金沟河引水工程渗管反滤料渗透特性试验研究

刘宇亮

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

1 试验背景

独石化从2005年起开始调研分析周边河流向独山子调水的可行性，通过前期论证，认为从金沟河向独石化调水是可行的。2010年5月下发的新水办政资【2010】14号文，基本同意在金沟河50%频率来水条件下向独石化供水3000万m3，在75%频率来水条件下向独石化供水2000万m3，并同意论证报告所提出的在红山头引水枢纽以上7.1km处采取埋渗管方式取水[1]。埋渗管取水是将渗管埋设于河床或河漫滩以下设计深度，并在渗管上部加铺人工反滤层，天然河水经渗滤处理后，便可得到河流垂直渗透水量。埋渗管取水工程中反滤层是较为重要的部分，其滤料的透水性能对渗管取水能力有直接影响，滤土则决定着渗管取水的质量。独石化金沟河引水工程通过在河床下埋渗管取水的方式进行供水不给，渗管反滤料的作用更为凸显，为保证滤料充分发挥过滤和排水的作用，必须进行反滤料和天然河床粗粒土综合渗透特性试验，测定天然河床料及各层反滤料的渗透系数及综合渗透系数；同种反滤层在清水和浑水情况下，渗水量进行对比研究，验算设计参数，充分掌握反滤料的渗透性能，以综合判断埋渗管取水方案是否切实可行，并为取水工程设计提供建议。

2 试验方案设计

2.1 试验装置

埋渗管取水反滤层设计主要包括层厚和层数两个方面，层厚主要基于反滤料级配、粒径等参数综合确定，层数主要依据渗管取水质量确定。按照独石化金沟河引水工程设计资料，渗管取水反滤层为5层，上面为细料，下面为粗料，天然河床料铺设在表层主要对渗水进行初级过滤，反滤料层厚均按500mm设计。在试验阶段，根据相关设计制作出渗透试验装置，以进行反滤层渗透系数测定以及水流渗透过程和浑水情况下反滤层过滤泥沙过程的观测。试验装置采用有机玻璃并按长×宽×高为40cm×40cm×120cm的尺寸制作，按照模型尺寸，以反滤料实际铺设厚度1:2.5的比例进行试验，由下至上铺设反滤料，第1层-第4层反滤料粒径分别按40-80mm、20-40mm、5-20mm及1-5mm设计，最表层铺设天然河床料，并将测压管设置在各滤料层间，滤管埋设于第1层反滤层下方，从上往下渗流。试验装置中滤料装满后渗透面积可达150cm2，四层反滤料渗径均按200mm设计。

为验证试验材料的代表性，按照本次引水工程设计技术要求在项目区附近选取3组河床料，设计中选用的4层滤料渗透系数依次为1-5mm 滤料渗透系数1.04×10-2cm/s；5-20mm滤料渗透系数5.69×10-1cm/s；20-40mm滤料渗透系数5.06×10-1cm/s；40-80mm滤料渗透系数1.08×10-1cm/s，反滤层渗透系数满足滤料设计中透水要求。根据《土工试验规程》的要求进行颗粒筛分试验，河床滤料颗粒筛分曲线，见图1。试验结果表明，河床料曲率系数为2.5，不均匀系数为38.9，级配良好，滤料含泥量0.38%，>60mm粒径的河床料含量9.4%，60-2mm粒径的滤料含量70.1%，2-0.075mm粒径的滤料含量20.3%，<0.075mm粒径的滤料含量0.2%，粒料级配良好[2]。

图1 河床滤料颗粒筛分曲线

2.2 试验方案

独石化金沟河引水工程渗管反滤料渗透特性试验共包括清水、浑水2种工况，清水选择工程区自来水，浑水则根据工程区所在流域多年洪水悬移质情况配置。水流从试验装置上方按设计流速注入，待滤料充分饱和、渗管出水量稳定后进行进出口水头、渗管出水量、测管水头等试验数据的记录，并采用达西公式进行各层滤料渗透系数量化计算，根据试验结果进行反滤料渗透特性及埋渗管取水方案合理性的评价。

2.3试验内容与过程

本次渗管反滤料渗透特性试验内容主要包括以下方面：①天然河床料的筛分，提供室内试验模型料；②天然河床料的渗透试验，计算天然河床料的渗透系数；③测定4种反滤料的渗透系数和综合渗透系数；④对设计的反滤层分别进行清水和浑水情况下渗水量的对比研究，以及浑水试验下泥膜厚度与渗透系数的关系研究。

