台兰河地下水库工程关键技术问题解决方案

杨辉琴　邓铭江　裴建生

摘要：台兰河山前凹陷地下水库示范工程设计中涉及引渗回补技术方案选择，洪水期引渗回补中泥沙澄清技术，以及取水工程中砂卵砾石层中大口辐射井施工工艺、输水工程中高地下水环境下施工工艺、高填埋段新型输水方式、工程运行监测和自动化控制等关键技术问题。贯彻开采与补给相平衡理念，实现无动力开采、控制、输送地下水，避免了地表水工程无效蒸发、占地面积大、投资高等缺点。

关键词：地下水库;设计和施工;技术问题;示范工程;台兰河地下水库

中图分类号：TV62

文献标志码：A

doi：10.3969/j .issn.1000- 1379.2019.03.022

新疆是内陆干旱区，也是灌溉农业区，没有水就没有农业，河流来水量在时空分布上极不均衡，严重影响着新疆的经济发展。20世纪90年代以前，新疆有400余座平原水库，为解决新疆农业春季灌溉问题做出了巨大贡献，但这些水库存在淤积快、蒸发量大、渗漏严重、库区周围大面积盐渍化问题，影响了当地生态，另外其自身的病害影响了水库生产效益的发挥。

台兰河位于天山南坡塔里木盆地阿克苏河流域，具有干旱区内陆河典型的地貌单元特征，其山前冲洪积扇凹陷带具有地下水库所特有的巨大储水空间，洪积扇上游具有地下水补给条件。台兰河地下水库示范工程是以科研促工程的首座地下水库科技示范性项目，它将台兰河出山口下游20 km范围内天然山前凹陷带作为储水空间，利用天然河道径流和人工设施向凹陷带砂卵砾石层引流人渗，将凹陷带下缘的细土平原区作为天然拦河坝（也称泉水溢出带），通过取水工程将水引出，再利用输水工程将水引入灌区。该地下水库工程作为干旱区一种新型水利工程，避免了地表水工程的蒸发、渗漏问题，提高了水资源利用效率，推进了下游农业灌区采用高新节水技术（管道灌、喷灌、滴灌）。地下水的开采利用相应减轻了冲洪积扇平原区的盐渍化危害。其工程造价仅为相同规模地表水库工程的1/3 - 1/5。由于地下水库库容大，调蓄能力强，采用“以补定采，多年平衡”的调蓄开采模式，体现了地下水库的多年调节作用。

笔者总结了引渗回补工程中的引洪蓄清措施、卵砾石层中取水方式选择、地下水环境下建筑物施工和高填埋段输水新工艺，对工程运行中的不足和需改进的方面进行了探讨。

1 工程总体布置

1.1 山前凹陷储水构造特征

台兰河地貌单元沿河流纵向可分为山区、山前冲洪积扇、冲洪积平原、绿洲与沙漠过渡带和沙漠。山区是径流形成区;平原区降水稀少，蒸发强烈，是水资源开发利用区。河流出山口后，流经山前砾石戈壁冲洪积扇地带，径流下渗损失大，因此从河流出山口到冲洪积扇盆地边缘区域是径流的转化散失区，可视其为天然巨大“地下水库”。受地质构造隆起和断裂作用的影响，台兰河冲洪积扇形成南北两个洼地，古木别孜隆起北部为塔克拉克向斜洼地（山间凹陷条形洼地），南部为台兰河冲洪积扇盆地（山前凹陷洼地）。台兰河冲洪积扇前缘地下水库地质纵剖面见图1。

根据地质勘察成果，古木别孜隆起背斜不具阻水性，山间凹陷条形洼地形成不了天然封闭地形，不具备天然成库条件。而沖洪积扇山前凹陷洼地下缘受细土平原区阻挡，形成巨大的储水构造，该区域范围北至塔克拉克山间洼地，南达314国道附近，东西分别以台兰河冲洪积扇轴部和依克溪沟为界。台兰河冲洪积扇长18 km.东西宽20 km.面积360 km2.第四系沉积厚度300-500 m.为单一结构的砂卵砾石层，透水性好，含水层厚度为100- 350 m.平均厚度为200 m，其具有良好的天然成库条件，库容为105亿m³，如果调节水位按降深10 m计算，那么地下水库调节库容为9.36亿m3。台兰河山前凹陷地下水库示范工程的库址选择在该区域内，考虑到工程带有科研性质，因此仅按示范区灌溉规模确定地下水库的工程范围和建设规模[1]。

