山西文水河道内集水廊道工程设计

贾俊杰

（山西省西山提黄灌溉工程建设管理中心，山西 太原 030002）

山西文水河道内集水廊道工程设计

贾俊杰

（山西省西山提黄灌溉工程建设管理中心，山西 太原 030002）

以山西省文水县南峪口村集水廊道工程为例，探讨了集水廊道工程设计时的结构形式、高程、比降、断面尺寸的确定，渗入流量计算，进水孔及反滤层设计，截水措施选择，集水井与检查井设计等。

天然河道；山西文水；集水廊道；工程设计

0 引言

山区河流的河床下，大部分存在潜流，在正常情况下，潜流在含水层中潜伏、流走。干旱时期，河流断流，但是地下潜流仍保持原来或略低的潜水流量。若对潜流进行开发利用，可以有效解决当地水资源短缺问题［1～2］。

集水廊道工程主体结构埋设于河床之下潜水层中，可以截蓄地下潜流，增加能够利用的水资源量［3］。地下集水廊道大多数选择在水文地质条件优越、含水层为粗颗粒的河段上修建，建筑材料通常选取当地的大粒径卵石、块石，工程造价小［4］。笔者试以山西省文水县南峪口村天然河道内修建集水廊道工程为例，对集水廊道工程设计进行探讨，以期为同类型工程提供参考。

1 工程区水文地质概况

1．1 工程区水文概况

山西省地处黄土高原东部，属干旱、半干旱地区，是全国水资源较为匮乏的省份之一［5］。随着用水总量的不断增加，水资源供需矛盾越来越严重。文水县位于山西省中部，隶属于吕梁市，东隔汾河与祁县、平遥相望，南与汾阳接壤，西依吕梁山脉与离石相连，北与交城、清徐相邻，总面积1064．4km2。该县气候属温带大陆性气候，年平均降水量为506mm，最高年降水量为691．9mm （1964年），最低年降雨量为342．2mm（1972年）。降水空间分布差异很大，从西部山区到东部平川，降雨量逐渐递减，山区年降水量为600～700mm，平川地带年降水量为450～700mm。该区降水量年内分配不均，夏秋两季降雨量占全年降雨量的70%～80%。汾河、文峪河、磁窑河三大河流横穿文水县全境，同时还有多条季节性河流和数千条支毛沟，均属黄河流域。

1．2 工程区地质概况

集水廊道工程位于文水县凤城镇南峪口村靛头沟U形河槽中，河槽内地层自上而下为人工堆积层及第四系全新统洪冲击层。人工堆积层岩性为低液限粉土、黏土及浆砌石。低液限粉土、黏土呈淡红色，土质不均匀，含有大量碎石块及生活垃圾，结构松散。第四系全新统洪冲击层上部为低液限粉（黏）土，结构松散，淡红或淡黄色，坚硬状态，含水率平均值为20．5%，干密度平均值为1．51g／cm3，天然密度平均值为1．82g／cm3， 渗透系数平均值为2．15×10－4cm／s，具有弱－中等透水性，饱和压缩系数平均值为0．35MPa－1，为中－高压缩性，灵敏度平均值为2．4，为低－中等灵敏性，饱和快剪凝聚力平均值为12．4kPa，内摩擦角平均值为20．0°。第四系全新统洪冲击层下部为低液限黏（粉）土，结构稍密，淡红或褐黄色，可塑状态，含水率平均值为21．5%，干密度平均值为1．53g／cm3，天然密度平均值为1．85g／cm3，渗透系数平均值为2．75×10－5cm／s，具有微－弱透水性，饱和压缩系数平均值为0．28MPa－1，为中等压缩性，饱和快剪凝聚力平均值为12．0kPa，内摩擦角平均值为21．4°。

1．3 水源概况

集水廊道工程地下水主要是由河水渗漏和河床潜流补给形成的。河床潜流受到含水层介质和河床坡度的影响，潜流径流方向沿河床走向，由西北向东南流，水力坡度与河床坡度基本一致。集水廊道工程拦蓄的地下潜流通过DN150钢管引至200m3调节蓄水池，再通过PE管自流，分别被引至已有的2座蓄水池，流经已布置好的管道，进行灌溉。建成后的工程年平均径流量为0．017m3／s，年可供水53．61万m3。

