滲渠式集水廊道出水量的影響因素分析

滲渠式集水廊道出水量的影響因素分析

0集水廊道出水量的確定滲渠收集結構是利用鋼筋混凝土濾渠、鋼濾渠或磚、石頭形成的過濾通道收集地下水的一種結水結構。收集的地下水通常用于收集土層厚度為4.10m、地下水埋深小于2m的淺地下水。此外，還可以收集地下水并進行水下收集。一般來說，適用于河床地質條件（土官d），采用當地直徑較大的石頭和卵石，形成一條走廊（以下簡稱杜克運河）。由于其結構簡單、施工成本低、維護管理方便、施工成本少等優(yōu)點，因此被廣泛用于工農業(yè)生產和日常生活。集水廊道的出水量一般采用達西定律及連續(xù)方程進行計算.在工程設計中,通常的做法是選擇一個具有代表性的集水廊道橫斷面,對影響廊道出水量的主要因素取平均值,計算單位長度集水廊道的出水量,根據總需水量的要求,直接確定集水廊道的總長度;也有一些工程將集水廊道分為若干段,假定各段末端處廊道水深,對影響廊道出水量的其它因素均取平均值,分別計算各段的長度及出水量,再根據總需水量的要求,確定集水廊道的總長度.但是,這種處理方法,對于引水規(guī)模比較大、縱斷面長度較長的集水廊道而言,則顯得比較粗糙,特別當沿集水廊道長度方向的地形、地質條件變化較大時,其計算結果往往與實際情況出入較大.本文結合新疆某農村飲水安全工程,就地下含水層的滲透系數沿程變化、集水廊道的埋深與底坡等因素對集水廊道出水量及長度的影響進行分析、討論,以期為該類工程設計提供參考.1集水廊道出水量計算新疆某農村飲水安全工程,設計引水流量為9812.4m3/d.水源地為第四系全新統(tǒng)砂卵礫石地基,地形坡降2.7‰～3.0‰,地下水位埋深0.5～1.5m,含水層厚度為9.0～10.0m;對水源地河床段3km范圍內進行水文地質勘察,由抽水試驗測定滲透系數K值范圍為16.5～20.1m/d.設計采用集水廊道形式,同時集取地下水及河床潛水.集水廊道埋置深度(本文中系指廊道底部至河床地面距離)取7.0m,廊道底坡按地面平均坡度取1/350.廊道過水斷面采用矩形,高度取1.2m,凈寬1.0m.假定地下水位線與河槽地表水面線平行,則該廊道出水量的計算模型和計算橫斷面見圖1.集水廊道的出水量按下式計算:Q=ΚL(Η21-h22B+S1qr1+Η22-h22R+S2qr2)Q=KL(H21?h22B+S1qr1+H22?h22R+S2qr2);(1)R=2S2√ΗΚR=2S2HK????√;(2)式中:Q—集水廊道出水量,m3/d;K—滲透系數,m/d;L—集水廊道長度,m;H1—對應于河床潛水補給廊道方向,集水廊道底部以上含水層的厚度,m;H2—對應于地下水補給廊道方向,集水廊道底部以上含水層的厚度,m;h—橫斷面處,集水廊道內水深,m;B—集水廊道中心線至水邊線的距離,m;R—影響半徑,m;S1—河床潛水補給廊道方向的水位差,m,S1=H1-h;S2—地下水補給廊道方向的水位差,m,S2=H2-h;qr1—河流方面相應引用流量;qr2—河灘方面相應引用流量;H—含水層厚度,m;C—集水廊道寬度之半,m;h0—地下水位埋深,m;T—集水廊道底部以下含水層厚度,m;由該工程實測資料,上述各計算參數的選擇如表1所示.沿集水廊道縱斷面按廊道內水深進行分段,按式(1)、式(2)逐段進行出水量和長度的試算,在滿足設計引水流量的條件下,計算所需廊道的長度,見表2.由表2可知,在對該工程的實際情況進行簡化,并且忽略地形、地質條件沿程變化的情況下,滿足設計引水流量的廊道計算長度為L=754.0m.2廊道出水量的影響因素.在上述計算實例中,沒有反映地形、地質條件的沿程變化和工程實際可能出現的若干情況對廊道出水量的影響.以下對幾種可能的影響因素進行分析、探討,希望能為同類工程提供參考.(1)滲透系數的確定在實際工程中,當引水規(guī)模較大而導致集水構筑物較長時,若區(qū)域內的巖性分布不均勻,則滲透系數的取值將對集水構筑物的出水量計算值產生一定的影響.