1.2 总体布置

台兰河山前凹陷地下水库示范工程由库区、引渗回补工程、取水工程和输水工程四大部分组成。库区利用台兰河山前凹陷带，南北分别以314国道和古木别孜隆起背斜为界，东西以台兰河冲洪积扇缘为边界，南北宽19 km，东西长15 - 22 km。

引渗回补工程位于库区范围之内，从台兰河现有主干渠道上引水，由引水渠、渗坑、引渗渠和渗沟等组成。作用是在洪水期和冬闲期将洪水和冬闲水引入地下水库库区，在天然洼地和人工沉淀坑中将浑水澄清后，通过引渗渠和大面积渗沟向库区补水。

在314国道附近（冲洪积平原上缘），地质构造从上游单一的砂卵砾石地层过渡为砂土、粉土等地层，透水性逐步降低，使地下水位在该区域逐步壅高，形成了地下水库天然的“拦河坝”，取水工程布置于该区域，就好像地表水库工程的放水口，有利于地下水的开采。取水工程采用大口辐射井进行取水和水量控制。

取水工程开采和汇集地下水，再通过输水工程将水输送至下游灌区。输水工程布置于冲洪积平原区上缘，采用管道有压和无压供水方式与下游高新节水灌区的首部工程相连。

2 关键技术问题及解决方案

2.1 引渗回补中技术问题及解决方案

地下水库设计理念是不改变现状水均衡，对开采区实施主动人工补给，增加地下水储量，而不是对超采区实施被动补救措施，因此不会造成区域性地下水位下降和生态破坏。地下水人工补给方法主要有地面人渗法和管井注入法。

2.1.1 引渗回补中技术问题

考虑采用管井注入法成本较高、维护困难，该工程引渗回补工程采用地面人渗法。

台兰河地下水库补给区位于山前倾斜平原中下部，地层岩性一般为结构单一的第四纪砂卵砾石，地层结构松散、孔隙率大、透水性强，冬闲期河道来水的悬浮物含量小于20 mg/L，可直接回补。但在洪水期，台兰河的河水泥沙含量达3 267.2 mg/L，悬浮物含量1 329 mg/L，远远超过人工补给水源悬浮物含量小于20 mg/L的一般要求，不能直接回补。淤积物中粒径小于0.005 mm的黏土含量占83. 6%.渗透系数仅为0.003 9m/d，透水性极弱，严重影响水量人渗效果[2]。因此，如何对洪水期水质进行处理是地下水库人工补给的一个技术难点。

根据项目前期进行的多方案补给试验成果，考虑工程带有科技示范作用，先期进行小范围人渗补给，满足近期地下水库开采和回补要求，采取预沉+精处理的工程措施。

预沉+精处理措施：在台兰河总干渠上建分水口，在库区范围内利用一处砂石料场的废弃料坑和人工开挖的渗坑，通过1 km引水渠道将洪水期洪水引入，进行洪水泥沙预沉，每个预沉池之间利用溢水堰、渗渠相互连接。在最末一级预沉池出水口上游采用分离鳃工艺对泥沙进行精处理。

分离鳃是新疆农业大学水利与土木工程学院研制的一种新型水沙分离装置：①鳃片破坏了悬移质泥沙在下沉过程中形成的絮团：②分离鳃中加入了等间距的鳃片，鳃片的水平投影面积就是分离鳃所增大的沉淀面积，因此相对于普通管而言提高了沉淀效率及水沙分离能力：③分离鳃内形成的垂向异重流和横向异重流加快了分离鳃内的水沙分离。

为方便悬挂分离鳃，在沉淀池出口处顺水流方向分设三道钢筋混凝土直墙：为方便分离鳃的运行维护和试验观测，在分离鳃直墙段上游段设1.5 m宽简易交通桥。分离鳃悬挂布置在平直段沉淀池中，且淹没于水下。垂直于溢流堰方向布置10排，各排之间的间距为50 cm，横向分离鳃间距为10 cm，每排40个，共计400个。单排分离鳃布置示意见图2。

经过分离鳃处理过的补给水浊度一般在20 mg/L以下，这些水顺着主渗渠和垂直于主渗渠的渗沟在库区内人渗。主渗渠长度为1700 m，渗沟有11条，长度为2 164 m[1]。

