明溝-地下濾水管-豎井補(bǔ)源工程布置形式的室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)研究

明溝-地下濾水管-豎井補(bǔ)源工程布置形式的室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)研究

0總結(jié)山東省大部分平原水庫(kù)存在的農(nóng)業(yè)灌溉供水矛盾?chē)?yán)重，地下水超采，大面積地方水位下降等災(zāi)害。1材料和方法1.1砂槽設(shè)計(jì)工藝以位于引黃灌區(qū)下游末端的臨清市車(chē)莊溝為研究區(qū),其淺層地下水含水層厚度約為60m,根據(jù)巖性分為上、中、下3部分:上部埋深區(qū)間0~15m為亞砂土、黏土互層;中部15~35m主要由粉細(xì)砂、細(xì)砂、中粗砂組成;下部35~60m則是亞砂土夾粉細(xì)砂。該試驗(yàn)裝置結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際的補(bǔ)源工程形式,按照1∶15的比例進(jìn)行縮小(取決于實(shí)際工程暗管管徑與試驗(yàn)所用暗管管徑的比值),設(shè)計(jì)長(zhǎng)90cm、寬15cm、高55cm的砂槽,砂槽左右2端分別設(shè)置1個(gè)30cm×15cm×15cm的進(jìn)水槽和出水槽,用以模擬明渠和后置清淤井,且距進(jìn)水槽頂端16、18和20cm處設(shè)置1個(gè)溢流口,用于控制定水頭進(jìn)水。進(jìn)水槽和出水槽內(nèi)各有5cm長(zhǎng)的進(jìn)水和出水管。此時(shí)的進(jìn)水槽和出水槽形同連通器,當(dāng)2個(gè)水槽水位大致保持一致時(shí),之后進(jìn)入暗管中的水開(kāi)始下滲,如同回灌補(bǔ)源。砂槽底部設(shè)置1個(gè)承托層,板厚度為8mm的有機(jī)玻璃板,開(kāi)孔直徑6mm,孔間距10mm。承托層下端設(shè)置1個(gè)帶閥門(mén)的出水口,并連接水表。地下暗管長(zhǎng)90cm,分別采用管徑2cm的塑料管和外徑4cm、內(nèi)徑2cm的排水盲管,傾斜度為0.02,分別外包土工布和60目過(guò)濾網(wǎng)置于砂槽中。試驗(yàn)裝置如圖1所示。1.2定水頭產(chǎn)水管設(shè)置試驗(yàn)共分為3組,通過(guò)設(shè)置不同定水頭供水、前置過(guò)濾裝置設(shè)計(jì)方案和暗管材質(zhì)及暗管外包材料研究下滲量和濁度變化,具體試驗(yàn)過(guò)程為:1)不同定水頭供水:用2層60目過(guò)濾網(wǎng)包裹前置過(guò)濾裝置的進(jìn)水口,塑料管壓半幅纏繞60目過(guò)濾網(wǎng)置于濾層中,設(shè)置源水濁度為3.3NTU。在保證前置過(guò)濾裝置過(guò)濾效果良好的前提下,先設(shè)置進(jìn)水口水位為8cm,再設(shè)置10cm和6cm的定水位水頭各供水3d,從08:30—21:30每隔1h監(jiān)測(cè)下滲量和源水、后置出水槽及下方出水口的濁度,并記錄每天的累積下滲量,通過(guò)將3d數(shù)據(jù)取平均值來(lái)繪制流量-時(shí)間和濁度-時(shí)間曲線,分析不同定水頭供水條件下滲量和濁度變化,以選取合適的定水頭供水水位。2)不同暗管材質(zhì)及暗管外包材料:通過(guò)不同定水頭供水條件下濁度變化的試驗(yàn)結(jié)果可看出,當(dāng)源水濁度較小時(shí),經(jīng)過(guò)前置過(guò)濾裝置和暗管的前后濁度變化較不明顯,故需要適當(dāng)擴(kuò)大源水濁度。而當(dāng)?shù)氐叵滤臐岫葹?.9NTU,故可配制試驗(yàn)中源水濁度與當(dāng)?shù)氐叵滤疂岫冉葡嗟葋?lái)研究源水經(jīng)過(guò)回灌系統(tǒng)后能否起到改善地下水水質(zhì)的作用?，F(xiàn)進(jìn)水口水位設(shè)置為8cm,且為了保證暗管下方土壤的固結(jié)程度相同,只更換暗管上方土壤,再將塑料管分別用60目過(guò)濾網(wǎng)壓半幅和土工布全幅纏繞,盲管用土工布全幅纏繞置于濾層中,各連續(xù)供水36h,采用同樣方法監(jiān)測(cè)和記錄下滲量和濁度變化,繪制相應(yīng)的流量-時(shí)間和濁度-時(shí)間曲線,經(jīng)分析比選出不同暗管材質(zhì)及暗管外包材料滲透性的優(yōu)劣。3)不同的前置過(guò)濾裝置設(shè)計(jì)方案:進(jìn)水口水位仍為8cm,源水濁度近似為5.9NTU。