明溝-地下濾水管-豎井補源工程布置形式的室內模擬實驗研究

明溝-地下濾水管-豎井補源工程布置形式的室內模擬實驗研究

0總結山東省大部分平原水庫存在的農業(yè)灌溉供水矛盾嚴重，地下水超采，大面積地方水位下降等災害。1材料和方法1.1砂槽設計工藝以位于引黃灌區(qū)下游末端的臨清市車莊溝為研究區(qū),其淺層地下水含水層厚度約為60m,根據巖性分為上、中、下3部分:上部埋深區(qū)間0~15m為亞砂土、黏土互層;中部15~35m主要由粉細砂、細砂、中粗砂組成;下部35~60m則是亞砂土夾粉細砂。該試驗裝置結合當地實際的補源工程形式,按照1∶15的比例進行縮小(取決于實際工程暗管管徑與試驗所用暗管管徑的比值),設計長90cm、寬15cm、高55cm的砂槽,砂槽左右2端分別設置1個30cm×15cm×15cm的進水槽和出水槽,用以模擬明渠和后置清淤井,且距進水槽頂端16、18和20cm處設置1個溢流口,用于控制定水頭進水。進水槽和出水槽內各有5cm長的進水和出水管。此時的進水槽和出水槽形同連通器,當2個水槽水位大致保持一致時,之后進入暗管中的水開始下滲,如同回灌補源。砂槽底部設置1個承托層,板厚度為8mm的有機玻璃板,開孔直徑6mm,孔間距10mm。承托層下端設置1個帶閥門的出水口,并連接水表。地下暗管長90cm,分別采用管徑2cm的塑料管和外徑4cm、內徑2cm的排水盲管,傾斜度為0.02,分別外包土工布和60目過濾網置于砂槽中。試驗裝置如圖1所示。1.2定水頭產水管設置試驗共分為3組,通過設置不同定水頭供水、前置過濾裝置設計方案和暗管材質及暗管外包材料研究下滲量和濁度變化,具體試驗過程為:1)不同定水頭供水:用2層60目過濾網包裹前置過濾裝置的進水口,塑料管壓半幅纏繞60目過濾網置于濾層中,設置源水濁度為3.3NTU。在保證前置過濾裝置過濾效果良好的前提下,先設置進水口水位為8cm,再設置10cm和6cm的定水位水頭各供水3d,從08:30—21:30每隔1h監(jiān)測下滲量和源水、后置出水槽及下方出水口的濁度,并記錄每天的累積下滲量,通過將3d數據取平均值來繪制流量-時間和濁度-時間曲線,分析不同定水頭供水條件下滲量和濁度變化,以選取合適的定水頭供水水位。2)不同暗管材質及暗管外包材料:通過不同定水頭供水條件下濁度變化的試驗結果可看出,當源水濁度較小時,經過前置過濾裝置和暗管的前后濁度變化較不明顯,故需要適當擴大源水濁度。而當地地下水的濁度為5.9NTU,故可配制試驗中源水濁度與當地地下水濁度近似相等來研究源水經過回灌系統(tǒng)后能否起到改善地下水水質的作用?，F進水口水位設置為8cm,且為了保證暗管下方土壤的固結程度相同,只更換暗管上方土壤,再將塑料管分別用60目過濾網壓半幅和土工布全幅纏繞,盲管用土工布全幅纏繞置于濾層中,各連續(xù)供水36h,采用同樣方法監(jiān)測和記錄下滲量和濁度變化,繪制相應的流量-時間和濁度-時間曲線,經分析比選出不同暗管材質及暗管外包材料滲透性的優(yōu)劣。3)不同的前置過濾裝置設計方案:進水口水位仍為8cm,源水濁度近似為5.9NTU。裝置內土壤的處理方法與第二組試驗相同,然后將塑料管用土工布全幅纏繞置于濾層中。前置過濾裝置的進水口分別采用2層過濾網、土工布包裹和土工布外埋粗砂,這3種設計方案各供水3d,采用同樣方法監(jiān)測和記錄08:30—21:30內的下滲量和濁度變化,將3d數據取平均值來繪制相應的流量-時間和濁度-時間曲線,比選出合適的進水口布置方案,具體試驗裝置布置與運行形式如圖2所示。2結果與分析2.1滲透量的變化2.1.1進水口水位設置為8.6m的情況暗管管徑(d)取0.02m,由于前置過濾裝置設計中過濾網和土工布的濾水量均大于埋粗砂的情況,故在分析濾水量時選用前置過濾裝置設計為埋粗砂的情況即可。其中,粗砂滲透系數k=6×101)進水口水位H設置為6cm時,水力坡度i=H/L進水管=0.06/0.05=1.2,v=ki=0.00072m/s=62.208m/d,濾水量Q=vA=1.36×102)進水口水位設置為8cm時,i=0.08/0.05=1.6,v=ki=0.00096m/s=82.944m/d,濾水量Q=vA=1.81×103)進水口水位設置為10cm時,i=0.10/0.05=2.0,v=ki=0.00120m/s=103.68m/d,濾水量Q=vA=2.26×10式中:q為渠道單位長度滲漏量;K為當地淺水含水層的滲透系數,茲取2.8m/d;B為渠道水面寬;h為渠道水深;A為根據滲流理論推導出來的系數,視斷面形式而定,對于水面寬度較小的渠道,A=2。由于此項目中采用圓管,所以該公式可以簡化為:式中:D為外包土工布和過濾網厚度;d為管徑;L為細管長度,取0.9m;則滿管時的理論入滲量Q=2.8×0.90×(0.02+0.02)=0.1008m結合濾水量計算公式和暗管滲漏量的理論公式可知,試驗設置進水口水位為6、8、10cm時,其濾水量皆滿足暗管下滲量的要求,故此試驗裝置的設計是合理的。