闹德海水库除险加固期供水探析

岳家庚，李娜伟

（辽宁省闹得海水库管理局，辽宁阜新 123000）

1 水库工程概况

闹德海水库位干柳河上游，辽宁省彰武县满堂红乡，始建于1938年，于1942年建成。其间经过1965年加固，1970年改建以及1991年至1994年的消险加固工程。原设计为防洪滞沙水库，目前已经成为具有防洪滞沙、城市工业与生活供水、农田灌溉等综合作用的大（Ⅱ）型水库，是柳河上唯一已建大型控制性工程。

闹德海水库为河道型水库，柳河为多泥沙河流，施工期间河道来水浊度均大于500 NTU，无法满足自来水处理厂要求的水质标准。根据省水利水电勘测设计院提供的2008年大坝除险加固施工期坝前渗管取水供水方案，从坝前修筑的施工围堰里取水，供给阜新市用水，为水库除险加固期间满足阜新市工农业用水需要提供技术支持。

2 实验内容

根据闹德海水库流域的自然地理环境，以及除险加固工程的计划安排，针对施工期间供水存在的问题，开展有针对性的试验研究：

1）土工滤布的性能试验：采用土工布代替天然的砂砾石反滤层，选取不同规格的土工滤布进行土工滤布的性能试验。经检测，200～500 g/m2短纤针刺非织造土工布性能指标均符合标准。

2）土工滤布室内滤水效果试验：选取不同规格的滤布进行室内滤水试验，根据实验结果确定室外原型试验方案。

3）室外模拟原型试验：模拟施工期渗流取水方案，进行室外原型观测试验，通过对过滤前后的浊度、流量进行对比分析，寻找合理、可行的取水方案。

3 野外模拟原型试验

3.1 试验场布置

闹德海水库库区水量及泥沙主要受扣河子和养畜牧河二条支流影响。石门子水文站位于扣河上，距闹德海水库20 km左右，三家子水文站位于养畜牧河上，距闹德海水库15 km。扣河现有流量1.0 m3/s左右，养畜牧河现有流量1.6 m3/s左右。扣河属季节性河流，汛期过后基本断流，养畜牧河除汛期河水流量较大外，平时流量基本能达到1.0 m3/s。试验场地的试验条件不能完全反映明年闹德海水库施工期坝前渗管取水时的实际条件，水头、流量、泥沙含量均不一样。此次试验地点只能根据实际情况进行筛选，经过多方案比较后选在养畜牧河上的三家子水文站附近进行试验。

三家子水文站位于内蒙古自治区库伦旗境内，是辽宁省仅有的两个跨省水文站之一，测验河段顺直长度约650 m，枯水形成分流，水流左右摆动不定，洪水时流心居中，比降大，水流急，最大水面宽为90 m。两侧为沙土陡岸，洪水时有严重塌岸现象，河床为细沙，洪水时涨冲落淤，冲淤变化剧烈。基本水尺断面上游67 m处有小堰堤一座。利用该堰堤水流汇集并加固后进行滤水试验。

3.2 围堰设计及施工

3.2.1 围堰设计

围堰设计采用编织袋装砂土垒砌，为控制河道来水的水量，预留10 m宽的溢流出口，溢流出口两侧及底部采用400 g/m2复合土工膜和200 g/m2的土工布进行包裹以防止冲刷，围堰设计标准断面如图1所示。预埋6根φ300 mm的铁管以便和坝前的滤水管连接，铁管间距1 m。围堰顶高程超出铁管顶部60 cm左右。

3.2.2 围堰施工

根据三家子水文站提供的资料，试验场上游的拦砂堰堰顶高程为211.0 m。经过测量，把高程引到试验场地附近做好标记，并用本桩作为基点（207.335 m）。测量溢流堰拦河坝的轴线高程。

近期水文数据显示，现河道流量基本在1.3～3.0 m3/s，已基本保持平稳水量，在没有新的降雨情况下，这个时期应该不会有较大的波动。自2007年9月15日开始修筑围堰，9月20日完成围堰工程施工，历时6 d，动用84人工工日，编织袋5200条，铁线30 kg，本桩10根，φ200钢管20根。

图1 围堰设计标准断面图

围堰施工完成后即开始安装塑料滤水管进行取水试验。

3.3 试验过程及表征

2007年9月21日开始进行现场滤水试验。滤水管平面布置示意图如图2所示。

图2 滤水管平面布置示意图

5号过滤管：长度10 m，外包土工布规格500 g/m2的土工布；2号过滤管：长度10 m，外包土工布规格300 g/m2的土工布；3号过滤管：长度10 m，外包土工布规格500 g/m2的涤纶滤布。塑料滤水管外包土工布采用缝包机封扎，两根滤水管连接采用同规格的外包滤布进行包裹并用细铁线捆扎好。

围堰修筑完成后，将两根5 m长的塑料滤水管在地面上连接好，一起放入水中，同已铺设好的钢管在水中进行对接，同时用土工布包裹好连接部位以免漏水影响试验结果。在安装滤水管进行滤水试验中出现如下表征：

