山西文水河道內(nèi)集水廊道工程設(shè)計

賈俊杰

（山西省西山提黃灌溉工程建設(shè)管理中心，山西 太原 030002）

山西文水河道內(nèi)集水廊道工程設(shè)計

賈俊杰

（山西省西山提黃灌溉工程建設(shè)管理中心，山西 太原 030002）

以山西省文水縣南峪口村集水廊道工程為例，探討了集水廊道工程設(shè)計時的結(jié)構(gòu)形式、高程、比降、斷面尺寸的確定，滲入流量計算，進水孔及反濾層設(shè)計，截水措施選擇，集水井與檢查井設(shè)計等。

天然河道；山西文水；集水廊道；工程設(shè)計

0 引言

山區(qū)河流的河床下，大部分存在潛流，在正常情況下，潛流在含水層中潛伏、流走。干旱時期，河流斷流，但是地下潛流仍保持原來或略低的潛水流量。若對潛流進行開發(fā)利用，可以有效解決當(dāng)?shù)厮Y源短缺問題［1～2］。

集水廊道工程主體結(jié)構(gòu)埋設(shè)于河床之下潛水層中，可以截蓄地下潛流，增加能夠利用的水資源量［3］。地下集水廊道大多數(shù)選擇在水文地質(zhì)條件優(yōu)越、含水層為粗顆粒的河段上修建，建筑材料通常選取當(dāng)?shù)氐拇罅铰咽?、塊石，工程造價?。?］。筆者試以山西省文水縣南峪口村天然河道內(nèi)修建集水廊道工程為例，對集水廊道工程設(shè)計進行探討，以期為同類型工程提供參考。

1 工程區(qū)水文地質(zhì)概況

1．1 工程區(qū)水文概況

山西省地處黃土高原東部，屬干旱、半干旱地區(qū)，是全國水資源較為匱乏的省份之一［5］。隨著用水總量的不斷增加，水資源供需矛盾越來越嚴(yán)重。文水縣位于山西省中部，隸屬于呂梁市，東隔汾河與祁縣、平遙相望，南與汾陽接壤，西依呂梁山脈與離石相連，北與交城、清徐相鄰，總面積1064．4km2。該縣氣候?qū)贉貛Т箨懶詺夂颍昶骄邓繛?06mm，最高年降水量為691．9mm （1964年），最低年降雨量為342．2mm（1972年）。降水空間分布差異很大，從西部山區(qū)到東部平川，降雨量逐漸遞減，山區(qū)年降水量為600～700mm，平川地帶年降水量為450～700mm。該區(qū)降水量年內(nèi)分配不均，夏秋兩季降雨量占全年降雨量的70%～80%。汾河、文峪河、磁窯河三大河流橫穿文水縣全境，同時還有多條季節(jié)性河流和數(shù)千條支毛溝，均屬黃河流域。

1．2 工程區(qū)地質(zhì)概況

集水廊道工程位于文水縣鳳城鎮(zhèn)南峪口村靛頭溝U形河槽中，河槽內(nèi)地層自上而下為人工堆積層及第四系全新統(tǒng)洪沖擊層。人工堆積層巖性為低液限粉土、黏土及漿砌石。低液限粉土、黏土呈淡紅色，土質(zhì)不均勻，含有大量碎石塊及生活垃圾，結(jié)構(gòu)松散。第四系全新統(tǒng)洪沖擊層上部為低液限粉（黏）土，結(jié)構(gòu)松散，淡紅或淡黃色，堅硬狀態(tài)，含水率平均值為20．5%，干密度平均值為1．51g／cm3，天然密度平均值為1．82g／cm3， 滲透系數(shù)平均值為2．15×10－4cm／s，具有弱－中等透水性，飽和壓縮系數(shù)平均值為0．35MPa－1，為中－高壓縮性，靈敏度平均值為2．4，為低－中等靈敏性，飽和快剪凝聚力平均值為12．4kPa，內(nèi)摩擦角平均值為20．0°。第四系全新統(tǒng)洪沖擊層下部為低液限黏（粉）土，結(jié)構(gòu)稍密，淡紅或褐黃色，可塑狀態(tài)，含水率平均值為21．5%，干密度平均值為1．53g／cm3，天然密度平均值為1．85g／cm3，滲透系數(shù)平均值為2．75×10－5cm／s，具有微－弱透水性，飽和壓縮系數(shù)平均值為0．28MPa－1，為中等壓縮性，飽和快剪凝聚力平均值為12．0kPa，內(nèi)摩擦角平均值為21．4°。

