球型防滲逆止閥在北疆某大型渠道排水系統(tǒng)中的應(yīng)用

郝 毅，李曉慶

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆水利水電學(xué)校，新疆 烏魯木齊 830013)

0 前 言

北疆大型渠道停水期往往在秋后，晝夜溫差大，在運(yùn)行過程中通過防滲體滲入渠基的水分不僅會(huì)造成水量損失，若不能及時(shí)排出，反而可能使渠基土處于水飽和狀態(tài)，極易引起凍脹、鹽脹、滲透等多種破壞，對(duì)渠道造成極大的安全隱患，產(chǎn)生高額的維修保養(yǎng)費(fèi)用。設(shè)置排水系統(tǒng)是降低渠道滲漏造成破壞的有效措施之一。而利用渠道內(nèi)與渠基地下水位波動(dòng)實(shí)現(xiàn)單向排水功能的逆止閥組成的排水系統(tǒng)，能夠在渠道運(yùn)行期阻止向渠道基礎(chǔ)入滲，在渠道停水期將渠基入滲水體單向排入渠道內(nèi)，可以有效降低渠基地下水位，降低渠道因滲漏造成的破壞。

1 球型防滲逆止閥結(jié)構(gòu)及原理試驗(yàn)

ND150球型防滲逆止閥主要由閥蓋、閥體和防滲膠球三部分組成。閥體直徑150 mm，長(zhǎng)度265 mm。工作壓力：0.25 MPa，開啟水頭宜為2～5 cm，10 cm水頭內(nèi)達(dá)到2 000 mL/s流量。關(guān)閉(密封)壓力：10～30 mm；泄漏率≤0.01%。溫度：-20℃～50℃。逆止閥閥體、閥蓋為塑料材質(zhì)，防滲膠球?yàn)橄鹉z材質(zhì)。

逆止閥安裝完畢后，兩側(cè)分別是渠道襯砌內(nèi)水體和渠道基礎(chǔ)地下水水體。逆止閥通過重力、浮力和渠道內(nèi)外水頭差，控制橡膠球的上下移動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)單向排水。逆止閥會(huì)因渠道基礎(chǔ)地下水位和渠道內(nèi)水位的變化而開啟或關(guān)閉，分成兩種工況，一種是開啟狀態(tài)工況，一種是關(guān)閉狀態(tài)工況。具體結(jié)構(gòu)如圖1，密封膠球?qū)嵕€位置為關(guān)閉狀態(tài)，虛線位置為開啟狀態(tài)。

圖1 球型防滲逆止閥結(jié)構(gòu)示意圖

開啟狀態(tài)：渠道基礎(chǔ)地下水水位高于渠道內(nèi)部水位，密封膠球被頂起，地下水通過閥體流入渠道內(nèi)，從而降低渠道基礎(chǔ)地下水水位。

關(guān)閉狀態(tài)：渠道基礎(chǔ)地下水水位低于渠道內(nèi)部水位，密封膠球?qū)⑦M(jìn)水口堵住，渠道內(nèi)的水不可外滲。

2 球型防滲逆止閥工作狀況模擬試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置

主要由以下六部分組成：①高壓水箱；②地下水位模擬池；③逆止閥；④渠道水位模擬池；⑤花墻；⑥直角三角測(cè)流堰。系統(tǒng)布置見圖2。

圖2 逆止閥測(cè)試系統(tǒng)布置圖

測(cè)量?jī)x器：測(cè)壓管(或壓力表)、量筒(或臺(tái)秤)、秒表等。

2.2 試驗(yàn)方法與量測(cè)手段

高壓水箱、地下水位模擬池、逆止閥、渠道水位模擬池、花墻、直角三角測(cè)流堰依次連接。高壓水箱用于為地下水位模擬池提供用水，模擬渠道基礎(chǔ)中的地下水，通過供水管與地下水位模擬池連接。地下水位模擬池可實(shí)現(xiàn) 60 cm 范圍內(nèi)水位的自由升降，用于模擬地下水位的水頭條件，并用測(cè)壓管讀取水位變化數(shù)據(jù)。地下水位模擬池通過逆止閥與渠道水位模擬池相連。逆止閥須確保密封，連接地下水位模擬池和渠道水位模擬池。渠道水位模擬池亦可實(shí)現(xiàn) 60 cm 范圍內(nèi)水位的自由升降，用于模擬渠道水位水頭條件，并用測(cè)壓管讀取水位變化數(shù)據(jù)。出水通過花墻整流后流向直角三角測(cè)流堰。直角三角測(cè)流堰測(cè)量過流流量。公式為：

