不同水位條件下滲渠集水能力砂槽試驗與分析

李欣欣,王遠明

(黑龍江大學 a.水利電力學院;b.寒區(qū)地下水研究所,哈爾濱 150080)

0 引 言

滲渠取水工程對于含水層淺薄、巖土層透水性差或具有凍層的寒區(qū)山前沖積河谷區(qū)等地[1],以及借助常規(guī)豎井難以汲取充足水量的地區(qū)具有較強的適用性及實用價值[2],因此曾有研究機構(gòu)對滲渠取水工程進行了相關(guān)研究。新疆石河子大學劉持峰[3-4]、程琨[5]、劉煥芳[6]對新疆地區(qū)的滲渠取水工程采用模型試驗的方式進行研究,探求影響滲渠集水量的影響因素以及得出計算公式;趙順安[7]整理給出了匯流和不同數(shù)量吸水頭的阻力系數(shù)計算公式,可供類似工程設(shè)計計算采用或參考。針對目前滲渠試驗的相關(guān)研究多集中在滲渠產(chǎn)水量的影響因素上,本試驗旨在模擬在不同水位條件下傍河型淺薄含水層滲渠的集水量特征,從而分析水位變化對滲渠集水量的影響,為滲渠取水工程的研究提供參考。

1 試驗目的

滲渠取水工程可集取傍河型淺薄含水層中的水和非傍河型淺薄含水層中的水。本試驗研究在不同水位條件下傍河型淺薄含水層滲渠集水量的變化特征:在各影響因素相同的條件下,即在含水層特性、水源特征和滲渠自身特征相同的條件下,僅改變水位條件,分析滲渠集水量與水位變化的關(guān)系。

2 試驗裝置與試驗方法

本試驗在1 m長、0.6 m寬、0.5 m高的長方體砂槽中進行,試驗裝置由主件和附件兩部分組成,主件包括3部分分別為:模擬河流補給水源的供水裝置、含水層模擬裝置以及滲渠模擬裝置。其中滲渠設(shè)計為0.6 m×0.1 m×0.2 m的長方體槽體,平行于河流鋪設(shè)在砂槽底邊,滲渠開孔率為1.5%,孔眼直徑為0.015 m。附件包括用來模擬河流與含水層的邊界隔砂網(wǎng),以及用來觀測水位變化過程的測壓管。測壓管設(shè)置于槽身邊壁的背面和底面,共設(shè)置4列,每列4個。

本試驗由供水裝置處供水,設(shè)有調(diào)節(jié)水位的定水頭裝置,水經(jīng)隔砂網(wǎng)透過模擬的含水層,匯集到滲渠中,再由滲渠底部的排水孔排出。通過設(shè)計的4個特征水位,均以砂槽底部作為基準面,水位分別為(40.5 、33 、22 、13 cm),為方便分析試驗數(shù)據(jù),將試驗次數(shù)與水位進行編號,本試驗在相同的條件下進行了兩組試驗,第二組試驗是用來校核數(shù)據(jù)的,將第一組試驗用A來代表,第二組試驗用B代表,每組試驗中40.5 cm水位用A代表,33 cm水位用B代表,23 cm水位用C代表,13 cm水位用D代表。利用這4個特征水位依次進行滲渠集水能力的試驗,每一個定水位下都記錄了各個不同時間段的供水量、滲渠的排水量及測壓管的讀數(shù)。

3 試驗結(jié)果

試驗前對模擬含水層介質(zhì)的滲透系數(shù)進行測定,根據(jù)達西定律,計算可得試驗所用含水介質(zhì)的滲透系數(shù)為9.5 m/d。

試驗結(jié)果中包括累計時間、時段內(nèi)排水流量,見表1和表2。表1中序號1～15為40.5 cm水位處的數(shù)據(jù),16～25為33 cm水位處的數(shù)據(jù),26～42為23 cm水位處的數(shù)據(jù),43～49為13 cm水位處數(shù)據(jù);表2中序號1～10為40.5 cm水位處的數(shù)據(jù),11～17為33 cm水位處的數(shù)據(jù),18～24為23 cm水位處的數(shù)據(jù),25～30為13 cm水位處的數(shù)據(jù)。第一列測壓管用“E”表示,第二列測壓管用“F”表示,第三列測壓管用“G”表示,第四列測壓管用“H”表示。

表1 A組滲渠集水量試驗數(shù)據(jù)Table1 Data of seepage channel experiment(A組)

表2 B組滲渠集水量試驗數(shù)據(jù)Table2 Data of seepage channel experiment(B組)

4 結(jié)果討論

兩組試驗的結(jié)果進行對比分析,為了清晰地描述兩組試驗中滲渠流量的變化,將滲渠在一定時間段內(nèi)的流量繪成曲線圖,如圖1～圖4。橫坐標為在這一水位條件下試驗開始到結(jié)束時間,用T表示;縱坐標為各時間段內(nèi)滲渠集水量,用Q表示。從4幅曲線圖中可以看出滲渠的集水量隨時間增加而發(fā)生變化,滲渠流量逐漸趨于穩(wěn)定。將兩組試驗中每組的滲渠集水量試驗值和計算值、水力坡度、流速值進行整理,見表3。

圖1 Aa和Ba組試驗集水量與時間關(guān)系曲線Fig.1 Curve of relationship between flow and time of Aa and Ba