清水试验下渗管中出水主要为清水，反滤料性能并未表现出明显的变化，5次渗水试验后仅表现为测管水头与出水量的略微减小；浑水试验下渗管出水仍略有浑浊，且在各层反滤料表层均形成一层薄泥膜，随渗水时间的延长泥膜厚度逐渐增加，而且少部分泥土会被持续水流带入滤料内，测管水头与出水量也持续下降。

3 试验结果及分析

3.1 清水试验

从试验装置上端按设计流速注入清水，待反滤层充分饱和过滤且出水，共进行5次试验，按设计时间间隔进行测量管出水口水头、各层反滤料测压管水头的测量和记录，并根据所取得的试验数据计算各反滤层滤料渗透系数及总滤料综合渗透系数，公式如下：

(1)

式中：ky为垂直于反滤层的土层渗透系数均值；H为总滤料水位差，m；H1、H2、…、Hn为各层滤料水位差，m；k1、k2、…、kn为各层滤料渗透系数。

将本工程反滤料渗透特性清水试验各项参数带入式(1)所得各反滤层滤料渗透系数结果详见下表。根据表中试验及计算结果可知，在所进行的5次试验中，各层滤料渗透系数的变化存在一定规律性，其随滤料孔隙率的增大而增大，随试验持续时间的延长而减小，主要原因在于在水的渗透下表层河床料中粒径1mm以下的细颗粒逐渐下渗至下层滤料，导致下层滤料孔隙堵塞，下层滤料渗透系数及总滤料层综合渗透系数逐渐减小[2]，清水试验各反滤层滤料渗透系数，见表1。

表1 清水试验各反滤层滤料渗透系数

从反滤料清水渗透试验结果可以看出由于河床料缺乏1-2mm粒径组，在渗水过程中，有明显的细料(1mm以下)下沉现象，部分细料沉积在1-5mm滤料表层，造成河床料渗透系数有所下降。

3.2 浑水试验

浑水试验中注入试验装置的是所配置的浑水，其余试验方法与清水试验相同。浑水配置主要依据金沟河流域6月份洪水期内洪水悬移质年平均含量(也即小于某粒径的沙重占比)，金沟河流域6月份洪水期内洪水悬移质年平均含量统计表，见表2。

表2 金沟河流域6月份洪水期内洪水悬移质年平均含量统计表 %

浑水试验所测得的各反滤层泥膜厚度及渗透系数结果见表3，根据试验发现，渗流出水量及各反滤层测压管水头并不稳定，比清水试验下降幅度大，且为获得各反滤层所形成的泥膜淤积厚度对渗管取水影响的相关数据，延长并增加了试验时间和次数。

表3 浑水试验各反滤层泥膜厚度及渗透系数结果

通过浑水试验结果可知，各层反滤料渗透系数明显比清水试验小，且天然河床料渗透系数受泥膜淤积厚度影响较大，反映出天然河床料对浑水中泥土具有较大的过滤作用；渗管出水量大，表明反滤料排水效果良好，但出水口出水较为浑浊，说明第4层反滤层颗粒粒径较大，导致粒径<1mm细颗粒透过了反滤层，过滤效果略差。

对于渗透系数较大的反滤层，浑水过滤导致其出现部分淤塞和渗透系数的大幅下降，主要原因在于此类反滤层滤土能力小，排水能力强，进入其中的细颗粒泥沙部分随水流渗透过程排出，其余部分则吸附在反滤层砂石表层，改变反滤层结构并降低其渗透系数。

对于渗透系数较小的反滤层其滤土能力强而排水能力弱，浑水中细颗粒泥沙被过滤在反滤层表层并形成透水能力较弱的泥膜，随着泥膜厚度的增加，渗透系数减小；进入反滤层内的细颗粒吸附能力增强，排水能力弱化，导致反滤层内孔隙减小，渗透系数降低。

从反滤料浑水试验可以看出，河床料渗透系数随淤落厚度的增加下降明显，有少量泥土透过反滤层，使滤料渗透系数下降，但不明显。从出流情况看，水质浊度偏小，基本可以满足用水要求。

4 结 论

根据文章所进行的独石化金沟河引水工程渗管反滤料渗透特性试验结果可以看出，工程所选择的滤料虽考虑了透水性要求，但滤土效果不好，建议减小表层1-5mm滤料的粒径或增加一层反滤料，增加滤土效果。此外，引水工程滤管反滤料设计可以考虑采用混合反滤料，将河床料剔除粗料后，将5mm以上颗粒作为滤料，5mm以下颗粒作为保护料，使混合滤料具有一定自反滤性，表层铺设一层粗砂，落淤后每年推掉重新铺设，这样既可以节约资金又可以延长反滤料的寿命。