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 830000)

1 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°～73°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 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m3/a，设计引水规模为2 m3/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 试验工作任务

本工程的试验任务主要有以下3点：① 验证3层反滤层结构设计；② 验证渗管设计的合理性；③ 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 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 渗管开孔大样及反滤层设计示意图 单位：mm

图2 试验装置平面布置图

图3 渗管平面示意图 单位：mm

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 试验观测及分析

3.1 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(Cu)

不均匀系数(Cu)按下式确定：

(1)

式中：d60为滤水料粒径，小于该粒径土重占总土重的60%；d10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Cu=8.3，第2层Cu=1.6，第3层Cu=1.10。试验结果表明，该滤水料颗粒级配能够满足“过滤”和“取水”要求，运行效果良好。

(2) 滤水层层间系数(ξ)

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Cu≤10时，其第1层滤水料的颗粒级配按下式确定：

(2)

式中：D15为滤水料粒径，小于该粒径土重占总土重的15%；D20为滤水料粒径，小于该粒径土重占总土重的20%；d85为被保护土粒径，小于该粒径土重占总土重的85%；d20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”：D15/d85=1.04≤4～5；

“取水减压”：D20/d20=4.2≥4。

同时被保护土不均匀系数Cu=3.2，完全符合滤层设计准则，满足“过滤”和“减压”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”：D15/d85=1.0≤4～5

同时被保护土不均匀系数Cu=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”要求，其“取水减压”作用也必然能够实现，因此，可以不考虑其“减压”功能[4]。

经过模型试验，3层滤水料能够满足“过滤”、“取水”和 “减压”要求，因此，滤水层设计合理[5]。

3.2 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。

(3)

式中：Q为达西渗透仪流量,m3/s； L为2个测压孔之间的间距(m),试验中L=0.4m；A为试验仪过水面积(m2),试验中A=0.35m×0.35m=0.122 5m2；Δh为量测压管之间的水头差,m。

经试验测得：1～4mm粗砂的渗透系数为5.96m/d，原河床天然砂的渗透系数为33.28m/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1～4mm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 模型试验概况

(1) 清水试验

经过渗管过滤后，水质浊度在2NTU以下过滤、净水效果明显，成果汇总如表1。

表1 渗管取水水工模型清水试验记录表

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60cm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1NTU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 浑水试验记录表

(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0.3L/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0.3L/s左右。

3.4 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6m时，含水层的渗透系数为25.6m/d，根据不同水质选用α不同个取值。计算成果见表3。

表3 产水量计算表

渗管单位面积产水量超过1.5m3/(m2·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0.8～1.0m3/(m2·h)。

4 结 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1NTU以下，能够达到工业用水小于3NTU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”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12～36mm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0.8～1.0m3/(m2·h),可以作为渗管的设计理论依据。

5 建 议

(1) 试验过程中发现,12～36mm粒径的卵石中8mm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1～4mm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。