（环境科学专业论文）辽宁省北票市白石水库渗滤取水工程适宜性研究.pdf

r e s e a r c ho ne n g i n e e r i n gs u i t a b i l i t yo fp e r c o l a t i n g w a t e ra b s t r a c t i o nf r o mb e n e a t hr i v e r b e di nb a i s h i r e s e r v o i ro f l i a o n i n gp r o v i n c e i n t r o d u c t i o no f a u t h o r ：h u a n g s h u a n g b i n g ，m a l e ，b o mi nf e b r u a r yo f1 9 8 2 ，w a sg r a n t e d t h en m s t e rf r o mc h e n g d uu n i v e r s i t yo f t e c l m o l o g yw h o s et u t o rw a sp r o f e s s o rl i x i a o a b s t r a c t t i l i sp a p e rc h o o s e st h ee n g i n e e r i n gs u i t a b i l i t yo fp e r c o l a t i n gw a t e ra b s t r a c t i o n f r o mb e n e a t hr i v e r b e di nb a i s h ir e s e r v o i ro fl i a o n i n gp r o v i n c ea sr e s e a r c ho b j e c t b a s e do nt h ee n v i r o n m e n tc o n d i t i o n 。w h i e hs c i e n t i f i c l ye v a l u a t e st h ec h a r a c t e r i s t i co f f i l t e rb e da n dt h ea d a p t a b i l i t yo fw a t e rq u a l i t y t l l i c ks a n d yg r a v e ll a y e ro ff i l t e rb e d d i s t r i b u t e dw i d e l vi nw a t e ri n t a k ep r o j e c ta r e a , w h i c hi sb e n e f i tt ow a t e ri n t a k e ；t h es i i t d i s t r i b u t e di ns l u i c ea r e ad e c r e a s et h ep e n e t r a b i l i t yo ff i l t e rb e do b v i o u s l y , b u ti tc a nb e i m p r o v e db yc l e a r i n gt h es i l t 1 1 l em i n e r a li n g r e d i e n to fs i l t w h i c hh a sm o r es t r o n g e r f u n c t i o ns u c ha sp h y s i c sa d s o r p t i o n ，c h e m i s t r ya n db i o l o g yr e a c t i o n ，c a l lp u r g et h e w a t e rt oal a r g ee x t e n t i ti si n d i c a t e df r o mt h er e a s e a r e hr e s u l to fc l e a r i n gs i l tt h a t ，t h e p e n e t r a b i l i t yc a l lb eb e t t e rr e s t o r e da f t e rc l e a r i n gt h es i l to nt h es u r f a c eo ff i l t e rb e d t h e m e t h o do fc l e a r i n gs i l tb e g i n so nt h ep r e m i s eo ft h es t o po fw a t e ri n t a k e f i l t e rb e d s h o u l db ee x p o s u r da sl e s sa sp o s s i b l eb e c a u s ea l t e r m a t i o no fe x l ：l o s u r ea n di m m e r s i o n i sd i s b e n n i f i tt ot h e p e n e t r a b i l i t yo ff i l t e rb e d t 1 1 i sp a p e ra l s o h a sa n a l y s e dt h e s u i t a b i l i t vo fw a t e rq u a l i t yi nw a t e rs o u r c ea r e a a saw h o l e t h ew a t e rq u a l i t yo f f i l t e r i n gw a t e ri n t a k e df r o mf i l t e rb e dt u r n sb e t t e r ，t h ei n d e xs u c ha st u r b i d i t ya n d a m m o n i a - n i t r o g e ne t cc a nm e e tt h eq u a l i t ys t a n d a r do fd r i n k i n gw a t e rb yi n f i l t r a t i o n f u n c t i o no f f i l t e rb e d 。