裝置內(nèi)土壤的處理方法與第二組試驗(yàn)相同,然后將塑料管用土工布全幅纏繞置于濾層中。前置過(guò)濾裝置的進(jìn)水口分別采用2層過(guò)濾網(wǎng)、土工布包裹和土工布外埋粗砂,這3種設(shè)計(jì)方案各供水3d,采用同樣方法監(jiān)測(cè)和記錄08:30—21:30內(nèi)的下滲量和濁度變化,將3d數(shù)據(jù)取平均值來(lái)繪制相應(yīng)的流量-時(shí)間和濁度-時(shí)間曲線,比選出合適的進(jìn)水口布置方案,具體試驗(yàn)裝置布置與運(yùn)行形式如圖2所示。2結(jié)果與分析2.1滲透量的變化2.1.1進(jìn)水口水位設(shè)置為8.6m的情況暗管管徑(d)取0.02m,由于前置過(guò)濾裝置設(shè)計(jì)中過(guò)濾網(wǎng)和土工布的濾水量均大于埋粗砂的情況,故在分析濾水量時(shí)選用前置過(guò)濾裝置設(shè)計(jì)為埋粗砂的情況即可。其中,粗砂滲透系數(shù)k=6×101)進(jìn)水口水位H設(shè)置為6cm時(shí),水力坡度i=H/L進(jìn)水管=0.06/0.05=1.2,v=ki=0.00072m/s=62.208m/d,濾水量Q=vA=1.36×102)進(jìn)水口水位設(shè)置為8cm時(shí),i=0.08/0.05=1.6,v=ki=0.00096m/s=82.944m/d,濾水量Q=vA=1.81×103)進(jìn)水口水位設(shè)置為10cm時(shí),i=0.10/0.05=2.0,v=ki=0.00120m/s=103.68m/d,濾水量Q=vA=2.26×10式中:q為渠道單位長(zhǎng)度滲漏量;K為當(dāng)?shù)販\水含水層的滲透系數(shù),茲取2.8m/d;B為渠道水面寬;h為渠道水深;A為根據(jù)滲流理論推導(dǎo)出來(lái)的系數(shù),視斷面形式而定,對(duì)于水面寬度較小的渠道,A=2。由于此項(xiàng)目中采用圓管,所以該公式可以簡(jiǎn)化為:式中:D為外包土工布和過(guò)濾網(wǎng)厚度;d為管徑;L為細(xì)管長(zhǎng)度,取0.9m;則滿管時(shí)的理論入滲量Q=2.8×0.90×(0.02+0.02)=0.1008m結(jié)合濾水量計(jì)算公式和暗管滲漏量的理論公式可知,試驗(yàn)設(shè)置進(jìn)水口水位為6、8、10cm時(shí),其濾水量皆滿足暗管下滲量的要求,故此試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)是合理的。2.1.2試驗(yàn)結(jié)果的分析1不同定水位供水條件由表1看出同一時(shí)刻的進(jìn)水口供水水位越高,下滲量越大,且根據(jù)不同定水位供水條件下的日累計(jì)下滲量Q和水位H之間的關(guān)系可推導(dǎo)出經(jīng)驗(yàn)公式為:Q=-9.31H2土工布的下滲量選定進(jìn)水口水位為8cm,且前置過(guò)濾裝置的進(jìn)水口處用2層60目過(guò)濾網(wǎng)包裹,從而得到不同暗管材質(zhì)及不同暗管外包材料的下滲量如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可看出,經(jīng)過(guò)連續(xù)36h的觀測(cè),盲管包裹土工布的下滲量是塑料管包裹過(guò)濾網(wǎng)或土工布的2倍,滲漏效果最好;而用土工布或過(guò)濾網(wǎng)包裹相同材質(zhì)的暗管,土工布的滲水性較差的原因可能是在進(jìn)水口水頭有限的條件下,針刺土工布在短距離輸水過(guò)程中出水不均勻造成的,且由于盲管表面開(kāi)孔率達(dá)90%~95%,遠(yuǎn)大于塑料管的開(kāi)孔率,故出水量更大。此外,綜合不同暗管材質(zhì)及不同暗管外包材料的下滲量曲線可看出該過(guò)程主要分為2個(gè)階段:第1個(gè)階段是非穩(wěn)定自由滲漏階段,該階段內(nèi)滲漏量達(dá)到最大值,而后迅速減小,逐漸過(guò)渡到第2個(gè)階段,即穩(wěn)定自由滲漏階段,此時(shí)下滲量略有波動(dòng),但總體趨于穩(wěn)定3前置過(guò)濾裝置設(shè)計(jì)對(duì)下滲量的影響由表2可看出,在相同的定水位供水和暗管外包材料條件下,用2層過(guò)濾網(wǎng)包裹進(jìn)水口的下滲量要明顯優(yōu)于土工布和土工布外埋粗砂的進(jìn)水口,而進(jìn)水口用土工布包裹和用土工布外埋粗砂的下滲量相差不大,故此試驗(yàn)結(jié)果表明前置過(guò)濾裝置的設(shè)計(jì)對(duì)于下滲量的影響較小。