渗管开孔与取水影响关系分析

刘双喜

(金沟河流域管理局，新疆 沙湾 832100)

地下水埋藏深度深、储量有限、水循环周期长。随着城镇工业化经济的持续发展，利用取水构筑物集取河渠水等地表水，以及岸边地下浅含水的方法越来越受到社会欢迎。渗管取水是一种比较复杂的地下取水构筑物，它利用埋设在地下含水层中带孔眼的水平渗水管道，借助水的渗透、重力流截流集取地下水和河床潜流水作为给水水源，经过不同的构筑物通过输水管及下游的调节构筑物，进行调节或进一步消毒后，供给用水户。这种取水方式适用于含水层较薄的地带，既可最大限度地集取地下水，又可起到一定的水质净化作用。李晓[1]等在江河底部基岩中设置江底输水平巷，通过渗流孔和基岩裂隙系统从河床底部集取渗透水的新技术，利用天然河床表层的渗滤作用，过滤了河水中的悬浮物及杂质，获得了洁净水源。

产水量和出水水质是否达到设计要求是衡量渗管(渠)成功与否的重要指标。刘持峰[2]等通过实验分析了滤管长度对渗渠产水量的影响，根据实验，并结合量纲分析，提出了滤管的长径比经验公式L/d=671，说明为了增加产水量并不能无限制延长渗管长度，明确了渗管产水量与渗管长径比的关系，较好地指导了工程实践，为降低渗管工程造价和推广应用提供参考；刘持峰及刘焕芳等[3]还通过实验研究了渗管产水量与滤管开孔率的关系，拟合出渗管产水量与渗管开孔率的经验公式，表明在一定开孔率范围内(适用范围9%～20%)，渗管产水量与渗管开孔率成正比。郑晓瑜[4]等通过实验分析了河床砂厚度对渗管取水出水量及浊度的影响。张智雄等[5]通过实验分析了不同滤料级配与渗管产水量之间的关系，结果表明，渗渠反滤层是防止河床土体渗透破坏的有效措施，是渗渠出水水质的重要保障。

影响渗管产水量的因素是多方面的，工程实施过程中，因特殊原因，为了增加渗管出水量而采取增加渗管的开孔率。在保证渗管结构强度的原则下，增加开孔率可增加渗管取水量。同管径的渗管开孔方式不同，也能达到相同的开孔率。因此就有了相同的开孔率是采取全断面开孔还是非全断面开孔的问题。工程中常用的开孔方式有全断面开孔和非全断面(上部3/4或2/3断面等)开孔。本文以影响渗管取水量的主要影响因素为切入点，分析渗管全断面开孔下部孔眼对渗管取水量、出水水质、安全性及工程造价等性能方面的影响。

1 渗管取水类型及计算公式

1.1 渗管取水类型

渗管取水量主要受渗管上部反滤层渗透系数、河床含水层厚度、渗管长度、渗管直径、渗管开孔率、河水深度、河床淤积以及河床地下水补给能力等情况影响[6]。为避免渗管受水流冲刷破坏，多将渗管埋设于河床下部砂砾料中4m以上的深度，且作为地下渗流的汇流中心，汇入渗管的水流经过输水管道输往下游。地下渗流汇入渗管后的管内水流为非均匀变量流，且沿程增加[7]。渗管取水量因埋设方式不同有所差异，计算公式也不尽相同。因渗管埋设位置的不同，渗管取水类型分为完整式和非完整式[8]。完整式渗管取水为渗管铺设在河床砂砾石下部不透水的基岩上，非完整式渗管为渗管铺设在河床砂砾石中，距河床底部的基岩还有一定的距离。

根据渗管取水的主要水源不同分为集取地下水(河床渗透水)为主(如图1所示)、集取河床地表水为主(如图2所示)和同时集取地下水及地表水(如图3所示)三种情况。

图1 集取地下水为主的渗管

图2 集取地表水为主的渗管

图3 同时集取地表水和地下水为主的渗管

1.2 渗管取水常用计算公式

集取地下水(或河床潜流水)为主的渗管出水量适用于裘布依计算式[8]：

完整式

(1)

当渗管两边进水时，则

(2)

非完整式

(3)

式(1)—(3)中，Q—渗管出水量，m3/d；L—渗管长度，m；K—渗透系数，m/d；H—含水层厚度，m；h—渗管内水深，m；R—渗管作用半径，m；s—管内动水位至含水层水位之间的距离，m；qr—α、β函数值，可通过qr曲线图查得；T—管底至隔水层底板的距离，m；c—渗管宽度之半，m；