2 集水廊道设计

2．1 工程布置

集水廊道工程适宜修建在渗流量大、河床平缓的河道内，以便于截取更多的潜流。山西文水集水廊道工程布置于南峪口村靛头沟U形河槽中，与主河床走向垂直，上游为侧开敞的钢筋混凝土箱涵式结构，下游为钢筋混凝土结构墙。集水廊道与集水井和检查井为一体，以利于提水和检修。集水井布置在河道的左岸，检查井布置在河道的右岸。集水廊道埋在土层中，沟槽用原土料回填。水由上游侧渗入集水廊道的集水井，集水井连接外部引水管，水流经管道，进入蓄水池。

2．2 结构形式

常见的集水廊道结构形式包括有截渗墙的完整集水廊道、有截渗墙的不完整集水廊道、无截渗墙的完整集水廊道、无截渗墙的不完整集水廊道4种。在垂直于潜流方向，无截渗墙的不完整集水廊道的两侧、一端及基础均进水，廊顶埋深大于最大水流冲刷深度。该形式适用于河床地面下储水量多、河流含沙量大、沙砾层厚、水位变幅大的河床。根据坝址处的地质和水文地质情况，从长期运用的实践经验和不同形式集水廊道的运用效果来看，同时考虑到投资情况，该工程采用了无截渗墙的不完整集水廊道，结构形式如图1所示。图1中，集水廊道侧墙为厚500mm的钢筋混凝土结构墙，迎水面铺设1000mm厚的卵石层（粒径为5～20cm）。然后，堆叠7层2000mm×500mm的格槟石笼，中间布设无纺布反滤层。廊道顶部铺设1500mm厚的卵石层 （粒径为5～10cm），堆叠2000mm×500mm的格槟石笼，中间分别布设无纺布反滤层。

图1 集水廊道横剖面图Fig.1 Catchment channel cross-section

2．3 集水廊道底部高程与比降的确定

根据实践经验，为了充分利用地下潜流，增加集水廊道的入渗流量，集水廊道底部高程应在强透水层以下合适的地方。根据坝址处的工程地质情况和试验研究结果，并避免经历最大洪水时集水廊道被洪水掏刷的情况，将集水廊道底高程置于现况地面以下7m处。以廊道内水的流速能把淤积的泥沙带出为原则，集水廊道比降取值为1／300。

2．4 集水廊道断面尺寸的确定

集水廊道采用现浇C25钢筋混凝土结构，拟定断面尺寸要考虑集水廊道的日入渗量和容水量。为便于施工、检修和安全运用，吸收项目区群众的实践经验，并根据廊道顶部覆盖层的厚度进行集水廊道断面尺寸和结构的计算。经计算，集水廊道断面净宽为1．80m，净高为2．90m，长为12．5m，墙和底板厚度均为0．50m，顶板厚度为0．2m。

2．5 集水廊道渗入流量计算

集水廊道渗入流量的大小主要取决于集水廊道内外的水位和含水层土壤的渗透系数，同时还受集水廊道断面尺寸影响。该工程在设计时，渗入流量按照P．P．丘盖耶夫公式进行计算，如式（1）和式（2）所示。

式中：S为水位降深，m，S＝3m；T 为含水层厚度，m，T＝6m；K 为河床下含水层渗透系数，m／d，取20m／d；R为集水廊道影响带的宽度，m，通过计算，R＝65．73m；b 为集水廊道的宽度，m，b＝1．8m；L 为集水廊道长度，m，L＝12．5m；H 为集水廊道底至静水位的距离，m，H＝3m；h0为集水廊道内水深，取集水廊道高的0．5倍，为1．45m；qr可按照 P．P．丘盖耶夫图解求得，它取决于α、β值

