符合
滤层设计准则,满足“过滤冶和“减压冶要求。
把第 2 层滤水层滤料作为被保护土时,它与第
3 层滤水层的层间系数为:
“过滤冶: D
15
/ d
85
= 1. 0臆4 ~ 5
同时被保护土不均匀系数 C
u
= 1. 6,由于第 2、3
层滤层颗粒较第 1 层要大的多,其孔隙率要大得多,
其透水性要比第 1 层大的多,故只要满足“过滤冶 要
求,其“取水减压冶作用也必然能够实现,因此,可以
不考虑其“减压冶功能
[4]
。
经过模型试验,3 层滤水料能够满足“ 过滤冶、
“取水冶和 “减压冶要求,因此,滤水层设计合理
[5]
。
3. 2摇 滤水层渗透系数测定
在粒径 12 ~ 36 mm 的卵石渗透系数试验时,测
压管水头差几乎为零,说明卵石的渗透系数大,渗透
性较好;粒径 1 ~ 4 mm 粗砂的水头差较大,且流量
较小,渗透系数较小。
根据达西定律 V = k·J,利用达西渗透试验装置
进行了试验模型用滤水层渗透系数的测定试验。 由
Q = V·A,又 J =
驻h
L
,因此滤水层的渗透系数:
k =
QL
A驻h
(3)
式中:Q 为达西渗透仪流量,m
3
/ s; L 为 2 个测压孔
之间的间距(m),试验中 L = 0. 4 m;A 为试验仪过水
面积(m
2
),试验中 A = 0. 35 m伊0. 35 m = 0. 122 5 m
2
;
驻h 为量测压管之间的水头差,m。
经试验测得:1 ~ 4 mm 粗砂的渗透系数为 5. 96
m / d ,原河床天然砂的渗透系数为 33. 28 m / d。 由
于对卵石和砾石来讲,粒径较大,超过了达西定律的
使用范围。 在滤水层结构中其主要起到保护 1 ~ 4
mm 粗砂不被扰动的作用,其对滤水层的渗透系数
影响很小
[6]
。
3. 3摇 模型试验概况
(1) 清水试验
经过渗管 过滤 后,水 质浊 度 在 2 NTU 以 下 过
滤、净水效果明显,成果汇总如表 1。
表 1摇 渗管取水水工模型清水试验记录表
天 然 砂
厚 度
/ c m
来 水 流 量
/ (L· s
-1
)
渗 管 取
水 流 量
/ (L· s
-1
)
渗 管 管 内 水 深
/ c m
管 中 管 末
河 床 水 深
/ c m
首 中 末
水 质
浊 度
/ N T U
0
1 0 1 . 8 2 6 5 . 2 6 . 2 4 . 5 3 . 7 3 . 1 1 . 7 3
1 5 1 . 8 7 4 5 . 1 6 . 8 5 . 2 4 . 6 4 . 2 0 . 6 3
2 0 1 . 9 0 8 5 . 1 6 . 9 5 . 5 4 . 8 4 . 4 0 . 5 2
1 0
1 0 2 . 0 1 7 5 . 6 7 . 3 4 . 8 4 . 8 4 . 6 0 . 6 5
1 5 2 . 0 1 8 5 . 8 7 . 1 5 . 7 5 . 7 5 . 4 0 . 5 8
2 0 2 . 2 3 5 5 . 8 7 . 1 6 5 . 6 5 . 6 0 . 4 0
2 0
1 0 2 . 1 9 3 5 6 . 6 4 . 6 4 . 4 3 . 8 0 . 7 4
1 5 2 . 2 3 6 5 6 . 7 5 . 5 4 . 5 4 . 3 0 . 4 7
2 0 2 . 2 1 3 5 . 1 6 . 9 5 . 6 4 . 8 4 . 6 0 . 4 0
3 0
1 0 2 . 2 5 7 5 . 8 7 . 2 6 . 6 5 4 . 6 0 . 3 6
1 5 2 . 2 8 5 6 7 . 2 5 . 3 4 . 4 4 . 2 0 . 3 4
2 0 2 . 3 0 4 5 . 8 7 1 4 . 8 4 . 5 4 . 4 0 . 3 5
4 0
1 0 2 . 3 8 7 6 7 . 4 4 . 8 4 . 3 4 . 3 0 . 5 0
