喇叭型截潛流集水壩在河道治理中的應(yīng)用探討

何麗縣

(湖南省水電(閘門)建設(shè)工程有限公司，湖南 長沙 410000)

截潛流工程是一種主要的淺層地下水的攔、蓄水工程，作為擋水建筑物的截潛流集水壩是該工程最重要的組成部分。數(shù)十年來，截潛流集水壩被大量應(yīng)用于農(nóng)村的人蓄用水和灌溉引水中。作為新的嘗試，喇叭型截潛流集水壩被應(yīng)用于甘肅省臨夏回族自治州積石山縣的河道治理工程中。通過在上游修建帶有防滲底板的喇叭型截潛流集水壩，攔截部分淺層地下水徑流，通過引水管道將水輸送至下游治理河段，改變了縣城河段常年無地表水和河灘嚴(yán)重裸露的局面，極大地改善了縣城的水生態(tài)環(huán)境。

1 工程概況

積石山保安族、東鄉(xiāng)族、撒拉族自治縣(簡稱“積石山縣”)是甘肅省唯一的多民族自治縣，位于甘肅省中部，屬黃土高原西部邊緣。吹麻灘河流域的河谷平川地帶是積石山縣境內(nèi)的黃金地段之一。

吹麻灘河系黃河上游一級支流，水系結(jié)構(gòu)呈扇形，總流域面積158km2，多年平均年徑流量2066萬m3，河道全長158km，積石山縣城以上的流域面積90km2。吹麻灘河的現(xiàn)代河床及漫灘寬22～188m，該河常年不斷流，兩岸發(fā)育Ⅰ級階地高出河床2.5～3.5m。河漫灘和階地覆蓋層透水性較強(qiáng)，排泄條件較好，地下水水位較低，一般與河水位持平或略高于河水位。近年來，由于吹麻灘河積石山縣城區(qū)段河道內(nèi)無序采砂、采石以及堤防建設(shè)選料等原因，河床被嚴(yán)重擾動破壞，并局部降低了原河道的地表水徑流深度，造成地表水下潛。2017年4月的地質(zhì)鉆探結(jié)果表明，河床表面局部存在架空結(jié)構(gòu)，水流基本在河床下2.9～3.5m滲行。吹麻灘河積石山縣城區(qū)段河床常年基本無地表水而處于干涸狀態(tài)，河灘裸露，雜草叢生，如圖1所示。

圖1 治理前的吹麻灘河積石山縣城區(qū)段狀況

為改善縣城水生態(tài)環(huán)境，積石山縣啟動了“吹麻灘河城區(qū)段河道治理一期工程”；該工程由上游的1座水源工程截潛流集水壩，下游的9座水力自控液控翻板閘壩組成。該工程通過在吹麻灘河積石山縣城段的上游未經(jīng)擾動破壞且有少量地表水處修建1座水源工程截潛流集水壩，匯集、攔蓄并通過管道引水至城區(qū)的9座水力自控液控翻板閘壩的庫區(qū)中，以恢復(fù)縣城河道水生態(tài)功能。

2 補(bǔ)水收集方式

2.1 補(bǔ)水運行時段

由于本工程區(qū)處于寒冷地區(qū)，冬季河道結(jié)冰但冰層不厚，考慮冬季河邊活動的群眾較少，同時為了節(jié)省運行成本，本工程為季節(jié)性蓄水運行。每年蓄水運行時間為4—10月，11月—次年3月不蓄水運行。

圖2 集水壩平面布置(單位：mm)

因此，確定本水源工程向下游補(bǔ)水的運行時段為4—10月。

2.2 吹麻灘河水源工程壩址地表水調(diào)查

2017年2—4月，對工程地吹麻灘河段水源壩工程以上河段進(jìn)行的地表水調(diào)查表明，水源工程集水壩壩址附近河段近10a來未斷流，長期有少量地表水，最枯時期的地表水流量約0.014m3/s。地下水類型主要為第四系覆蓋層中的孔隙潛水，受大氣降水、河水、融雪補(bǔ)給，水量較豐富，一般與河水面持平或略高于河水位。因此，為保證下游主城區(qū)河段9座水力自控液控翻板閘壩的庫區(qū)有充足水量，本截潛流集水壩同時收集地表水及地下潛流。