圖4 Ad和Bd組試驗集水量與時間關(guān)系曲線Fig.4 Curve of relationship between flow and time of Ad and Bd

表3 滲渠相關(guān)數(shù)據(jù)計算表Table3 Parameters of the seepage channel

由表3可見,在兩組試驗中當水位在距砂槽底部40.5 cm高時,即距離滲渠頂端相對高度20.5 cm,兩組試驗滲渠流速最大,分別為2.95 m/d和3.42 m/d;當水位在距砂槽底部33 cm高時,即距離滲渠頂端相對高度為13 cm,滲渠流速分別為1.9 m/d和0.86 m/d;當水位在距砂槽底部23 cm高時,即距離滲渠頂端相對高度為3 cm,滲渠流速分別為0.67 m/d和0.48 m/d;當水位在距砂槽底部13 cm高時,此時滲渠側(cè)面只有一排集水孔集水,滲渠流速分別為0.01 m/d和0.19 m/d;根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析,在一定條件下,滲渠流速與供水處水位成正比。

兩組試驗的滲渠集水量試驗值中Aa和Ba組集水量最大,分別為0.59 m3/d和 0.38 m3/d;Ad和Bd組滲渠集水量最小,分別為0.01 m3/d和0.03 m3/d,滲渠集水量計算值根據(jù)達西定律公式進行計算,為便于與滲渠集水量試驗值進行比較,滲渠試驗值與計算值存在一定誤差,但誤差不大,通過計算可知Aa和Ba組集水量也是最大,分別為0.46 m3/d和0.36 m3/d;Ad和Bd組滲渠集水量最小,分別為0.001 m3/d和0.09 m3/d,通過試驗與計算分析可知在一定條件下,滲渠集水量與水位高度成近似正比關(guān)系。

根據(jù)表3中水位與滲渠流量的計算值和試驗值,將水位與流量做成柱狀圖,見圖5和圖6。其中橫坐標表示設(shè)計的4個特征水位,用H表示,縱坐標為滲渠集水量,用Q表示。

從圖中可已看出在其它條件一定的情況下,同一條滲渠供水裝置處水位越高,滲渠產(chǎn)水量(Q)就越大,即明渠水深決定了滲渠取水的有效水頭,從而影響滲渠的取水量。

將兩組試驗中4個水位的測壓管的數(shù)據(jù)根據(jù)表1和表2進行整理,并做成測壓管水位變化曲線圖,便于分析地下水滲流的運動特征,如圖7～圖8,橫坐標表示測壓管的位置用L(cm)表示,第一列測壓管位置是距離砂槽首18 cm處,縱坐標表示供水裝置處水位用H(cm)表示,其中每個水位處的每組測壓管的數(shù)據(jù)均取平均值進行曲線的繪制,從上到下依次為供水處水位為40.5、33、23 cm 和13 cm 4組測壓管數(shù)據(jù)繪制的曲線。圖中分別在4個水位處的浸潤線擬合的很好,可見各水位的浸潤線從左至右逐漸下降;滲渠供水裝置的最高水位40.5 cm處的水力坡度大于33、23 cm和13 cm水位處的水力坡度,且按照供水裝置處水位由高到低,水力坡度依次減小,其過水斷面也隨著滲渠供水裝置處的水位降低依次減小。

5 結(jié) 論

本試驗模擬了在不同水位條件下傍河型淺薄含水層滲渠集水能力,通過A、B兩組試驗結(jié)果的比較,分析水位變化對滲渠集水量的影響,兩組試驗滲渠集水量的計算值是為了校核集水量的試驗值。試驗結(jié)果經(jīng)過計算,在第一組試驗中供水裝置的水位在40.5 cm時,滲渠集水量試驗值為0.59 m3/d,計算值為0.46 m3/d,均大于供水裝置處水位在33、23 cm和13 cm處的試驗值和計算值,第二組試驗中供水裝置的水位在40.5 cm時,滲渠集水量試驗值為0.36 m3/d,計算值為0.36 m3/d,均大于供水裝置處水位在33、23 cm和13 cm處的試驗值和計算值。由試驗數(shù)據(jù)分析得知,滲渠的集水量的大小與供水裝置處水位高低近似成正比,即模擬的河流水位越高則滲渠集水量越大。兩組試驗在各個水位處的浸潤線均呈下降趨勢,水力坡度隨供水裝置處水位的降低逐漸減小,說明符合滲渠集水量隨供水裝置處水位的降低而逐漸減小的規(guī)律,本試驗是切實可行的。

[1]吳正淮.滲渠取水[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1981.

[2]曹劍峰,遲寶明,王文科,等.專門水文地質(zhì)學:第三版[M].北京:科學出版社,2006:171.

[3]劉持峰.濾管長度對滲渠產(chǎn)水量的影響[J].人民長江,2008,39(1):30-32.

[4]劉持峰.滲渠取水水力特性試驗研究[D].石河子:石河子大學,2008.

[5]程 琨.滲渠取水量影響因素試驗研究[D].石河子:石河子大學,2007.

[6]劉煥芳,程 琨,呂宏興.明渠水沙條件對滲渠產(chǎn)水量影響分析[J].水利水電科技進展,2008,28(2):4-7.

[7]趙順安,段杰輝.取水工程取水頭水力特性的試驗研究[J].水動力學研究與進展,2003,18(6):698-701.