新疆某滲濾取水工程反濾層設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

雪力卡提·阿里木

(新疆蘇齊農(nóng)業(yè)節(jié)水規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院(有限公司)，新疆 烏魯木齊 830049)

新疆自治區(qū)是典型的內(nèi)陸干旱型氣候，水資源缺乏且分布不均，加上農(nóng)業(yè)灌溉所需水資源量巨大，導(dǎo)致近幾年新疆自治區(qū)水資源缺口越來越大。據(jù)統(tǒng)計(jì)：到2030年全疆用水缺口將達(dá)到7.3億m3，屆時(shí)會(huì)嚴(yán)重阻礙當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。新疆地區(qū)有多條山溪性河流，很多河流河床沖積層厚度小、顆粒粗，且蘊(yùn)含潛水流，是理想的滲濾取水場(chǎng)地。人工反濾層對(duì)防止取水系統(tǒng)堵塞，保證其正常運(yùn)轉(zhuǎn)有著重要作用，因此要做好相關(guān)設(shè)計(jì)工作。

1 工程概況

新疆某滲濾取水工程源頭為某水庫庫區(qū)，終點(diǎn)為自來水廠，輸水線路總長(zhǎng)度約為9.8km，工程管線全部埋設(shè)地下，設(shè)計(jì)取水量為1.0×104m3/d，水源地總面積約為1.5×106m2。本滲濾取水工程主要建筑物包括：1座集水井，3條輸水平巷，6個(gè)集水硐室，2條滲渠組成(布置示意圖如圖1所示)。這些建筑物的主要參數(shù)見表1。

表1 滲濾取水工程建筑主要參數(shù)

圖1 滲濾取水工程布置示意圖

2 滲濾取水工藝流程分析

2.1 滲濾取水工程結(jié)構(gòu)原理

滲濾取水工程主要由滲濾孔群、反沖系統(tǒng)、水量控制系統(tǒng)、匯水硐室、江底輸水巷道和地面泵站組成。通過在集水豎井中抽水，產(chǎn)生水位降深，由于壓力傳導(dǎo)作用，河水位與豎井位之間產(chǎn)生壓力差，在河床底部砂卵石層內(nèi)形成低壓區(qū)，誘使河水下滲，穿過濾床表層濾膜、砂卵石層和特制過濾器后進(jìn)入?yún)R水洞室和井巷[1]。該系統(tǒng)流程圖和結(jié)構(gòu)圖分別如圖2—3所示。

圖2 滲濾取水工藝流程圖

圖3 滲濾取水工程立體結(jié)構(gòu)圖

2.2 滲濾取水工程適用條件及特點(diǎn)

(1)適用條件。綜合分析，滲濾取水工程適用條件主要包括以下3個(gè)：①河流流速v≥0.05m/s；②砂卵石濾床厚度范圍在3～30m；③砂卵石層下覆巖層較完整，工程地質(zhì)情況良好[2]。

(2)主要特點(diǎn)。①水質(zhì)優(yōu)：取水區(qū)位于江河中心地段，流速較大，水質(zhì)較岸邊好。河水入滲透床泥膜、砂卵石層將產(chǎn)生一系列物理、化學(xué)和生物凈化作用，過濾后水質(zhì)綜合指標(biāo)一般可達(dá)到國家生活用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。②水量大：濾床取水面積和表層水頭壓力是決定取水量的重要因素。滲濾取水系統(tǒng)可通過輸水巷道延伸和反向滲濾孔群來增大取水面積和水頭壓力，取水量較傳統(tǒng)傍河地下取水方式有了本質(zhì)的提高，單井日取水量可達(dá)5～10萬t[3]。③運(yùn)行服務(wù)期長(zhǎng)：取水過程中砂卵石濾床中水流速遠(yuǎn)小于江河流速，可保持地下潛流水自然平衡滲流狀態(tài)。在水流沖刷下砂卵石濾床表面沉積細(xì)顆粒物被置換，不易形成堵塞，所以正常情況下滲濾水廠服務(wù)期可達(dá)20a以上。④維護(hù)方便：通過地面對(duì)井內(nèi)滲濾孔群產(chǎn)水量的自動(dòng)控制系統(tǒng)，使豎井中水位快速降至輸水巷道以下，便于人和機(jī)具設(shè)備直接進(jìn)入井、巷道和硐室，維護(hù)、檢修較為方便。