2.1.2 补给效果分析

夏季是台兰河主要来水季节，6-8月洪水期台兰河可引入的水量为45 290万m³.除去工农业用水30 803万m³，剩余14 487万m³水量进行补给。根据目前已建成的5.6万m²补给面积，洪水期采用处理过的清水可补给地下水222万m³。远期在台兰河上游将修建大面积拦洪库，将洪水滞留在库中澄清以提高补给效率和效果。

2.2 取水工程中技术问题及解决方案

台兰河地下水库取水工程地层比较复杂，取水方式选择、成井工艺及水量控制成为该工程设计和施工的关键问题。

2.2.1 取水方式的选择

地下水的开采通常采用动力和无动力方式，动力方式一般采用潜水泵、离心泵和长轴深井泵等取水，无动力方式采用类似坎儿井式输水方式将水引出地面。

动力方式取水借鉴的优点是建设方式简单，工程量小，见效快，出水量稳定;缺点是受地下水位变幅的影响，当地下水位下降较大时无法工作，需重新打井或停止工作等待水位恢复，使用周期短，另外要解决动力问题，消耗能源，管理复杂。目前，在台兰河地下水库西侧5 km外分别有佳木水源地和阿库木水源地，这两个机井灌区水源地的地下水均采用潜水泵开采，缓解灌区春秋季缺水矛盾。

无动力方式取水借鉴干旱区坎儿井的工作原理，在泉水溢出带附近横向建集水井，形成横向截水断面，各井出水管相连形成集水廊道。无动力方式取水的优点首先是消耗能源少，幾乎不需要电力，管理简单、方便，其次对出水量可进行人工控制，出水量稳定，可保证地下水位降幅在一定范围内，对生态破坏较小，使用周期长;缺点是施工工艺相对复杂，单井工程投资较高。

通过综合比较，该工程采用了无动力取水方式——辐射管井井井相连型式。

2.2.2 成井工艺

根据抽水试验确定的降深及工程布置要求，取水工程采用辐射井型式。辐射井由竖井和辐射管组成，竖井深30 m.内径3m，辐射管距井底1.5 m沿井壁均匀布置3层，每层间距2m，每层8根，每根长30 m。辐射井结构见图3。

采用钻机成孔、漂浮法下井管成井的施工工艺。竖井施工采用泥浆护壁，应用直径3.7 m钻头反循环钻进方式完成30 m深的竖井开挖。为解决竖井施工过程中遇到漂石卡钻的问题，参与工程施工的北京中水科工程总公司研制了口径20 cm的反循环钻杆，保证了钻进的正常进行。

水平辐射管长度较长，其在竖井安装完成后施工，受竖井内空间限制及地下水带动砂砾造成井喷的影响，施工较为困难。该工程从采用特殊施工机具和改变辐射管结构型式方面进行了改进。施工机械选用中国水科院研制的具有振冲力、扭力、推力、拉拔力和水冲力的振冲式全液压水平钻机，往复锤击式将辐射管打人地层：辐射管设计成1 m长一段钢管，两端丝扣连接，最前端为锥形头。

通过与抽水试验的管井进行对比，水平辐射管在水位降落时产生的水跃值较小，随着辐射管运行时间延长，滤水管周围逐渐形成500 -1 200 mm厚的天然环形反滤层，使井的出水量不但不会衰减，还有增大的趋势，辐射井的影响半径为400 -1 000 m，是管井的1-2倍，可大幅减少井的数量[3]。

2.2.3 取水工程的流量控制

地下水库是一完整、系统的水利工程，在应用过程中经常会出现流量变化的情况，特别是该工程为了补充台兰河灌区春秋季灌溉用水供水不足的问题，流量要随着不同作物和灌溉时间的变化进行调整。一般的井灌工程在井口部分是不进行调节的，但该工程首次采取单井出流控制措施，各井的流量均可通过活塞控制阀进行控制。下游流量增大时可将4口井的阀全部打开，同时取水：下游流量需求减小时可打开部分井取水，实现地下水库水量调度的可控性。