3 水源壩壩型選擇

3.1 非完整式喇叭型截潛流集水壩方案

非完整式喇叭型截潛流集水壩主要由截水墻、迎水面面板、兩側(cè)面板及底板組成，類似喇叭型。底板埋置于河床表面以下3.0m，處于河床砂卵礫石層內(nèi)，截水墻未穿越含水層，因而為非完整式截潛流。

兩側(cè)面板和底板，3面為防滲面板，可以有效攔截上游地表來水和部分地下水，且不增加地表水面面積，減少了水量蒸發(fā)損失，不影響河道行洪。

喇叭型集水壩底部、兩側(cè)及下游邊坡均為C20鋼筋砼面板(F150)厚300mm，底部敷設(shè)FN2/PE- 14- 800- 0.5復(fù)合土工膜。垂直向上口寬度27.31m，底部寬12m；順?biāo)飨蛏喜块L25m，底部長15m。壩體上部回填級配良好砂卵礫石、反濾層、格賓籠護(hù)墊，地表水經(jīng)反濾體與鋼絲濾網(wǎng)滲入集水廊道進(jìn)入集水井，由引水系統(tǒng)將引入下游庫區(qū)。如圖2—3所示。

3.1.1收集地下水水量計算

分別采用達(dá)西公式、集水廊道滲渠非完整式計算公式等進(jìn)行計算。

達(dá)西公式：

Q=kwJ

(1)

式中，k—土的滲流系數(shù)，根據(jù)地勘測定平均滲流系數(shù)k=55.3m/d；w—滲流過水?dāng)嗝婷娣e，包括土粒和孔隙所占面積，w=h×b，h、b—截取地下滲流水的高度、寬度，取h=6.35m、b=25.4m；J—滲流坡降，取滲流水頭H=25.96m，沿流程長度l=900m，坡降J=25.96/900=0.0288。

經(jīng)分析計算，得出截取地下滲流水量為256.88m3/d。

集水廊道滲渠非完整式計算公式：

圖3 集水壩縱剖面

(2)

式中，L—滲渠長度，取L=8.1m；K—滲透系數(shù)，漂卵石層K=55.3m/d；H1—滲渠底至靜水位的距離，取H1=3.0m；h—動水位至滲渠底的距離，取h=0.25m；R—影響半徑，漂卵石層取中粒土R=250m；S—水位降落，m；qr—根據(jù)α及β值相關(guān)曲線圖查得。

(3)

(4)

當(dāng)β>3時，qr按下式計算：

(5)

式中，q'r從相關(guān)曲線圖查得。

(6)

式中，T—滲渠底至含水層底板的距離，取巖層至底板T=17m；C—滲渠寬度之半，C=0.75m。

集水廊道滲渠非完整式計算公式適用于集取地下水為主的滲渠，根據(jù)類似工程的經(jīng)驗，集水壩投產(chǎn)后，過水?dāng)嗝鎸挾妊氐叵滤飨蛑饾u縮小，地下水流態(tài)呈收縮流。集水壩前的滲渠的單寬流量以靠近滲渠為大，呈非均勻流運動。但該計算公式在推導(dǎo)時是假定滲渠各斷面的流量為常數(shù)，這同滲渠實際地下水流動狀態(tài)不相符，所以理論值往往小于實際值。本集水壩主要攔截地表水及部分地下水，并采用防滲固化底板以形成喇叭形集水區(qū)域，可以有效收集壩前河床地表水，采用達(dá)西公式計算結(jié)果較符合本工程實際。因此，采用達(dá)西公式計算成果，非完整式喇叭型截潛流集水壩截取地下滲流水量為256.88m3/d。