3 滲濾取水工程反濾層設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

本項(xiàng)目滲濾取水工程采用滲渠作為集水管，由于本取水工程主要為居民提供生活用水，因此對(duì)水質(zhì)要求較高，設(shè)計(jì)在集水管上鋪設(shè)人工反濾層，其作用有2個(gè)：①防止上層土顆粒進(jìn)入反濾層，引起反濾層堵塞；②使進(jìn)入反濾層的滲流壓力消失，能夠通暢排走，維持滲流穩(wěn)定[4]。

3.1 反濾層不均勻系數(shù)的確定

反濾層的不均勻系數(shù)(Cu)是指濾料中顆粒粒徑的比例關(guān)系，是反映顆粒組成的重要指標(biāo)，計(jì)算見式(1)。為驗(yàn)證最佳不均勻系數(shù)，在此參照其他工程及試驗(yàn)，共設(shè)計(jì)了2種反濾層(均分為3層)：①第一層Cu=3.2，第二層Cu=1.8，第三層Cu=1.4；②第一層Cu=2.7，第二層Cu=3.2，第三層Cu=1.8。這2種反濾層的厚度—滲透系數(shù)關(guān)系曲線如圖4—5所示[5]。

(1)

式中，d60—小于該粒徑土重占總重的60%；d10—小于該粒徑土重占總重的10%。

圖4 第一種反濾層厚度—滲透系數(shù)關(guān)系

圖5 第二種反濾層厚度—滲透系數(shù)關(guān)系

由圖4—5可知：①隨著反濾層厚度的減少，其滲透系數(shù)在增加，但增加幅度急劇減小；②2種反濾層的滲透系數(shù)差別巨大，將近100倍，說明第二種反濾層出現(xiàn)了堵塞情況。滲透系數(shù)并不是越大越好，因?yàn)闈B透系數(shù)越大，水質(zhì)質(zhì)量也會(huì)越差。所以綜合考慮本項(xiàng)目滲透取水量和取水水質(zhì)，確定第一種反濾層作為本項(xiàng)目的最終施工方案[6]。

3.2 反濾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目的人工反濾層主要由砂石層構(gòu)成，要求其結(jié)構(gòu)同時(shí)滿足以下幾個(gè)要求：①上覆土層不會(huì)滲透到反濾層中；②人工反濾層每個(gè)分層內(nèi)的顆粒不得發(fā)生移動(dòng)，即主體骨架穩(wěn)定；③反濾層的砂礫料性能穩(wěn)定，耐久性好；④砂礫料應(yīng)為無黏性顆粒，不得發(fā)生堵塞[7]。

(1)反濾層控制粒徑。反濾層控制粒徑dk是指控制上層土體被破壞的粒徑值。本項(xiàng)目采用的砂礫料無黏性土反濾層，所以dk按照式(2)計(jì)算。本項(xiàng)目通過試驗(yàn)確定了各類土控制粒徑細(xì)粒區(qū)分粒徑，詳見表2，本項(xiàng)目反濾層粒徑級(jí)數(shù)少(3個(gè))，Cu<5，細(xì)粒區(qū)分粒徑為全體土料[8]。

(2)

表2 各類土控制粒徑細(xì)粒區(qū)分粒徑

圖6 人工反濾層結(jié)構(gòu)示意圖(單位：mm)

(2)結(jié)構(gòu)分層。為確定人工反濾層的最佳厚度，本項(xiàng)目通過試驗(yàn)手段將人工反濾層共設(shè)計(jì)了3層，從上至下依次為：0.5～1.0mm細(xì)砂(250mm)、1～5mm粗砂(200mm)、10～20mm礫石(300mm)，結(jié)構(gòu)如圖6所示，3種濾料具體級(jí)配曲線如圖7所示[9]。

圖7 3種濾料具體級(jí)配曲線

參照以上級(jí)配曲線，在該人工反濾層結(jié)構(gòu)下，其濾土凈化和排水減壓均滿足相關(guān)要求，說明人工反濾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的[10]。

4 結(jié)語

滲濾取水工程是對(duì)河流潛水流的充分利用，只要不打破地下潛水流平衡，可謂是可持續(xù)發(fā)展的取水工程。滲濾層對(duì)水質(zhì)、水量均有著直接影響，本項(xiàng)目設(shè)置人工反濾層后，水質(zhì)直接達(dá)到了國家生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)，水量也達(dá)到了設(shè)計(jì)值。反濾層設(shè)計(jì)要緊密結(jié)合工程上覆土層的顆粒性質(zhì)，不得直接參照其他工程，可能會(huì)造成反濾層堵塞，大大影響取水量。