1 5 2 . 4 8 2 6 . 1 7 . 3 5 . 7 4 . 9 4 . 8 0 . 4 2
2 0 2 . 4 8 0 6 7 . 2 6 . 3 4 . 8 4 . 8 0 . 3 8
5 0
1 0 2 . 6 7 1 6 . 3 7 . 4 5 . 2 4 . 6 3 . 8 0 . 5 7
1 5 2 . 5 9 5 6 . 1 7 . 4 5 . 6 4 . 8 4 . 6 0 . 3 9
2 0 2 . 7 5 6 6 . 2 7 . 6 5 . 6 4 . 8 4 . 6 0 . 3 7
6 0
1 0 2 . 7 5 8 6 . 2 7 . 4 5 . 8 5 . 3 3 . 5 0 . 6 1
1 5 2 . 7 7 2 6 . 4 7 . 8 6 . 4 5 . 8 4 . 3 0 . 3 6
2 0 2 . 8 9 1 6 . 5 7 . 8 6 . 8 6 4 . 8 0 . 4 6
由表 1 可以看出:同种条件下,随着来水流量的
增大,渗管取水流量呈增大趋势,这与阿拉薇娜—努
美诺夫完整式渗管产水量计算公式相吻合。 流量不
变时,由首部至尾部,水槽内水深逐渐减小,同时,随
着流量的增大,水槽内水深呈增大趋势,水质浊度呈
降低趋势,这一方面是由于水流沿程下渗,流量逐渐
减小;另一方面是由于水槽尾部产生跌水,流速增
大,水面下降。
(2) 浑水试验
浑水试验通过在水槽首部的搅拌池人工加砂搅
拌来实现。 经测定原河床天然砂厚度为 60 cm 条件
下浑水试验要素见表 2。
模拟浑水含砂量与测定原河道含砂量范围基本
一致。 试验测定渗管取水浊度均在 1 NTU 以下,符
合设计取水要求。 试验过程中发现,若滤水料中泥
砂含量过高,在水流的输移过程中将会在含水层表
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陆云才. 独石化金沟河引水工程渗渠水工试验
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层形成泥膜,严重影响滤水料的渗透系数。 因此,若
水流中细颗粒泥砂(甚至淤泥) 在滤层上过多的沉
积,会导致表层滤层渗透系数迅速减小,甚至淤塞。
这样,整个滤层 k 值就会跟着减小,严重影响渗管产
水量。 所以,选择河流水力条件比较好的河段,保证
明渠水流有一定的挟砂能力,细颗粒泥砂不会过多
地落淤在滤层表面,保证 k 值在一个稳定的水平是
十分必要的
[7]
。
表 2摇 浑水试验记录表
来 水
流 量
/ (L·s
-1
)
渗 管 取
水 流 量
/ (L·s
-1
)
渗 管 内 水 深
/ c m
中 末
河 床 水 深
/ c m
首 中 末
水 质
浊 度
/ N T U
来 水 含 砂 量
首
/ (g·L
-1
)
末
/ (g·L
-1
)
来 水
浊 度
/ N T U
1 5 2 . 7 4 0 6 . 4 7 . 7 6 . 3 5 . 6 4 . 1 0 . 5 7 2 . 3 1 1 . 4 0 > 1 0 0 0
2 0 2 . 8 9 0 6 . 5 7 . 7 5 6 . 8 6 4 . 7 0 . 4 5 4 . 7 7 2 . 9 0 > 1 0 0 0
(3) 模拟泉水补给试验
试验中用电磁流量计测量补给泉水流量,并用
来水流量、渠道退水流量以及渗管取水流量与之进
行校核。 单独采用泉水补给时,3 根补给管流量全
开时,待水量平衡后,泉水补给总流量等于渗管取水
流量,流量为 0. 3 L / s 左右,说明泉水全部补给渗
管。 当打开其中 2 根或者 1 根补给管时,流量同样
可以完全补给渗管。 当泉水与渠道来水共同的作用
时,泉水补给量基本不受影响,仍为 0. 3 L / s 左右。
3. 4摇 试验分析
(1) 水质浊度分析
在试验之初,渗管取水水质较差,随时间增长,