集取地表水为主的渗管出水量适用于阿拉薇娜—努美诺夫计算式[8]：

(4)

同时集取地表水和地下水适用于阿维利亚诺夫计算式[8]：

完整式

(5)

非完整式

(6)

式(5)—(6)中，H—完整式含水层厚度，m；H1—非完整式中河流方面渗管底以上含水层厚度，m；H2—非完整式河滩方面渗管管内水位以上含水层厚度，m；h—渠内动水位厚度，m；s1—河流方面水位降落，m，s1=H1-h；s2—河滩方面水位降落，m，s2=H2-h；b—渗管直径或宽度，m；L1、l—渗管中心距河水边缘的距离；Q1—分水岭方向地下水流量，m3/s；I—地下水的水力坡降，‰；A—反映渗管充满度的系数；T—渗管底至含水层底板距离，m；c—渗管宽度一半；qr1—河流方向引来的流量，m3/s，α1，β1的函数；qr2—河滩方向引来的流量，m3/s，α2，β2的函数，与α1，β1的算法相同。

渗管取水工程通常会在渗管上部布置3—4层不同粒径的滤料作为反滤层对入渗水流进行过滤。式(1)—(6)中渗透系数K为渗管上部反滤层和河床砂的综合渗透系数[9]。

2 渗管取水量主要影响因素以及与全断面开孔的关系

分析公式(1)—(6)可知，无论何种形式的渗管取水工程，渗管取水量的大小主要与渗管长度、渗透系数、渗管内外的水头差或水头平方差成正相关。

2.1 取地下水为主的渗管管内水深与取水流量之间关系

表1 取地下水为主的完整式渗管不同管内水深对应取水流量对照表

从表1和图4计算结果可以看出：取地下水为主的完整式和非完整式渗管取水流量的大小均与管内水深成线性反比例关系。取地下水为主的渗管在取水初期，管内水位较低时，管内外水头差较大，取水流量大。随着取水进程的继续，管内水位越来越高，管内外的水头差也越来越小，渗管的取水能力也越来越小，管内水深越大，取水流量越小。图2表明：取地下水为主的非完整式渗管取水流量的大小与水位抽降成反比关系，与渗管内外水头平方的差值成正比关系，反映了渗管取水流量的大小与管内水深成反比例关系，即渗管内外的水头差越大，渗管的取水能力越强，渗管内外水头差越小，渗管的取水能力越小。

图4 非完整式渗管管内水深、水位抽降值S、渗管的内外水头平方差与取水流量Q2关系

2.2 取地表水为主的渗管管顶水头Hy与取水流量Q值的关系

根据实际含水层厚度、取水层渗透系数、管顶以上水头Hy和qr等参数，由公式(4)可以计算出取地下表水为主的完整式和非完整式渗管不同管顶水头与取水流量之间的关系，计算结果分别见表2—3。

从表2—3计算结果可知，取地表水为主的渗管在一定埋深情况下，渗管取水量的大小与管顶以上水头成线性正比例关系。管顶以上水头越大，取水量就越大[10]。在工程实践中，应尽可能将渗管布置在靠近河道主流或河道水深较大的地方，以增加渗管的取水量，或在渗管下游设置截渗墙、潜水坝或者闸设施，以增加渗管管顶以上水头，从而增加渗管的取水能力。

2.3 渗管取水量大小与全断面开孔的关系

综上所述，取地下水与取地表水为主的完整式和非完整式渗管的取水量大小均与管内水深成反比例线性关系，即管内水深越大，渗管的取水能力越小，渗管取水初期，管内水深越小，渗管的取水能力越大。这也符合伯努利方程，因管内水深越大，渗管内外的水头差越小，管外水流向管内运动的动能越小，取水能力就越弱，相反，取水能力就越强。取地表水为主的渗管取水能力与管顶以上水头呈线性正比例关系，管顶水头越大，渗管的取水能力越大[11- 12]，管顶水头越小，渗管取水能力越小。无论是取地表水还是取地下水为主，渗管的取水能力大小均与渗管的全断面开孔与否无必然关系。