在每口井的中部设计柱塞式控制阀，该阀由钢筒、活塞杆及活塞组成，活塞上下部设置活塞环及橡胶密封圈。柱塞控制阀通过法兰与引水管连接，通过调整活塞开度，控制引水管进/出水量。活塞依靠自重及铸铁配重动水关闭，由设置于井顶部启吊桁架上的电动葫芦通过活塞杆控制活塞动水开启，阀体任意开度运行。在柱塞控制阀高程处设置钢制井壁及工作平台。

通过分析工程运行中的观测成果可知：当全部集水井打开并稳定后，管道的出流量大于设计流量：当关闭其他集水井进行单井出流运行时，出水流量为0.230-0.475 m³/s;当集水井全部关闭时，集水井内水位与下游汇流井内水位持平，未发生下游汇流井水溢出现象，说明单井水流控制是成功和可行的。

2.3 输水工程中关键技术问题及解决方案

分析该工程实施前的抽水试验成果可知，达到设计出水量时降深约为11.86 m，输水工程的起始点高程应低于动水位，输水管线位于冲洪积平原，纵坡坡比相对较小，使下游输水管线的设计埋深大于13 m，同时沿线地下水位较高，这就引发了输水管道外部承压、软基处理及管线在施工过程中开挖断面大、排水量大、边坡易出现流沙、垮塌等问题。这些问题成为地下水库输水工程施工和设计中需解决的关键问题。

2.3.1 正虹吸输水管线设计

受地形影响，取水工程的集水井动水面高程高于下游汇流井动水面高程Sm，输水管线在大气压和水头差作用下可以形成正常的有压流，按正常工程设计，输水管线均应在动水位压力水头线以下，以保证压力水头将水自压输送至下游。但为解决输水管线埋深大所造成的管沟开挖工程量大、投资高、管道吊装不便等问题，台兰河地下水库工程在取水井至汇流井之间近1 000 m范围内，采用了正虹吸输水方式。

集水井内输水管道进口位于动水位以下，输水管管线高于动水位若干米，输水管线出口位于汇流井动水面以下。从集水井静水位到动水位过程中，输水管道处于满流正压状态，当集水井水位低于输水管线高程直到动水位的过程中，输水管道内的压力水头逐步降低至负值，但依靠输水管进出口之间的水头差依然可以保持管内水体流动，这样可提高输水管线高程，降低工程造价。形成虹吸的关键是确定虹吸水面高度和保持管道内的负压，理论上在没有外力做功的条件下，依靠管外大气压，管内水柱高度可以保持在10 m，但不同高程的大气压是变化的。根据新疆农业大学针对该工程进行的模型试验可知：当管内负压水头为-5 m以下时（即管内水柱高度为Sm以上时），输水管道内液体压力降低，开始有大量气泡析出：当负压水头为一8m以下时，管道内出现大量气团阻隔，出水受阻;当负压水头为-9 m时，管道内的虹吸被破坏。

考虑试验和实际工程存在一定偏差，台兰河地下水库工程将虹吸输水管道高程提高到动水位以上5m，管道的最大开挖深度由13 m减至8-9 m，节约土方工程量51.2%。为防止出现管道虹吸破坏，该工程分别在各集水井管道进口顶部和汇流井管道出口末端顶部设置了1台真空泵，出现断流情况时抽真空以恢复虹吸。

2.3.2 输水管道施工中技术问题及解决方案

输水干管总长3 169 m.其中虹吸管段长966 m，非虹吸管段长2 203 m，这些管道开挖、安装均处于地下水位以下，管道沿线的地层为多岩性地层互层，大部分地层具有渗透破坏性，开挖过程中随着地下水位下降，当水力坡降大于土层的临界水力坡降时，就会发生流土破坏，对施工安装造成影响，威胁施工人员安全，影响施工进度。

解决施工场地排水问题常采用明挖明排、井点抽排方式。井点抽排一般用于建筑物高地下水位基础开挖时排水，每口井根据水位和流量需配备水泵，需要动力电源，处理面积一般不大，但地基土层结构不会破坏，且有自重的压实效果，排水效果好，开挖边坡可以放陡。由于该工程为线性工程，挖深较大造成开口宽度较大，因此排水面积既长又宽，需要布置的井点较多，沿线需架动力线路、设抽水泵，造价较高，最终选择明排方式。

为避免明排方式水力坡降过大造成边坡垮塌，将开挖边坡坡比放缓至1：2，采用从下游向上游开挖、随挖随排的方式，在管沟两侧坡脚设低于管基面0.5 m的排水沟，沟宽0.5 m，渗水由排水沟排向不同施工段下游汇水井，再用潜水泵抽出排向下游。