1．3 水源概況

集水廊道工程地下水主要是由河水滲漏和河床潛流補給形成的。河床潛流受到含水層介質(zhì)和河床坡度的影響，潛流徑流方向沿河床走向，由西北向東南流，水力坡度與河床坡度基本一致。集水廊道工程攔蓄的地下潛流通過DN150鋼管引至200m3調(diào)節(jié)蓄水池，再通過PE管自流，分別被引至已有的2座蓄水池，流經(jīng)已布置好的管道，進行灌溉。建成后的工程年平均徑流量為0．017m3／s，年可供水53．61萬m3。

2 集水廊道設(shè)計

2．1 工程布置

集水廊道工程適宜修建在滲流量大、河床平緩的河道內(nèi)，以便于截取更多的潛流。山西文水集水廊道工程布置于南峪口村靛頭溝U形河槽中，與主河床走向垂直，上游為側(cè)開敞的鋼筋混凝土箱涵式結(jié)構(gòu)，下游為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)墻。集水廊道與集水井和檢查井為一體，以利于提水和檢修。集水井布置在河道的左岸，檢查井布置在河道的右岸。集水廊道埋在土層中，溝槽用原土料回填。水由上游側(cè)滲入集水廊道的集水井，集水井連接外部引水管，水流經(jīng)管道，進入蓄水池。

2．2 結(jié)構(gòu)形式

常見的集水廊道結(jié)構(gòu)形式包括有截滲墻的完整集水廊道、有截滲墻的不完整集水廊道、無截滲墻的完整集水廊道、無截滲墻的不完整集水廊道4種。在垂直于潛流方向，無截滲墻的不完整集水廊道的兩側(cè)、一端及基礎(chǔ)均進水，廊頂埋深大于最大水流沖刷深度。該形式適用于河床地面下儲水量多、河流含沙量大、沙礫層厚、水位變幅大的河床。根據(jù)壩址處的地質(zhì)和水文地質(zhì)情況，從長期運用的實踐經(jīng)驗和不同形式集水廊道的運用效果來看，同時考慮到投資情況，該工程采用了無截滲墻的不完整集水廊道，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。圖1中，集水廊道側(cè)墻為厚500mm的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)墻，迎水面鋪設(shè)1000mm厚的卵石層（粒徑為5～20cm）。然后，堆疊7層2000mm×500mm的格檳石籠，中間布設(shè)無紡布反濾層。廊道頂部鋪設(shè)1500mm厚的卵石層 （粒徑為5～10cm），堆疊2000mm×500mm的格檳石籠，中間分別布設(shè)無紡布反濾層。

圖1 集水廊道橫剖面圖Fig.1 Catchment channel cross-section

2．3 集水廊道底部高程與比降的確定

根據(jù)實踐經(jīng)驗，為了充分利用地下潛流，增加集水廊道的入滲流量，集水廊道底部高程應(yīng)在強透水層以下合適的地方。根據(jù)壩址處的工程地質(zhì)情況和試驗研究結(jié)果，并避免經(jīng)歷最大洪水時集水廊道被洪水掏刷的情況，將集水廊道底高程置于現(xiàn)況地面以下7m處。以廊道內(nèi)水的流速能把淤積的泥沙帶出為原則，集水廊道比降取值為1／300。

2．4 集水廊道斷面尺寸的確定

集水廊道采用現(xiàn)澆C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，擬定斷面尺寸要考慮集水廊道的日入滲量和容水量。為便于施工、檢修和安全運用，吸收項目區(qū)群眾的實踐經(jīng)驗，并根據(jù)廊道頂部覆蓋層的厚度進行集水廊道斷面尺寸和結(jié)構(gòu)的計算。經(jīng)計算，集水廊道斷面凈寬為1．80m，凈高為2．90m，長為12．5m，墻和底板厚度均為0．50m，頂板厚度為0．2m。

2．5 集水廊道滲入流量計算

集水廊道滲入流量的大小主要取決于集水廊道內(nèi)外的水位和含水層土壤的滲透系數(shù)，同時還受集水廊道斷面尺寸影響。該工程在設(shè)計時，滲入流量按照P．P．丘蓋耶夫公式進行計算，如式（1）和式（2）所示。

式中：S為水位降深，m，S＝3m；T 為含水層厚度，m，T＝6m；K 為河床下含水層滲透系數(shù)，m／d，取20m／d；R為集水廊道影響帶的寬度，m，通過計算，R＝65．73m；b 為集水廊道的寬度，m，b＝1．8m；L 為集水廊道長度，m，L＝12．5m；H 為集水廊道底至靜水位的距離，m，H＝3m；h0為集水廊道內(nèi)水深，取集水廊道高的0．5倍，為1．45m；qr可按照 P．P．丘蓋耶夫圖解求得，它取決于α、β值