2.2過(guò)濾效果2.2.1暗管內(nèi)泥沙量的計(jì)算根據(jù)渠道動(dòng)態(tài)輸沙公式式中:S為計(jì)算段出口含沙量(kg/m根據(jù)土樣檢測(cè)報(bào)告可知,源水的濁度為3.3NTU,1NTU=1mg/L=10試驗(yàn)研究中,計(jì)算段長(zhǎng)度L=0.90m,平均水位H=0.02m(以暗管底部為基準(zhǔn)面),α由表3可看出:與初始含沙量相比,進(jìn)入暗管的泥沙大部分會(huì)呈現(xiàn)懸浮狀態(tài),僅有較少量泥沙沉積。此外,在無(wú)前置過(guò)濾裝置的前提下,泥沙的沉積量在不同定水頭供水條件下大致相等,后方出水槽濁度相近,由此可知,不同定水頭供水條件對(duì)于暗管中泥沙分布沒(méi)有顯著影響,故仍需對(duì)暗管泥沙分布及下方出水口濁度變化的影響因素做進(jìn)一步研究。2.2.2試驗(yàn)結(jié)果1濁度的變化由圖5和圖6可知,在不同定水位供水條件下,隨著試驗(yàn)的進(jìn)行,進(jìn)水槽和出水槽的濁度差大致相同,而下方出水口的濁度變化則呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。說(shuō)明不同的定水位供水條件對(duì)于出水槽和下方出水口的濁度幾乎沒(méi)有影響,從而驗(yàn)證了暗管出口含沙量計(jì)算公式的準(zhǔn)確性。此外,在試驗(yàn)初始階段,出水槽濁度高于進(jìn)水槽濁度的原因是隨著試驗(yàn)的進(jìn)行,淤積在暗管中的泥沙在進(jìn)水槽和出水槽存在一定水頭差的條件下隨著水流沖刷到出水槽中,以達(dá)到清淤的效果。2暗采用過(guò)濾器包裹過(guò)濾效率由圖7可知,在保持前置過(guò)濾裝置的進(jìn)水口水位和設(shè)計(jì)方案相同,即前置過(guò)濾裝置大致能過(guò)濾19.6%泥沙的前提下,暗管管材對(duì)于出水槽和下方出口濁度沒(méi)有影響;而暗管用過(guò)濾網(wǎng)包裹和用土工布纏繞后分別能平均過(guò)濾52.0%和46.7%,故暗管用過(guò)濾網(wǎng)包裹的過(guò)濾效果要優(yōu)于用土工布,這也說(shuō)明不同暗管外包材料會(huì)直接影響下方出水口的濁度,但同樣對(duì)出水槽的濁度則影響不大。此外,由于試驗(yàn)期間的換水會(huì)對(duì)源水的濁度產(chǎn)生一定的影響,且供水過(guò)程中也有泥沙在進(jìn)水槽中累積,故圖中進(jìn)水槽和出水槽的濁度曲線出現(xiàn)一些波動(dòng),但相比于進(jìn)水槽的濁度變化,出水槽受換水影響較小,雖有小幅波動(dòng),但最終趨于穩(wěn)定。3前置過(guò)濾裝置過(guò)濾效果由圖8和圖9可知,在相同暗管外包材料和進(jìn)水口供水水位的條件下,保持進(jìn)水槽濁度大致相等,通過(guò)對(duì)比進(jìn)水槽和出水槽的濁度差異可知,源水經(jīng)過(guò)不同設(shè)計(jì)方案下的前置過(guò)濾裝置到達(dá)出水槽后泥沙的過(guò)濾效果分別為2層60目過(guò)濾網(wǎng)過(guò)濾19.6%泥沙、土工布過(guò)濾15.2%以及土工布外埋粗砂過(guò)濾23.2%;而對(duì)比下方出水口的濁度差異可知,2層60目過(guò)濾網(wǎng)過(guò)濾45.5%泥沙、土工布過(guò)濾46.0%以及土工布外埋粗砂過(guò)濾45.6%,故不同前置過(guò)濾裝置的設(shè)計(jì)方案對(duì)下方出水口的濁度無(wú)顯著影響,但卻對(duì)后方出水槽的濁度變化起到一定作用。3應(yīng)用效果分析1)下滲量的大小受暗管管徑、長(zhǎng)度及濾料厚度等因素影響外,還與供水水位和暗管管材及其外包材料密切相關(guān)。具體來(lái)說(shuō),盲管包裹土工布的滲漏效果最好;由試驗(yàn)所得經(jīng)驗(yàn)公式表明,進(jìn)水口水位與下滲量呈拋物線變化,水位為10cm時(shí)的下滲量最大。根據(jù)下滲量理論值與試驗(yàn)值的對(duì)比結(jié)果可知,為保證工程運(yùn)行安全,應(yīng)在理論計(jì)算公式中引入安全系數(shù)k′的取值范圍大致在1.1~1.2之間。運(yùn)用該滲流公式計(jì)算實(shí)際工程的下滲量,并與實(shí)測(cè)下滲量進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)二者的擬合程度較高,因此該滲流公式可用于實(shí)際工程下滲量的計(jì)算。2)不同定水位供水和