劉宇亮

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊 830000)

1 試驗背景

獨石化從2005年起開始調(diào)研分析周邊河流向獨山子調(diào)水的可行性，通過前期論證，認(rèn)為從金溝河向獨石化調(diào)水是可行的。2010年5月下發(fā)的新水辦政資【2010】14號文，基本同意在金溝河50%頻率來水條件下向獨石化供水3000萬m3，在75%頻率來水條件下向獨石化供水2000萬m3，并同意論證報告所提出的在紅山頭引水樞紐以上7.1km處采取埋滲管方式取水[1]。埋滲管取水是將滲管埋設(shè)于河床或河漫灘以下設(shè)計深度，并在滲管上部加鋪人工反濾層，天然河水經(jīng)滲濾處理后，便可得到河流垂直滲透水量。埋滲管取水工程中反濾層是較為重要的部分，其濾料的透水性能對滲管取水能力有直接影響，濾土則決定著滲管取水的質(zhì)量。獨石化金溝河引水工程通過在河床下埋滲管取水的方式進(jìn)行供水不給，滲管反濾料的作用更為凸顯，為保證濾料充分發(fā)揮過濾和排水的作用，必須進(jìn)行反濾料和天然河床粗粒土綜合滲透特性試驗，測定天然河床料及各層反濾料的滲透系數(shù)及綜合滲透系數(shù)；同種反濾層在清水和渾水情況下，滲水量進(jìn)行對比研究，驗算設(shè)計參數(shù)，充分掌握反濾料的滲透性能，以綜合判斷埋滲管取水方案是否切實可行，并為取水工程設(shè)計提供建議。

2 試驗方案設(shè)計

2.1 試驗裝置

埋滲管取水反濾層設(shè)計主要包括層厚和層數(shù)兩個方面，層厚主要基于反濾料級配、粒徑等參數(shù)綜合確定，層數(shù)主要依據(jù)滲管取水質(zhì)量確定。按照獨石化金溝河引水工程設(shè)計資料，滲管取水反濾層為5層，上面為細(xì)料，下面為粗料，天然河床料鋪設(shè)在表層主要對滲水進(jìn)行初級過濾，反濾料層厚均按500mm設(shè)計。在試驗階段，根據(jù)相關(guān)設(shè)計制作出滲透試驗裝置，以進(jìn)行反濾層滲透系數(shù)測定以及水流滲透過程和渾水情況下反濾層過濾泥沙過程的觀測。試驗裝置采用有機玻璃并按長×寬×高為40cm×40cm×120cm的尺寸制作，按照模型尺寸，以反濾料實際鋪設(shè)厚度1:2.5的比例進(jìn)行試驗，由下至上鋪設(shè)反濾料，第1層-第4層反濾料粒徑分別按40-80mm、20-40mm、5-20mm及1-5mm設(shè)計，最表層鋪設(shè)天然河床料，并將測壓管設(shè)置在各濾料層間，濾管埋設(shè)于第1層反濾層下方，從上往下滲流。試驗裝置中濾料裝滿后滲透面積可達(dá)150cm2，四層反濾料滲徑均按200mm設(shè)計。

為驗證試驗材料的代表性，按照本次引水工程設(shè)計技術(shù)要求在項目區(qū)附近選取3組河床料，設(shè)計中選用的4層濾料滲透系數(shù)依次為1-5mm 濾料滲透系數(shù)1.04×10-2cm/s；5-20mm濾料滲透系數(shù)5.69×10-1cm/s；20-40mm濾料滲透系數(shù)5.06×10-1cm/s；40-80mm濾料滲透系數(shù)1.08×10-1cm/s，反濾層滲透系數(shù)滿足濾料設(shè)計中透水要求。根據(jù)《土工試驗規(guī)程》的要求進(jìn)行顆粒篩分試驗，河床濾料顆粒篩分曲線，見圖1。試驗結(jié)果表明，河床料曲率系數(shù)為2.5，不均勻系數(shù)為38.9，級配良好，濾料含泥量0.38%，>60mm粒徑的河床料含量9.4%，60-2mm粒徑的濾料含量70.1%，2-0.075mm粒徑的濾料含量20.3%，<0.075mm粒徑的濾料含量0.2%，粒料級配良好[2]。

圖1 河床濾料顆粒篩分曲線

2.2 試驗方案

獨石化金溝河引水工程滲管反濾料滲透特性試驗共包括清水、渾水2種工況，清水選擇工程區(qū)自來水，渾水則根據(jù)工程區(qū)所在流域多年洪水懸移質(zhì)情況配置。水流從試驗裝置上方按設(shè)計流速注入，待濾料充分飽和、滲管出水量穩(wěn)定后進(jìn)行進(jìn)出口水頭、滲管出水量、測管水頭等試驗數(shù)據(jù)的記錄，并采用達(dá)西公式進(jìn)行各層濾料滲透系數(shù)量化計算，根據(jù)試驗結(jié)果進(jìn)行反濾料滲透特性及埋滲管取水方案合理性的評價。

2.3試驗內(nèi)容與過程

本次滲管反濾料滲透特性試驗內(nèi)容主要包括以下方面：①天然河床料的篩分，提供室內(nèi)試驗?zāi)Ｐ土希虎谔烊缓哟擦系臐B透試驗，計算天然河床料的滲透系數(shù)；③測定4種反濾料的滲透系數(shù)和綜合滲透系數(shù)；④對設(shè)計的反濾層分別進(jìn)行清水和渾水情況下滲水量的對比研究，以及渾水試驗下泥膜厚度與滲透系數(shù)的關(guān)系研究。