3.1.2截取地表水計算

根據(jù)本工程運行方式，向下游補(bǔ)水運行時段為4—10月，其中4月為多年平均地表水徑流量最小的月份(0.38m3/s)，而且是工程年運行的初期，故僅計算該月份的地表水量對工程運行的影響。經(jīng)分析，4月日平均徑流量32832m3/d，則非完整式喇叭型截潛流集水壩收集地表徑流及部分地下滲流總量為33089m3/d，工程初蓄水天數(shù)為2.69d(庫容8.9萬m3)。

3.2 攔河壩方案

本方案擬修建堰高1.2m的低攔水堰，采用防滲帷幕穿透含水層伸入相對隔水層實現(xiàn)全斷面截流，屬于完整式截潛流。將壩前地下水全部攔截以及地表水?dāng)r蓄在壩前河道內(nèi)，形成庫區(qū)，繼而向下游輸水。攔河壩立面圖如圖4所示。

根據(jù)地質(zhì)資料揭示，壩址斷面河床含漂砂卵礫石層厚度22m，初擬將防滲帷幕伸入至新鮮粉砂泥巖層。即防滲帷幕深度為23.5m、含兩壩肩的壩軸線方向長83.5m。

3.2.1截取地下水水量計算

截留的滲流流量(Q)采用式(1)計算，取h=23.5m、b=83.5m，其他變量含義和取值同前。經(jīng)分析計算，壩址斷面截取地下滲流水量為3125.16m3/d(占4月地表徑流量的1/10)。

3.2.2截取地表水計算

計算同上，4月日平均徑流量32832m3/d。收集地表徑流及地下滲流總量為35957m3/d，工程初蓄水天數(shù)為2.47d(庫容8.9萬m3)。

4 集水壩方案比較

集水壩方案對比分析見表1。

圖4 攔河壩立面圖

表1 水源地集水方案對比

綜合比較：①工程蓄水運行期為4—10月，該時段水源處河道地表水較為穩(wěn)定，2種壩型均可滿足工程蓄水需要；②非完整式喇叭型截潛流集水壩施工難易程度、工程投資、集水可靠性等各方面更優(yōu)；③由表1可知，攔河壩集取地下滲流量大于非完整式喇叭型截潛流集水壩，但其截取的地下滲流量也僅為其截取的地表水量的1/10，意義不大，集水進(jìn)水口位置距離不透水層的垂直距離近20m，無法完全保證截滲墻底部滲流水全部利用；④對于本工程運行期來說，地表水尚比較穩(wěn)定，且河道常年不斷流，收集地表水即可滿足本工程運行要求；⑤攔河壩方案還可能造成如下危害：地下水水位大幅急速下降以至形成地下水降落漏斗，破壞地下水循環(huán)系統(tǒng)，導(dǎo)致地下水生態(tài)環(huán)境變異，微生物演替加速，巖石圈與生物圈、大氣圈的聯(lián)系被切斷，河流、湖泊水量減少，形成干涸等災(zāi)害。

因此，本水源壩工程采用非完整式喇叭型截潛流集水壩方案。

5 結(jié)論

非完整式喇叭型截潛流集水壩，不切斷河流地下水，其壩體主要結(jié)構(gòu)置于河床面以下，形似喇叭或漏斗，減少了水量蒸發(fā)和下滲損失，具有更高的集水效率。汛期時，河水直接從壩頂過流，集水壩不產(chǎn)生壅水，不影響河道行洪。在河道治理實踐中，對于尚有少量地表水的河道，采用喇叭型截潛流集水壩是一種有益的嘗試。

非完整式喇叭型截潛流集水壩表面濾層易被泥沙淤塞而影響水量的收集，設(shè)計中應(yīng)充分考慮河道泥沙含量和懸移比；同時設(shè)計中應(yīng)考慮對反濾層的保護(hù)，避免造成沖刷；集水廊道外應(yīng)設(shè)沉砂池且方便清理，確保廊道功能和減少泥沙進(jìn)入輸沙管道。