1 1 1 ew a t e re n v i r o n m e n tb e c o m e sal i t t l ee u t r o p h i cb e c a u s eo f t h e u p r i v e rp o l l u t i o n 1 1 1 er e s e r v o i rc a na d j u s tw a t e rq u a l i t yb yi t s e l f , a n da t t e m p e r i n gt h e r e s e r v o i rr e a s o n a b l yc a nb o o s tu pt h ec a p a c i t yo fs e l f p u r i f i c a t i o no ft h ew a t e r a t l a s t , t h ev o l u m eo fw a t e ri n t a k i n ga n da t t e n u a t i o nr u l eo fi r o na n dm a n g a n e s ea r e f o r e c a s t e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h es i l to nf i l t e rb e da c c o r d i n gt ot h ew a yf r o mt h e r e s e a r c h , t h ew a t e ri n t a k i n gv o l u m ec a nm e e tt h ep l a n i n gd e m a n dw h e t h e ro n eo rt w o f a c t o r y sr u n ；s oc a nt h ei r o na n dm a n g a n e s ew h i c he x c e e d e dw a t e rq n a l i t ys t a n d a r di n u n d e r c u r r e n tw a t e ra r e rr u n n i n gt h ef a c t o r y k e y w o r d s ：p e r c o l a t i n g w a t e ra b s t r a c t i o nf r o mb e n e a t hr i v e r b e d , s u i t a b i l i t y ， c h a r a c t e r i s t e ro f f i l t e rb e 正s a f e t yo f w a t e rq u a l i t y 独创性声明 本人声明所旱交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛酆堡王盘堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 一躲参柱曼 跏7 叫月f o 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解篮壑理王盍堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛都堡工盍堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：盏柱星 学位论文作者导师签名： 埘年77 月，己一 第一章引言 第一章引言 1 1 选题依据及研究意义 在我国，由于水资源分布的不均匀性以及经济发展水平的差异，供水不足的 问题已严重制约着一些城市和企业的发展【1 1 1 2 1 。赋存于天然河床底部的高品质地下 潜流水必将成为我们聚焦的方向，渗滤取水这种超慢滤开采技术完全可以作为传 统取水手段的有利补充【3 1 。利用天然河床进行反向渗滤取水技术，由于其运行成本 低、占地少、水质水量稳定等特征，已经在越来越多的城市和地区得到应用。 但是，由于地理位置和工程环境的不同，河床的结构、物质组成以及取水工 程的条件都会有所变化，因此渗滤取水技术在日益发展和推广的过程中也遇到了 越来越多的难题。 2 0 0 6 年5 月，笔者在对辽宁北票白石水库渗滤取水工程可行性论证调研中发 现，北票白石水库环境条件与南方河流有所不同，初选取水工程场地的滤床特性 也与过去存在较大差异。勘察过程暴露出一些对取水可能造成不利影响的问题。 在南方渗滤取水工程的滤床以江河河床为主，其水流环境属于动水环境，而 北票拟选工程厂址的滤床则是水力条件较弱的库区河床，滤床性质受水环境影响。 相对的静水环境下，整个河床的沉积特征也与一般江河不同，不同的沉积特征会 形成不同的滤床结构，必须予以重视；白石水库河床表层发育的不是以往渗滤床 表面的薄层泥膜，而是具有一定厚度的淤泥，在河床表面沉淀而成的薄层滤膜， 能起到较好的净水作用并在水动力条件下进行自我更新【2 】【5 】。