2.4 工程运行管理中关键技术问题及解决方案

在台兰河地下水库示范工程后期运行管理中，掌握和了解地下水位的变化情况，制定合理的运行调度方案，实现工程自动化和信息化管理，总结和解决工程设计中存在的问题，对发展和创新地下水库这一新型水利工程起到了更好的推动作用。

2.4.1 地下水位監测

2009年（台兰河地下水库工程运行前）和2010年（初期运行），在取水工程区和下游汇流井处分别打了12眼观测井，孔深20-30 m，其中G07观测井位于取水工程1#井上游100 m处，G12观测井位于0#汇水井附近，两井相距1 000 m，对动态地下水位进行了连续两年的观测，并对每眼井同期水位变幅进行了分析。项目区G07、G12孔2010年水位观测资料见表1。

分析上、下游两井一年内水位观测资料可知，区内地下水位较为稳定，变幅较小，表明区内地下水资源具有很大的开发潜力。

地下水位监测是一项长期工作，应结合各年的气象、洪水、径流及工农业生产用水和产量等资料进行综合分析。

2.4.2 地下水库的自动化管理

台兰河地下水库示范工程的建筑物点多、线长，同时根据不同任务要求对补给区、取水区和输水管道分别进行控制，给运行管理带来了一定难度。根据工程区管理人员少、任务多样、管理难度大等特点，对台兰河地下水库运行提出了自动化管理方案。

（1）井群自控。取水工程供水或停水时，各取水井现地控制单元（ LCU）通过电动葫芦的提升与下降控制柱塞式控制器（阀门）的开启与关闭。当正虹吸输水管发生真空破坏时，启动真空泵，形成虹吸供水。

井群自控系统采用两层控制结构，设置站控级（井群监控站）计算机监控系统和坎儿井现地控制单元（ LCU）。监控站与各现地控制单元之间采用光传输设备实现100 M工业以太网连接。

（2）水位监测。在库区及取水井附近设置观测井（现有12眼）监测地下水位，每口观测井设置水位计、RTU采集及GPRS通信设备，水位信号通过GPRS无线传输至控制室。

（3）视频监控。视频监视主要监视坎儿井及其周围区域。每个井设置2套摄像机（室内设枪型摄像机1套，室外设一体化球型摄像机1套）。室内摄像机安装在井内，室外摄像机采用短立杆架设于井房顶部，通过线缆接人井房内的工业以太网交换机，通过工业以太网交换机经光纤将图像传送至控制中心，实现对各个井的图像实时监控，对突发事故提前采取预防措施[1]。

3 结语

台兰河地处内陆干旱区，其地表径流具有多年径流变化不大，但年内分配不均的典型内陆河特征，地下水库的修建，在不改变河道洪水自然过程和不破坏原有生态环境前提下，充分利用了深厚覆盖层的储水构造，通过引渗回补和定量开采，合理科学控制地下水库的地下水位，减少了土壤无效和低效蒸发。降低了土壤盐碱化危害，提高了水资源的利用效率。该工程设计和施工中，对影响回补效果的泥沙处理问题、辐射井施工难题、正虹吸输水工艺、高地下水环境下管线施工以及工程运行管理等相应采用新思路、新工艺、新技术，提高了施工效率，节约了投资，保证了工程效果，为干旱区通过地表水和地下水联合调度实现水资源优化配置提供了支持。

地下水库这一新型工程型式还处于起步阶段，设计理念和方法要围绕工程区不同的地形条件、地质构造和水资源的配置要求创新和总结，从而形成一套完整的适应干旱区特点的设计方法，并在工程实践中完善，使之更好地服务于生产实践。

参考文献：

[1] 新疆水利水电勘测设计研究院，新疆温宿县台兰河坎儿井式地下水库示范工程初步设计报告[R].乌鲁木齐：新疆水利水电勘测设计研究院，2014：5-15.

[2]新疆水文水资源局，地下水人工补给技术研究[R].乌鲁木齐：新疆水文水资源局，2012：4-15.

[3]海来提·卡德尔，李涛，裴建生，等.大口辐射井在台兰河地下水库取水构筑物中技术研究[J].西部探矿工程，2012（5）：45-48.