滲渠集取地下水在某縣城引水工程中的應用

摘 要：地下水資源作為一種極其寶貴的資源，宜優選作為生活飲用水水源。滲渠是一種集取地下水的構筑物型式，本文根據某縣城引水工程實例，分析、討論了地下水集取方案的選擇、滲渠出水量的計算、滲渠的水力設計、人工濾層設計以及滲渠的結構設計等內容。目前，該工程已基本完工并進行了抽水試驗，試驗結果表明，滲渠式集取地下水能夠提供優質、足量的飲用水水源。

關鍵詞：滲渠；地下水；出水量；水力設計；結構設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.068

地下水資源作為一種極其寶貴的資源，能夠不斷地得到補給，可廣泛地應用于城市居民用水、工業用水和農業用水。符合衛生要求的地下水，宜優選作為生活飲用水水源。某縣城引水工程工程區主要含水層為圓礫層，透水性較強，滲透系數建議值為100～150m/d。工程勘察時正值枯水期，地下水埋深3～7.3m，高程為716.6～725.9m，西部水位高，東部略低，地層巖面線高711.5～713.6m。工程區東側河道一般常年有水，豐水期地下水水位上升的可能性很大。

1 取水構筑物比選

由于地下水埋藏條件、開采條件及當地經濟技術條件和習慣的不同，地下水取水構筑物的型式多種多樣，一般可分為垂直取水、水平取水、聯合取水和引泉取水等類型。縣城引水工程設計供水能力為2萬m3/d，根據工程特點和工程區水文地質條件，并綜合考慮各種實際情況，選取大口井取水、完整式滲渠集水進行比較。

大口井作為一種地下水垂直取水構筑物，適用于地下水埋深在10m以內的潛水、承壓水，含水層厚度一般為5～15m，水文地質特性為砂、礫石、卵石，滲透系數在20m/d以上。根據本工程取水區水文地質條件，計算大口井的單井出水量為2000m3/d，為滿足2萬m3/d的設計供水能力，需要修建10座同等規模的大口井。

由于本工程用水量較大，采用大口井集水方案井數較多，為減小各出水井的相互影響，井距根據水文地質條件確定在100m以上。井群集水方式可采用虹吸管集水和各單井內設抽水設備。若井群采用虹吸管集水時，采用截頭圓錐形大口井，井距不宜太大。截頭圓錐形大口井井壁傾斜度大，施工時穩定性能差，井筒易發生傾斜且不易校正，施工中要防止井周圍土壤塌陷和不均勻下沉。若各單井內設抽水設備，會增加電氣設備的數量及投資，不利于水源的統一管理和調配。

相比于大口井井群集水方案，水平集水構筑物具有布置集中、出水量穩定、便于施工等優點，故本工程選用完整式管道滲渠取水方案。

2 滲渠出水量計算

滲渠工程區含水層較厚，補給充沛，河床較穩定，水質較好。為了施工和檢修方便，同時考慮淤塞和出水量變化等因素，將滲渠平行河道布置，以集取河床潛流水和岸邊地下水。根據工程區地層巖面線高程，滲渠整體坐落在強風化巖上，為完整式滲渠設計。

同時集取河床潛流水和岸邊地下水的完整式滲渠出水量按下式進行計算：

式中：L—滲渠長度（m），取250m；

K—滲透系數（m/d），取120m/d；

H—含水層厚度（m）；

h—動水位至含水層底板的高度，可取0.15～0.30H；

l—滲渠中心至河水邊線的距離（m）；

Q1—從分水嶺來的地下水流量（m3/d）；

α—系數。

選取滲渠的直徑為DN1200mm，滲渠中心至河水邊線的距離為30m～160m，出水量按距離的遠近分段進行計算，出水量為2.19m3/d，滿足設計要求并略有余存。

3 滲渠設計

滲渠結構材料擬采用鋼筋混凝土管，管徑DN1200mm，為保證運輸和安裝方便，每節長度采用1m。

（1）水力計算。對管道式滲渠進行水力計算以確定管道的直徑、鋪設坡度及其他水力要素等。為了有效地截取潛流水和便于清除管內淤積，對集水管按照部分充水即無壓狀態進行設計，充水深度通常取h≤0.4D。圓形集水管中的水流未充滿全管，采用換算系數法進行計算：設R=αD，W=βD2，v=γv1，Q=ΔQ1，其中α、β、γ、Δ為非滿管水流時的各相應換算系數。