1）试验开始时塑料滤水管全部都能淹没在水中，但经过25～40 min滤水后，塑料滤水管又全部漂浮于水面。分析产生这种现象的原因主要是泥沙颗粒比较细，土工布的特征孔径一般在0.07～0.2 mm之间，室内试验测得的土工布特征孔径大约为0.11 mm，而柳河河水中的泥沙含量比较细，2005和2006年两年泥沙颗粒分析结果表明，小于0.062 mm的颗粒占80%左右，细小的颗粒极易穿透土工布，由于土工布为无纺短纤，细小的泥沙颗粒非常容易聚集在土工布里面，随着渗流时间延长，细颗粒越聚越多最后产生淤堵。塑料滤水管内部的水通过与其相连接的钢管排出去，而沉没在水中的塑料滤水管由于土工布已被淤堵，在土工布的表面形成一层泥饼，河里的水无法再通过滤布进入到塑料滤水管中。由于浮力的作用导致塑料滤水管产生漂浮现象。当塑料滤水管出现漂浮现象后，采取压土袋当作配重将滤水管沉于水中继续进行试验。

2）45 min后3种不同规格的土工布或滤布表面都有非常明显的淤泥层，形成一层泥饼。随着试验时间的加长，泥饼的厚度也在不断地增加。24 h后在5号过滤管（外包土工布规格500 g/m2的土工布）、2号过滤管（外包土工布规格300 g/m2的土工布）和3号过滤管（外包滤布规格500 g/m2的涤纶滤布）的表面形成的泥饼厚度在3～5 mm之间。试验时5号塑料滤水管滤水时的流量和浊度测试结果见表1，滤布淤泥层厚度观测记录见表2。

表1 5号过滤管（外包土工布规格500 g/m2）流量、浊度记录表

表2 滤布淤泥层厚度观测记录表

3.4 试验结果分析

土工织物过滤是一个很复杂的发展过程，水流的水力坡降和方向等因素都对土工织物的过滤特性有影响。现场流量、浊度测试结果表明：随着试验时间的增加，滤水水质效果也将增加，浊度变化非常明显；但滤水流量随着时间增加逐步减小，滤水水质效果与滤水流量成反比例关系。随着时间的增加，过滤体的渗透系数有所下降是一种较为普遍的现象，关键在于能否稳定下来，渗透系数能否满足工程渗水量的要求。根据试验数据分析结果，各种土工布滤层渗透系数随时间而持续下降，由于曲线没有稳定的趋势，可以判断最终将出现淤堵现象，当滤水流量减小到原流量的10%以下时淤堵现象非常明显。土工滤布单位面积质量越大，过滤效果越好，但淤堵现象越严重。

产生淤堵机理的原因：土工织物中孔道被堵塞，过水面积减小，渗透性能下降的现象称淤堵。此次原型观测试验形成淤堵的原因均为机械淤堵。机械淤堵是土体中的细颗粒随水流进入土工织物空隙中，并停留在其中，随时间增长，停留的细颗粒愈来愈多，织物的透水性愈来愈小。

根据三家子水文站2005年和2006年闹德海水库上游泥沙入库悬移质颗粒分析结果，悬移质颗粒特征粒径d95为 0.093 mm，d90为 0.079 mm，d60为 0.031 mm，d50为0.017 mm ，d15为 0.004 mm，d10为 0.003 mm，Cu 为 10.3。土工滤布特征孔径O90见表3。

表3 土工滤布特征孔径统计表

土工织物作为滤层要考虑土工织物的保土准则和淤堵准则等问题，进行反滤计算的公式很多，但关于利用土工织物进行滤水的公式却没有。

保土性准则参考《土工合成材料与堤坝渗流控制》介绍的半经验半理论的保土性Giroud准则进行计算：对于针刺型土工织物，当 Cu＞3 时，O95＜9d50/Cu，O95＝0.015 mm，O90≈0.85O95＝0.013 mm；试验测短纤针刺非织造土工布特征孔径O90在0.07～0.17 mm之间，均大于通过公式计算要求的孔径。

防堵性准则参考《堤防工程土工合成材料应用技术》的公式进行计算，以土工织物的特征孔径和被保护土的特征颗粒建立一定的关系，其判别公式：O95≥3d15即0.015＞3×0.004，虽然计算结果表明土工织物的滤水能力满足要求，但通过现场长期实验得出的结果却有些不同。

4 试验结论及建议

4.1 实验结论

1）室内试验结果表明，采用500 g/m2土工布或采用500 g/m2的丙纶滤布、500 g/m2的涤纶滤布，均能满足闹德海施工期采用滤水管从围堰内取水时水质不大于500 NTU的要求。

2）现场试验结果表明，随着滤水管滤水时间的增加，滤水水质效果也将增加，浊度变化非常明显；但滤水流量随着时间增加逐步减小，滤水水质效果与滤水流量成反比例关系。采用塑料滤水管外包土工布或滤布时，极易在滤布内部产生淤堵和表面产生滤饼，最终将出现淤堵现象，无法满足施工期工程正常滤水的要求。

3）根据闹德海水库除险加固工程的计划安排，施工期间，水库被放空，利用上游修建的3.5 m高的围堰挡水，堰前安装渗水管滤沙取水的方案不可行，应采取其他措施取水。

4.2 取水方案选择建议

根据在养畜牧河三家子水文站的试验结果，对闹德海水库施工期取水提出建议：利用泄洪底孔放水或建临时提水站提水，通过水厂处理供给阜新市工业和生活用水。