Q=1.343H2.47

式中，Q為流量，m3/s,H為堰上水頭，m。

設(shè)備安裝好后，測(cè)試裝置可模擬渠道內(nèi)水位的變化和地下水位的變化，水頭差數(shù)值由兩個(gè)模擬池測(cè)壓管獲得，根據(jù)不同水頭差測(cè)定逆止閥的止水性能、排水性能和排水流量，流量由直角三角測(cè)流堰計(jì)算得出。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

開啟狀態(tài)工況：地下水位模擬池水位高于渠道水位模擬池，當(dāng)水位差達(dá)到10 mm時(shí)，逆止閥開啟。流量與水頭的關(guān)系如圖3所示。

圖3 逆止閥流量與水頭關(guān)系圖

關(guān)閉狀態(tài)工況：地下水位模擬池水位低于渠道水位模擬池，逆止閥鎖死關(guān)閉，流量為0 mL/s。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果：①地下水位模擬池水位低于渠道水位模擬池時(shí)，逆止閥立刻關(guān)閉，流量為0 ml/s，泄漏率≤0.01%；②地下水位模擬池水位高于渠道水位模擬池，當(dāng)水位差達(dá)到10 mm時(shí)，逆止閥開啟，開啟水頭為10 mm；③在開啟狀態(tài)工況下，逆止閥流量隨水頭差增加而增加，數(shù)據(jù)分布規(guī)律近似線性關(guān)系分布。

試驗(yàn)結(jié)果的實(shí)際應(yīng)用：在渠道排水系統(tǒng)應(yīng)用中，逆止閥開啟水頭的取值應(yīng)取逆止閥本身所能達(dá)到的最小值，使逆止閥可以及時(shí)關(guān)閉或開啟。結(jié)合渠道水頭分布特點(diǎn)，通過滲流計(jì)算分析得出，逆止閥的布置參數(shù)，包括規(guī)格、排距、間距等。

3 球型防滲逆止閥在渠道排水系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 渠道概況

北疆某干渠為跨流域調(diào)水工程，總長(zhǎng)217 km，渠道為弧形底梯形斷面，頂寬23m，坡比1:1.75。渠道設(shè)計(jì)流量55 m3/s，加大流量60 m3/s，該渠道主要破壞形式為凍脹、鹽脹和膨脹巖土，究其原因都是滲漏引起，將逆止閥應(yīng)用到渠道排水系統(tǒng)中，有益于避免渠道滲透造成的破壞，是上佳選擇。

3.2 球形防滲逆止閥在干渠排水系統(tǒng)的應(yīng)用

球形防滲逆止閥在干渠排水系統(tǒng)中沿著軸線，在渠底和渠坡指定位置平行分布。逆止閥沿著渠道底部縱向排水每隔100m布置一個(gè)，通過三通管連接底部縱向排水體，同時(shí)在渠坡指定位置，沿渠道縱向每隔100 m布置一個(gè)，與渠道底部布置的逆止閥縱向間隔50 m，并設(shè)橫向排水花管插入渠底縱向排水體中，組成逆止排水系統(tǒng)。如圖4所示。

圖4 逆止閥布置示意圖

3.3 球形防滲逆止閥在干渠排水系統(tǒng)的應(yīng)用效果

在渠道運(yùn)行時(shí)，經(jīng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，逆止閥由于閥體兩側(cè)壓差，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)單向排水，與渠道其他排水形式結(jié)合，形成逆止排水系統(tǒng)，有效控制基礎(chǔ)滲水。渠道一個(gè)運(yùn)行期結(jié)束后，在停水期觀測(cè)，逆止閥由于泥沙淤積運(yùn)行異常。相對(duì)逆止閥使用前，渠道襯砌板斷裂明顯減少，未發(fā)生渠道坡面大面積滑移、渠壁塌陷變形、堤頂縱向裂縫、局部填方段出現(xiàn)嚴(yán)重滲漏甚至管涌等危害。逆止閥的排水能力得到肯定。

4 結(jié) 論

渠道是北疆地域主要的輸水形式。由逆止閥組成的排水系統(tǒng)在北疆地域渠道運(yùn)行維護(hù)中具有極大的應(yīng)用價(jià)值。將逆止閥應(yīng)用到渠道的排水系統(tǒng)中，根據(jù)渠道運(yùn)行水位變化自動(dòng)調(diào)節(jié)工作狀態(tài)，阻止水體向外滲漏，提高渠道襯砌抗浮穩(wěn)定，有效排除基礎(chǔ)中入滲的水體，明顯改善了因渠道滲漏造成的破壞，大幅降低了渠道維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。然而，逆止閥在具體應(yīng)用過程中也存在耐久性和抗淤堵性不夠的問題，影響其在工程中正常發(fā)揮作用，待進(jìn)一步研究改進(jìn)。

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