經(jīng)計算，壩址斷面集水廊道的入滲流量為0．017m3／s，年可供水量為53．61萬 m3。

2．6 進水孔及反濾層設(shè)計

進水孔布置在集水廊道上游側(cè)，由7層2m寬、0．5m厚的格賓石籠堆疊而成。格賓石籠上游為1m寬的卵石層（粒徑5～20cm）。廊道頂部為1．5～2m 厚的卵石層 （粒徑5～10cm），卵石層上部為300g／m2的無紡布和0．5m厚的格賓石籠。單個格賓石籠尺寸為2m×1m×0．5m，內(nèi)填卵石， 卵石粒徑為5～20cm。格賓是由經(jīng)機器編織而成的六邊形雙絞合鋼絲網(wǎng)，其鋼絲是經(jīng)過特殊防腐處理的低碳鋼絲。用于制作格賓的鋼絲（除蓋板外）采用鍍高爾凡（5%鋁鋅合金＋稀土元素）法防腐處理，蓋板采用鍍鋅覆塑法防腐處理，網(wǎng)面抗拉強度為50kN／m。

2．7 截水措施

在集水廊道工程建設(shè)中，遇到淤積層較厚、工程不能直接建在不透水層上的情況時，就需要在背水面采取防滲措施來截蓄地下潛流。常用的截水方法有“軟截水”和“硬截水”2種?！败浗厮笔窃诒乘骈_挖寬度為1．0～2．0m的截水槽到不透水層，用黏土回填。該方法截水效果較差，但造價較低，適用于截水深度較大的工程?！坝步厮笔前驯乘?zhèn)葔Φ幕A(chǔ)直接建在不透水層上，以此來防滲和截蓄地下潛流。此方法截水效果明顯，但造價較高，適用于截水深度較小的工程。山西文水集水廊道工程采用“硬截水”方法，將背水面?zhèn)葔A(chǔ)直接建在不透水層上，有效地截取了地下潛流，截水效果良好。

2．8 集水井與檢查井設(shè)計

集水井布置在集水廊道工程的一端或兩端，其底部低于廊道底部，以起到集水沉沙的作用。根據(jù)工程區(qū)的水文地質(zhì)條件，該工程將集水井布置在河道的左岸，與集水廊道為一體結(jié)構(gòu)。集水井深為1m，外部引水管在高出井底0．2m處與其連接。這樣，可以有效地預(yù)防由于泥沙淤積而造成的管道堵塞現(xiàn)象。為了便于檢查修理，每隔一定距離設(shè)置一個檢查井。該工程的檢查井布置在河道的右岸，高出地面1m，尺寸為1．2m×1．2m，進人口尺寸為0．7m×0．7m，井壁厚0．2m，內(nèi)置鋼制爬梯。集水井和檢查井均為C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)語

山西省文水縣南峪口村因地制宜，在天然河道內(nèi)修建集水廊道工程，有效地集蓄了地下潛流，解決了該地干旱少雨，無灌溉工程的問題。工程建成后，較大地改善了當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)基礎(chǔ)條件，提高了項目區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉保證率，促使項目區(qū)調(diào)整了農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)。該工程的建設(shè)和應(yīng)用實踐表明：通過開發(fā)利用地下潛流，可擴大灌溉面積，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，使農(nóng)業(yè)逐步向優(yōu)質(zhì)、高效、增產(chǎn)型農(nóng)業(yè)發(fā)展，同時引導(dǎo)廣大農(nóng)民更新觀念，改變陳舊的灌溉和生產(chǎn)模式，改善水資源開發(fā)利用環(huán)境，實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用和優(yōu)化配置，用有限的水資源最大限度地為農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)民增收和社會發(fā)展服務(wù)。

［1］ 陳國良，徐學(xué)選，程積民，等．寧南山區(qū)發(fā)展窖窖節(jié)水農(nóng)業(yè)的依據(jù)與潛力［J］．水土保持研究，1996，3（1）：2－7．

［2］ 張祖新．我國北方雨水集蓄與節(jié)水灌溉技術(shù)［J］．節(jié)水灌溉，2000（3）：13－14．

［3］ 王育男．截潛流壩工程在清原縣農(nóng)田灌溉中的應(yīng)用［J］．水利規(guī)劃與設(shè)計，2013（7）：61－63．

［4］ 劉煥芳，程琨，呂宏興，等．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．

［5］ 段喜明，李靖，吳普特．山西省水資源問題及其可持續(xù)利用［J］．水土保持通報，2005，25（3）：88－91．

TV85

B

10．13681／j．cnki．cn41－1282／tv．2017．04．003

2017-06-03

賈俊杰（1990－），男，山西壽陽人，助理工程師，主要從事農(nóng)田水利工程方面的工作。

[責(zé)任編輯 楊明慶]