水质逐渐变好,这是由于试验之初滤水层中含泥量
较高,影响取水水质,然后逐渐被清洗干净,水质变
好,因此工程之初的滤水层清洗尤为重要
[8]
。 另外
渗管取水自渗管闸阀开启之初到取水稳定,其取水
浊度有一个递减的过程,最终趋于稳定。
(2) 产水量分析
当滤水层总厚度为 6 m 时,含水层的渗透系数
为 25. 6 m / d,根据不同水质选用 琢 不同个取值。 计
算成果见表 3。
表 3摇 产水量计算表
浑水条件
产水量
/ (m
3
·s
-1
)
Q
支
Q
干
渗管单位面积产水量
/ [m
3
·( m
2
·h)
-1
]
Q
支
Q
干
中度浑浊河水 4. 81 1. 85 1. 68 1. 26
浑浊河水 2. 41 0. 92 0. 84 0. 63
渗管单位面积产水量超过 1. 5 m
3
/ (m
2
·h)时,
水质浊度有增大趋势,为保证水质,同时保证工程产
生最大的效益,经校核计算,渗管最优的单位面积产
水量确定为 0. 8 ~ 1. 0 m
3
/ (m
2
·h)。
4摇 结摇 语
经过试验和理论计算可以得出以下结论:
(1) 在取水稳定后,无论是清水还是浑水条件
下,取水水质浊度均在 1 NTU 以下,能够达到工业
用水小于 3 NTU 要求。 进入渗管的渗透水全部顺
畅排出,测压管示数为零, “ 取水冶 减压功能显著。
综上,设计滤水层能够满足水质、水量要求,滤水层
设计良好。
(2) 滤水管能够维持滤水层的稳定,并不被 12
~ 36 mm 粒径的滤水层堵塞,可以满足产水量和水
质的要求,因此渗管结构设计合理。
(3) 渗 管 单 位 面 积 的 产 水 量 为 0. 8 ~ 1. 0
m
3
/ (m
2
·h),可以作为渗管的设计理论依据。
5摇 建摇 议
(1) 试验过程中发现,12 ~ 36 mm 粒径的卵石
中 8 mm 以下粒径含量偏高,容易堵塞渗管,建议在
施工过程中严格控制级配,防止渗管堵塞。
(2) 测定粒径 1 ~ 4 mm 粗砂渗透系数试验中
发现,粗砂中含泥量偏高,且经过试验测定含泥量为
5. 2% ,超过了允许范围,建议施工过程中加强对粗
砂的冲洗,保证正常的渗透系数;同时滤水层中泥砂
含量减少,有利于缩短水质稳定的时间。
(3) 在工程选址时,保证河道水流具有一定的
流速,满足明渠水流含砂颗粒推移运动,实现泥砂颗
粒向下游输送的条件,对维持渗管反滤层结构稳定
具有重要作用,有利于工程的正常运行以及减少运
行管理成本。
参考文献:
[1]摇 刘持峰,刘焕芳,程琨,等. 渗管长度对渗渠产水量的影响[ J].
人民黄河,2008,39(02):30-32.
[2]摇 刘焕芳,程琨,吕宏兴. 渗渠取水长度变化过程分析[ J]. 西北
农林科技大学学报,2007,35(08):211-216.
[3]摇 阁士勤,牛富敏,翟建,等. 中条山供水工程渗渠设计研究[ J].
人民黄河,2001,23(04):13-14.
[4]摇 程琨,刘焕芳,吕宏兴,等. 渗渠取水量变化过程初步分析[ J].
中国农村水利水电,2007,39(08):39-44.
[5]摇 康华刚. 渗渠取水工程的计算与设计[ J]. 铁道劳动安全卫生
与环保,2007,34(03):120-127.
[6]摇 邓方霞. 渗 渠 取水 的 建 议 与 计 算 [ J]. 甘 肃 水 利水 电 技 术,
2002,38(01):36-38.
[7]摇 刘持峰,刘焕芳,程琨,等. 河床床面冲淤变化对渗渠产水量的
影响[J] . 水资源与水工程学报,2007,18(03):10-13.
[8]摇 时伯华,王惠. 渗管在临沂引水工程中的应用[ J]. 水利水电科
技进展,2000,20(05):58-59.
59
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