現根據沿集水廊道縱向地下含水層滲透系數的變化,將廊道的集水區(qū)域分為三個計算段,長度分別為L1、L2、L3;對應的滲透系數分別為K1=16.5m/d、K2=18.3m/d、K3=20.1m/d,且(K1+K2+K3)/3=18.3m/d;其他條件均與上述算例相同,計算集水廊道的總出水量(見表3情況②).由表3可知,按滲透系數的不同進行分段計算所得的出水量(表3情況②)與按滲透系數取平均值計算所得的出水量(表3情況①)相比,廊道總出水量受到的影響已超過設計引水流量的5%.因此,當集水廊道較長且沿程的滲透系數發(fā)生較大變化時,應當分段取不同滲透系數逐段進行出水量計算,以確定合理的廊道集水量及其長度規(guī)模.(2)集水廊道結構回收率計算在同時集取地下水與河床潛水的廊道出水量計算中,設計時一般按最不利工況——枯水季節(jié)主河槽最低水位情況考慮(見圖1).為便于分析地表河水的位置對集水量計算的影響,可將公式(1)分為兩部分,令,δ1=Η21-h22B+S1qr1?δ2=Η22-h22R+S2qr2δ1=H21?h22B+S1qr1?δ2=H22?h22R+S2qr2,則公式(1)變?yōu)?Q=KL(δ1+δ2)=Q1+Q2(3)其中,Q1=KLδ1為由地表河水產生的河床潛水補給廊道的水量;Q2=KLδ2為地下水補給廊道的水量.現取集水廊道中心線至主河槽水邊線的距離B(見圖1)分別為130m,100m,80m,60m,40m,20m,其他參數與表1相同,在滿足設計引水流量(9812.4m3/d)的前提下,計算所需的廊道長度,結果見表4.從表4的計算成果可知,當集水廊道中心線至主河槽水邊線的距離B與地下水補給廊道中的影響半徑R值接近時(如本例中影響半徑R=123.8～131.4m與B=130～100m時),廊道集取的河床潛水量Q1(由河槽內地表河水產生的河床潛水補給,占廊道集水總量的49.4%～55.9%)與地下水補給量Q2(占廊道集水總量的50.6%～44.1%)相當;當B值較小(如B=60～20m)時,由河床潛水補給廊道的水量Q1較大,約占廊道集水總量的67.7%～85.9%,而地下水補給廊道的水量Q2較小,約占總集水量的32.3%～14.1%;其關系見圖2.從圖3可知,在滿足設計引水流量的條件下,隨B值的減小,計算所需集水廊道的長度顯著縮短.(3)集水廊道出水量及長度確定集水廊道埋置深度的確定應考慮含水層厚度、設計引水量、工程安全(當集水廊道布置在河床內時,應考慮河床沖刷深度的影響)等因素.現假設B=50.0m,滲透系數取均值K=18.3m/d,分別取廊道埋置深度為4.0m、5.0m、6.0m、7.0m、8.0m、9.0m,計算集水廊道的出水量及其長度,結果見表5.表中,Q1、Q2分別為河床潛水及地下水補給廊道水量.由表5可知,當設計引水流量一定時,集水廊道的埋置深度與其長度L呈反比關系,即集水廊道埋置深度愈深,所需廊道長度愈短,其關系見圖4.在同時集取地下水與河床潛水的集水廊道工程中,當廊道埋置深度愈深,由地下水補給廊道的水量所占總集水量的比重愈小,而河床潛水補給廊道的水量占廊道總集水量的比重愈大,其關系見圖5.(4)集水廊道底坡對廊道長度和一物一權的影響集水廊道的底坡一般取i>0,為滿足集水廊道的設計出水量并考慮廊道的工作安全(當集水廊道布置在河床內時,應考慮河床沖刷深度的影響),集水廊道應保證足夠的埋置深度.現結合上述算例,取廊道最小埋置深度為7.0m,設廊道底坡分別為1/250、1/300、1/350(與地面坡降相同)、1/400、1/450時,對滿足設計引水流量(9812.4m3/d)所需廊道長度及其工程開挖方量進行計算比較,以分析集水廊道底坡對廊道長度以及工程量的影響,計算結果見表6.為方便集水廊道的布置與施工,集水廊道底坡通常取地面坡降布置.但由表6可知,當集水廊道底坡陡于地面坡降時,所需廊道長度較短,相應工程量也較小.因此,在滿足下游引水條件的前提下,可考慮適當調整集水廊道的底坡,使其陡于地面坡降,以減小集水廊道的工程量.3確定集水廊道的長度和滲透系數n的分對于滲渠式集水廊道的出水量計算,應充分考慮工程