清水試驗下滲管中出水主要為清水，反濾料性能并未表現(xiàn)出明顯的變化，5次滲水試驗后僅表現(xiàn)為測管水頭與出水量的略微減??；渾水試驗下滲管出水仍略有渾濁，且在各層反濾料表層均形成一層薄泥膜，隨滲水時間的延長泥膜厚度逐漸增加，而且少部分泥土?xí)怀掷m(xù)水流帶入濾料內(nèi)，測管水頭與出水量也持續(xù)下降。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 清水試驗

從試驗裝置上端按設(shè)計流速注入清水，待反濾層充分飽和過濾且出水，共進(jìn)行5次試驗，按設(shè)計時間間隔進(jìn)行測量管出水口水頭、各層反濾料測壓管水頭的測量和記錄，并根據(jù)所取得的試驗數(shù)據(jù)計算各反濾層濾料滲透系數(shù)及總濾料綜合滲透系數(shù)，公式如下：

(1)

式中：ky為垂直于反濾層的土層滲透系數(shù)均值；H為總濾料水位差，m；H1、H2、…、Hn為各層濾料水位差，m；k1、k2、…、kn為各層濾料滲透系數(shù)。

將本工程反濾料滲透特性清水試驗各項參數(shù)帶入式(1)所得各反濾層濾料滲透系數(shù)結(jié)果詳見下表。根據(jù)表中試驗及計算結(jié)果可知，在所進(jìn)行的5次試驗中，各層濾料滲透系數(shù)的變化存在一定規(guī)律性，其隨濾料孔隙率的增大而增大，隨試驗持續(xù)時間的延長而減小，主要原因在于在水的滲透下表層河床料中粒徑1mm以下的細(xì)顆粒逐漸下滲至下層濾料，導(dǎo)致下層濾料孔隙堵塞，下層濾料滲透系數(shù)及總濾料層綜合滲透系數(shù)逐漸減小[2]，清水試驗各反濾層濾料滲透系數(shù)，見表1。

表1 清水試驗各反濾層濾料滲透系數(shù)

從反濾料清水滲透試驗結(jié)果可以看出由于河床料缺乏1-2mm粒徑組，在滲水過程中，有明顯的細(xì)料(1mm以下)下沉現(xiàn)象，部分細(xì)料沉積在1-5mm濾料表層，造成河床料滲透系數(shù)有所下降。

3.2 渾水試驗

渾水試驗中注入試驗裝置的是所配置的渾水，其余試驗方法與清水試驗相同。渾水配置主要依據(jù)金溝河流域6月份洪水期內(nèi)洪水懸移質(zhì)年平均含量(也即小于某粒徑的沙重占比)，金溝河流域6月份洪水期內(nèi)洪水懸移質(zhì)年平均含量統(tǒng)計表，見表2。

表2 金溝河流域6月份洪水期內(nèi)洪水懸移質(zhì)年平均含量統(tǒng)計表 %

渾水試驗所測得的各反濾層泥膜厚度及滲透系數(shù)結(jié)果見表3，根據(jù)試驗發(fā)現(xiàn)，滲流出水量及各反濾層測壓管水頭并不穩(wěn)定，比清水試驗下降幅度大，且為獲得各反濾層所形成的泥膜淤積厚度對滲管取水影響的相關(guān)數(shù)據(jù)，延長并增加了試驗時間和次數(shù)。

表3 渾水試驗各反濾層泥膜厚度及滲透系數(shù)結(jié)果

通過渾水試驗結(jié)果可知，各層反濾料滲透系數(shù)明顯比清水試驗小，且天然河床料滲透系數(shù)受泥膜淤積厚度影響較大，反映出天然河床料對渾水中泥土具有較大的過濾作用；滲管出水量大，表明反濾料排水效果良好，但出水口出水較為渾濁，說明第4層反濾層顆粒粒徑較大，導(dǎo)致粒徑<1mm細(xì)顆粒透過了反濾層，過濾效果略差。

對于滲透系數(shù)較大的反濾層，渾水過濾導(dǎo)致其出現(xiàn)部分淤塞和滲透系數(shù)的大幅下降，主要原因在于此類反濾層濾土能力小，排水能力強，進(jìn)入其中的細(xì)顆粒泥沙部分隨水流滲透過程排出，其余部分則吸附在反濾層砂石表層，改變反濾層結(jié)構(gòu)并降低其滲透系數(shù)。

對于滲透系數(shù)較小的反濾層其濾土能力強而排水能力弱，渾水中細(xì)顆粒泥沙被過濾在反濾層表層并形成透水能力較弱的泥膜，隨著泥膜厚度的增加，滲透系數(shù)減小；進(jìn)入反濾層內(nèi)的細(xì)顆粒吸附能力增強，排水能力弱化，導(dǎo)致反濾層內(nèi)孔隙減小，滲透系數(shù)降低。

從反濾料渾水試驗可以看出，河床料滲透系數(shù)隨淤落厚度的增加下降明顯，有少量泥土透過反濾層，使濾料滲透系數(shù)下降，但不明顯。從出流情況看，水質(zhì)濁度偏小，基本可以滿足用水要求。

4 結(jié) 論

根據(jù)文章所進(jìn)行的獨石化金溝河引水工程滲管反濾料滲透特性試驗結(jié)果可以看出，工程所選擇的濾料雖考慮了透水性要求，但濾土效果不好，建議減小表層1-5mm濾料的粒徑或增加一層反濾料，增加濾土效果。此外，引水工程濾管反濾料設(shè)計可以考慮采用混合反濾料，將河床料剔除粗料后，將5mm以上顆粒作為濾料，5mm以下顆粒作為保護(hù)料，使混合濾料具有一定自反濾性，表層鋪設(shè)一層粗砂，落淤后每年推掉重新鋪設(shè)，這樣既可以節(jié)約資金又可以延長反濾料的壽命。