2.1.2試驗結果的分析1不同定水位供水條件由表1看出同一時刻的進水口供水水位越高,下滲量越大,且根據不同定水位供水條件下的日累計下滲量Q和水位H之間的關系可推導出經驗公式為:Q=-9.31H2土工布的下滲量選定進水口水位為8cm,且前置過濾裝置的進水口處用2層60目過濾網包裹,從而得到不同暗管材質及不同暗管外包材料的下滲量如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可看出,經過連續(xù)36h的觀測,盲管包裹土工布的下滲量是塑料管包裹過濾網或土工布的2倍,滲漏效果最好;而用土工布或過濾網包裹相同材質的暗管,土工布的滲水性較差的原因可能是在進水口水頭有限的條件下,針刺土工布在短距離輸水過程中出水不均勻造成的,且由于盲管表面開孔率達90%~95%,遠大于塑料管的開孔率,故出水量更大。此外,綜合不同暗管材質及不同暗管外包材料的下滲量曲線可看出該過程主要分為2個階段:第1個階段是非穩(wěn)定自由滲漏階段,該階段內滲漏量達到最大值,而后迅速減小,逐漸過渡到第2個階段,即穩(wěn)定自由滲漏階段,此時下滲量略有波動,但總體趨于穩(wěn)定3前置過濾裝置設計對下滲量的影響由表2可看出,在相同的定水位供水和暗管外包材料條件下,用2層過濾網包裹進水口的下滲量要明顯優(yōu)于土工布和土工布外埋粗砂的進水口,而進水口用土工布包裹和用土工布外埋粗砂的下滲量相差不大,故此試驗結果表明前置過濾裝置的設計對于下滲量的影響較小。2.2過濾效果2.2.1暗管內泥沙量的計算根據渠道動態(tài)輸沙公式式中:S為計算段出口含沙量(kg/m根據土樣檢測報告可知,源水的濁度為3.3NTU,1NTU=1mg/L=10試驗研究中,計算段長度L=0.90m,平均水位H=0.02m(以暗管底部為基準面),α由表3可看出:與初始含沙量相比,進入暗管的泥沙大部分會呈現懸浮狀態(tài),僅有較少量泥沙沉積。此外,在無前置過濾裝置的前提下,泥沙的沉積量在不同定水頭供水條件下大致相等,后方出水槽濁度相近,由此可知,不同定水頭供水條件對于暗管中泥沙分布沒有顯著影響,故仍需對暗管泥沙分布及下方出水口濁度變化的影響因素做進一步研究。2.2.2試驗結果1濁度的變化由圖5和圖6可知,在不同定水位供水條件下,隨著試驗的進行,進水槽和出水槽的濁度差大致相同,而下方出水口的濁度變化則呈現逐漸減小的趨勢。說明不同的定水位供水條件對于出水槽和下方出水口的濁度幾乎沒有影響,從而驗證了暗管出口含沙量計算公式的準確性。此外,在試驗初始階段,出水槽濁度高于進水槽濁度的原因是隨著試驗的進行,淤積在暗管中的泥沙在進水槽和出水槽存在一定水頭差的條件下隨著水流沖刷到出水槽中,以達到清淤的效果。2暗采用過濾器包裹過濾效率由圖7可知,在保持前置過濾裝置的進水口水位和設計方案相同,即前置過濾裝置大致能過濾19.6%泥沙的前提下,暗管管材對于出水槽和下方出口濁度沒有影響;而暗管用過濾網包裹和用土工布纏繞后分別能平均過濾52.0%和46.7%,故暗管用過濾網包裹的過濾效果要優(yōu)于用土工布,這也說明不同暗管外包材料會直接影響下方出水口的濁度,但同樣對出水槽的濁度則影響不大。此外,由于試驗期間的換水會對源水的濁度產生一定的影響,且供水過程中也有泥沙在進水槽中累積,故圖中進水槽和出水槽的濁度曲線出現一些波動,但相比于進水槽的濁度變化,出水槽受換水影響較小,雖有小幅波動,但最終趨于穩(wěn)定。3前置過濾裝置過濾效果由圖8和圖9可知,在相同暗管外包材料和進水口供水水位的條件下,保持進水槽濁度大致相等,通過對比進水槽和出水槽的濁度差異可知,源水經過不同設計方案下的前置過濾裝置到達出水槽后泥沙的過濾效果分別為2層60目過濾網過濾19.6%泥沙、土工布過濾15.2%以及土工布外埋粗砂過濾23.2%;而對比下方出水口的濁度差異可知,2層60目過濾網過濾45.5%泥沙、土工布過濾46.0%以及土工布外埋粗砂過濾45.6%,故不同前置過濾裝置的設計方案對下方出水口的濁度無顯著影響,但卻對后方出水槽的濁度變化起到一定作用。3應用效果分析1)下滲量的大小受暗管管徑、長度及濾料厚度等因素影響外,還與供水水位和暗管管材及其外包材料密切相關。具體來說,盲管包裹土工布的滲漏效果最好;由試驗所得經驗公式表明,進水口水位與下滲量呈拋物線變化,水位為10cm時的下滲量最大。根據下滲量理論值與試驗值的對比結果可知,為保證工程運行安全,應在理論計算公式中引入安全系數k′的取值范圍大致在1.1~1.2之間。運用該滲流公式計算實際工程的下滲量,并與實測下滲量進行對比,發(fā)現二者的擬合程度較高,因此該滲流公式可用于實際工程下滲量的計算。2)不同定水位供水和