经计算，坝址断面集水廊道的入渗流量为0．017m3／s，年可供水量为53．61万 m3。

2．6 进水孔及反滤层设计

进水孔布置在集水廊道上游侧，由7层2m宽、0．5m厚的格宾石笼堆叠而成。格宾石笼上游为1m宽的卵石层（粒径5～20cm）。廊道顶部为1．5～2m 厚的卵石层 （粒径5～10cm），卵石层上部为300g／m2的无纺布和0．5m厚的格宾石笼。单个格宾石笼尺寸为2m×1m×0．5m，内填卵石， 卵石粒径为5～20cm。格宾是由经机器编织而成的六边形双绞合钢丝网，其钢丝是经过特殊防腐处理的低碳钢丝。用于制作格宾的钢丝（除盖板外）采用镀高尔凡（5%铝锌合金＋稀土元素）法防腐处理，盖板采用镀锌覆塑法防腐处理，网面抗拉强度为50kN／m。

2．7 截水措施

在集水廊道工程建设中，遇到淤积层较厚、工程不能直接建在不透水层上的情况时，就需要在背水面采取防渗措施来截蓄地下潜流。常用的截水方法有“软截水”和“硬截水”2种。“软截水”是在背水面开挖宽度为1．0～2．0m的截水槽到不透水层，用黏土回填。该方法截水效果较差，但造价较低，适用于截水深度较大的工程。“硬截水”是把背水面侧墙的基础直接建在不透水层上，以此来防渗和截蓄地下潜流。此方法截水效果明显，但造价较高，适用于截水深度较小的工程。山西文水集水廊道工程采用“硬截水”方法，将背水面侧墙基础直接建在不透水层上，有效地截取了地下潜流，截水效果良好。

2．8 集水井与检查井设计

集水井布置在集水廊道工程的一端或两端，其底部低于廊道底部，以起到集水沉沙的作用。根据工程区的水文地质条件，该工程将集水井布置在河道的左岸，与集水廊道为一体结构。集水井深为1m，外部引水管在高出井底0．2m处与其连接。这样，可以有效地预防由于泥沙淤积而造成的管道堵塞现象。为了便于检查修理，每隔一定距离设置一个检查井。该工程的检查井布置在河道的右岸，高出地面1m，尺寸为1．2m×1．2m，进人口尺寸为0．7m×0．7m，井壁厚0．2m，内置钢制爬梯。集水井和检查井均为C25钢筋混凝土结构。

3 结语

山西省文水县南峪口村因地制宜，在天然河道内修建集水廊道工程，有效地集蓄了地下潜流，解决了该地干旱少雨，无灌溉工程的问题。工程建成后，较大地改善了当地的农业基础条件，提高了项目区农业灌溉保证率，促使项目区调整了农业种植结构。该工程的建设和应用实践表明：通过开发利用地下潜流，可扩大灌溉面积，降低农业生产成本，使农业逐步向优质、高效、增产型农业发展，同时引导广大农民更新观念，改变陈旧的灌溉和生产模式，改善水资源开发利用环境，实现水资源可持续利用和优化配置，用有限的水资源最大限度地为农业增产、农民增收和社会发展服务。

［1］ 陈国良，徐学选，程积民，等．宁南山区发展窖窖节水农业的依据与潜力［J］．水土保持研究，1996，3（1）：2－7．

［2］ 张祖新．我国北方雨水集蓄与节水灌溉技术［J］．节水灌溉，2000（3）：13－14．

［3］ 王育男．截潜流坝工程在清原县农田灌溉中的应用［J］．水利规划与设计，2013（7）：61－63．

［4］ 刘焕芳，程琨，吕宏兴，等．明渠水沙条件对渗渠产水量影响分析［J］．水利水电科技进展，2008，28（2）：4－7．

［5］ 段喜明，李靖，吴普特．山西省水资源问题及其可持续利用［J］．水土保持通报，2005，25（3）：88－91．

TV85

B

10．13681／j．cnki．cn41－1282／tv．2017．04．003

2017-06-03

贾俊杰（1990－），男，山西寿阳人，助理工程师，主要从事农田水利工程方面的工作。

[责任编辑 杨明庆]