本工程取充水深度h/D=0.4、α=0.250、β=0.392、γ=1.00、Δ=0.50，計算得集水管管徑為DN1200mm，設計水力坡度和管道鋪設底坡為0.001，設計流速為0.8m/s，滿足設計要求。

（2）進水孔設計。滲流通過反濾體后由管壁上的進水孔流入集水管，進水孔流速一般為0.01m/s，根據設計出水量，本工程進水孔的總面積為25m2。

進水孔形式采用圓孔，鋼筋混凝土管進水孔孔徑為20mm～30mm，孔眼為內大外小的楔形，梅花狀布置。孔眼凈距按結構強度要求，一般為孔眼直徑的2mm～2.5倍。

進水孔一般沿上部1/2～2/3圓周布置，面積為管壁開孔部分總面積的5%～10%，最好采用8%～15%。

根據以上原則，確定本工程滲渠管道進水孔沿上部1/2圓梅花狀布置，孔徑30mm，孔凈距75mm，開孔率采用12%，孔眼為內大外小的楔形。

（3）人工濾層設計。人工濾層按河灘下集取地下水和潛流水進行設計。濾層的層數和厚度根據含水層顆粒分析資料進行選擇，一般采用3～4層，常用為3層總厚度以800mm左右為宜，每層厚200～300mm，上厚下薄，上細下粗。

本工程人工濾層沿滲渠集水管外周布設，縱向包裹整個滲渠，滲渠兩側反濾料的填筑坡度均為1：1，梯形填筑。反濾體共分三層，順水流滲透方向，三層反濾依次為礫石、小卵石和卵石，每層厚分別0.5m粒徑分別為7～20mm、20～60mm、60～150mm。

（4）滲渠管道強度計算。滲渠采用埋地預制混凝土圓管，由混凝土整體基礎支承，支承角采用135°，由受力條件計算滲渠管道的最大彎矩，并按下式計算相應的管頂集中線荷載：endprint

式中：MB=12.86kN·m/m，r0為管環的計算半徑，計算得p=61.28kN/m。

根據《混凝土和鋼筋混凝土排水管》（GB/T 11836-2009），選取公稱內徑為1200mm，有效長度為1m，開槽施工的Ⅱ級鋼筋混凝土管。

4 抽水試驗

為驗證滲渠的集水能力，在滲渠取水泵站及檢查井內布設水泵，進行抽水測試試驗。時間選擇在當年3月中旬枯水季節。為了確保數據的真實性，經過多次反復抽水試驗，滲渠出水量為20040m?/d，動水位基本保持在高程714.2m，達到了動態平衡。

5 結語

如何正確地選用地下水取水構筑物的類型，對提高出水量、改善水質和降低工程造價有著很大的影響。本文論述的引水工程根據水文地質條件、引水規模、地形條件等綜合因素選取了滲渠取水方式，經過施工建設、抽水試驗驗證，基本滿足了設計取水要求，達到了理想的效果。

根據本工程的設計、施工經驗，滲渠設計時應注意以下事項：

（1）滲渠出水量受季節變化影響較大，為了獲得預計的水量，應正確地選擇滲渠位置，正確地使用水量評價計算成果。同時，應充分考慮枯水期的最小出水量，并充分估計運行期內濾料淤塞而可能引起的產水量逐年減少的因素。

（2）出水量計算時，滲透系數和影響半徑的選取至關重要，保險起見，應根據水文地質報告中所推薦的平均值或偏低值選用。

（3）滲渠投入運行后，出水正常與否和使用年限的長短，跟人工濾層的顆粒級配和施工質量有關。施工過程中，應嚴格按設計的顆粒級配分層鋪設，回填管溝時應采用開挖的原土。施工臨時圍堰應拆除干凈，防止河床改變水流方向。

參考文獻：

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作者簡介：韓李明（1984-），男，河北涉縣人，工程師，主要從事水利水電工程設計工作。endprint