3 渗管管身下部开孔对取水量、出水水质、工程安全及造价的影响

3.1 渗管下部孔眼渗入的水量对渗管全断面的渗入水量可忽略不计

渗管一般安放在各向同性介质的砂砾石河床下部，地下水必定沿着垂直于等水头线即水头变化最大的方向运动。在没有水头差情况下，地下水渗流运动一般做微小流速层流运动。在渗管取水初期，渗管外反滤料净储水为饱和状态时，因管外水位高、压力大，管外水流向管内渗入。根据渗透理论可知，当渗管内下部充满水流时，管外渗透水流不可能通过与管内等水位孔眼由外向内渗入。在渗管安放初期，因管外储水层中水流由外向内入渗流量小、历时短，所以入渗量很小。工程建设中，渗管多为3/4或2/3断面开孔，底部留出1/4或1/3断面不开孔。全断面开孔渗流取水，下部1/4或1/3断面的孔眼面积只占到全断面1/4或1/3，在渗管取水初期短历时期间，下部1/4或1/3断面取水量只占到初期短历时期间取水量的1/4或1/3。因此渗管下部1/4或1/3断面开孔取水量相比全断面、全历程渗入水流水量总和可忽略不计。

表2 取地表水为主完整式渗管Hy与Q值关系对照表

表3 取地表水为主的非完整式渗管管顶水头Hy与取水流量Q关系对照表

3.2 含水层水位低于管底时，下部孔眼会减小渗管出水量

渗管埋设在河床下部，形成了以渗管为中心的渗透水流的汇源中心。在实际渗流过程中，根据地下水渗流定律可知，渗流总是朝着势能差最大的方向运动[13]。渗管安放初期，周围床料中的存储水会从渗管周围共同向渗管汇流，渗管外侧的渗透水流在床料中的渗透流速很小，基本呈层流微小流速状态。随着渗管周围床料中初期的净存储水水位逐渐下降，因管内水流的存在，渗管中下部已停止了由外向内的入渗，管外水流从渗管中上部向渗管汇流。通过渗管中上部的渗流差大于相同断面渗管底部内外水流的渗流差，因此，渗管中上部渗入管内水流的流速大于下部渗入水流的流速，且呈现渗管上部入渗速度大于中部入渗速度，中部入渗速度大于下部入渗速度。渗管中上部渗入管内的水流下落至管内时，渗管中下部仅渗入管内底部少量的水流。渗管中上部的渗透水流下渗到渗管底部以管流的形式向下游输水的同时，也在通过渗管下部的孔眼向渗管下部土层的孔隙外渗，直至渗管中下部土层中的孔隙被外渗水流完全充满，且水位与管内水位相同为止。也就是说，在渗管周围滤层中的净储水量被渗管大部分取走时，渗管下部的孔眼是上游渗入管内水流的外渗通道，会减小渗管的出水量。

3.3 非完整取水时，下部孔眼会增加出水浊度，影响工程安全和使用寿命

渗管埋设在砂砾石基面上，由于渗管自重及上部荷载的原因，有向下运动的趋势。孔眼下部的砂砾料受挤压作用，细料会逐渐被动充满渗管下部的孔眼，甚至进入渗管内部。在外部水流通过下部孔眼渗入管底的作用下，砂砾料中的细颗粒泥沙会随着水流进入渗管内部。在上游管内水流向下游流动的过程中，对下部孔眼中的泥沙有吸力的作用，会加速孔眼下部泥沙进入渗管内部的趋势。泥沙进入渗管内部会增加渗管出水浊度，严重时，会造成渗管下部砂砾料的空洞，对渗管取水工程安全和使用寿命造成影响。

3.4 管身下部开孔对渗管造价影响较大

渗管开孔一般选取3/4或2/3断面开孔，如果全断面开孔，比3/4或2/3断面开孔要多开1/4或1/3。以钢渗管为例，直径为1.2m，壁厚12mm的钢渗管，全断面开孔，孔径0.18mm，孔间距5cm，渗管造价4800元/m，相同类型的钢管造价仅2500元/m。这说明制作渗管工作中，开孔及防腐的费用占渗管造价的50%左右(因工程取水量要求不同，渗管开孔率不同，开孔费用的占比略有不同)。因此，如果渗管按照3/4或2/3断面开孔，每米成本可节约12.5%～16.7%，工期缩短10%左右，性价比高，效益明显。

4 结论

以影响渗管取水量的主要影响因素为切入点，全面分析了影响渗管取水的主要因素，具体结论如下：

(1)特定河段，渗管取水量的大小与全断面开孔与否无必然关系；渗管下部孔眼短历时渗入的水量相比全断面、全历时的渗入水量可忽略不计。

(2)地下水位低于管底时，下部孔眼是渗入水流的外渗通道，会使渗管出水量减小；还会增加渗管取水的出水浊度，甚至危及工程安全。

(3)管身下部不开孔，每米造价可节约12.5%～16.7%，经济效益明显；渗管取水采取非全断面上部(上部3/4或2/3)开孔可满足渗管取水的水质、水量及工程安全要求，有较高的性价比，对缩短渗管制作周期、降低工程造价意义重大。