而后者渗透性能更差 【4 】【6 】，会对渗透取水产生阻滞作用。另外，勘查期间取得的水样分析，潜流水m n 含量在0 8 2 6 m g 1 ，超过国家饮用水标准，部分水样的铁含量也超标。潜流水铁锰 超标是否会影响渗滤出水水质也是一个值得考虑的问题。 以上问题是否会对渗滤取水工程造成影响? 对其中不可回避的问题，是否能 探索出解决问题的办法? 对现有滤床特性进行改良后，效果如何? 水质安全是否 有保障? 这些问题是渗滤取水遇到的较为特殊的问题，同时也是在北方地区开展 渗滤取水工程时的突出难题，具有一定的普遍性。因此，对以上问题进行深入、 透彻的研究，具有现实和理论意义。能够为更好地推广渗滤取水提供一定的技术 参考。 成都理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外的研究现状 国外十分重视将地表水转化地下水以获得清洁水资源的研究和技术应用。地 表水转化地下水有两种情况，一是天然条件下的转化，另一种是人为作用下的转 化，称为人工补给。人工补给是借助于工程措施，人为地把一些地表水( 雨水、汛 期洪水、河道导水) 诱引渗入地下，增补地下水资源，从而达到时间和空间上对地 下水进行合理调配的方法【2 】【1 3 】【1 8 】。人工补给一般可分为浅层地面渗入补给、深层 地下灌注补给和间接人工补给方法。浅层地面渗入补给包括了盆地渗入补给、水 库渗入补给、渠道渗水补给、农田灌溉渗入水补给和河流渗水补给。 据文献检索，自1 9 8 0 年以来有关地下水人工补给的研究论文有近2 0 0 篇【1 4 1 。 由国际水文地质学会l a h 、联合国教科文组织u 1 娓s c o 等组织主办的地下水人工 补给国际学术研讨会，自1 9 8 8 年在美国加州a n a h e i m 召开第一届地下水人工补给 国际会议以来，己召开了4 次国际会议。根据被采纳的学术论文，按照其内容分 为1 6 个专题。分别是：1 可持续的补给管理；2 地下的水质变化；3 含水层补给的 地球化学；4 病原体的演变；5 有机物的演变；6 阻塞的处理；7 地下水水动力和 储存能力恢复；8 裂隙岩石中增加补给；9 通过含水层再利用水；l o 补给工程的环 境应用；1 1 干旱地区水管理；1 2 回灌井问题及其解决方案；1 3 池洼塘和岸边入渗 问题及其解决方案；1 4 城市水资源整体管理；1 5 农业实践和增强补给；1 6 区域问 题和补给点选择。归纳文献研究内容主要集中在三个方面：( 1 ) 水质改善机理及水 质；( 2 ) 水量计算；( 3 ) 含水层淤塞。 国外对地表水转化为地下水的人工补给研究较早，内容集中在以下几个方面， 有以下特点： ( 1 ) 对地下水人工补给的可行性评价研究； ( 2 ) 渗入补给量计算方法研究； ( 3 ) 含水层淤塞的研究； ( 4 ) 改善含水层淤塞的工程措施研究。 这些研究虽然与天然河床渗滤取水的研究有一定区别，但有很多理论及工程 技术措施可以为研究提供参考和借鉴。 1 2 2 国内的研究现状 将地表水转化为地下水以获得清洁的水资源一直是人类利用水资源的方法之 一。国内有关天然河床渗滤取水技术的研究是近年来才开始的，目前国内有关天 2 第一章引言 然河床渗滤取水技术研究的文献仅有1 0 余篇，1 9 9 2 年地矿部成都水文中心高级工 程师陈台智率先提出了在砂砾石层发育的河床底部基岩中钻掘集水廊道1 3 j ，利用渗 流孔集取河床渗透水方法，该方法提出以后，在四川、重庆地区很快得到应用和 推广，九二年至今在四川先后建成和施工了二十余个渗流井取水工程。 对渗滤取水技术进一步的研究是随着工程中各种问题出现而展开的情j 。从渗流 取水技术出现到应用初期，对渗流取水技术的认识较少，研究不够。施工单位在 设计时均以水文地质井流理论为基础，但是计算结果和对出水水质的水化学变化 的预测与实际的可采水量及水化学特征差异很大7 1 1 1 1 】。随着工程中各种问题出现， 开始引起对渗流取水技术开展研究。1 9 9 5 年起，重庆渗滤取水工程公司与成都理 工学院、西南交通大学开始以重庆铜官驿渗滤取水工程、重庆江津白沙渗滤取水 工程为实例，并结合室内模拟试验开展研究，取得了宝贵的一手资料。地矿部成 都水文中心高级工程师陈台智的开拓供水新领域施工天然滤床渗流井取水工程 一文3 1 ，对渗流井取水工程的概况、施工作了一些论述。我的导师成都理工大学李 晓教授的渗流井滤膜的初步实验研究对模拟河水动态条件下的泥膜的形成和 对水量的影响做了初步探索。重庆白沙渗流井渗透水水质特征研究一文，对重 庆白沙工程渗流孔水和基岩裂隙水水质进行了研究。近年也有诸如天然滤床渗 滤取水渗流场数值模拟及水质可靠度分析研究、渗滤取水过程中水质变化特征 及原因研究、天然滤床淤塞机理及防治研究等数篇新的论文成果出现，表明 对渗流取水技术问题的研究已经越来越具体，同时也融入了数值模拟等一些新的 技术手段。这些重要的研究成果为天然河床渗滤取水技术的发展和推广迈出了关 键的一步，也为后人积累了宝贵的研究资料。 1 3 研究内容及思路方法 1 3 1 研究的主要内容 本文依托辽宁省北票市渗滤取水关键技术问题研究项目，通过对工程区 环境条件、滤床特性、水质安全等方面研究的基础上，利用室内试验、数值模拟 等多种手段相结合的方式，综合分析在北票特殊的工程环境条件下，渗滤取水工 程的适宜性。论文主要从以下几个方面进行分析研究： 1 工程区滤床结构特征及渗透( 流) 性能研究； 2 滤床渗滤过程水质安全与保障分析； 3 改善滤床渗透性的技术方法及不同清淤对改善滤床渗透性的影响研究； 4 渗滤取水过程渗流与运移的数值模拟。 论文难点主要表现在两方面：由于本次研究区滤床结构的特殊性是过去未曾 成都理工大学硕士学位论文 碰到过的，滤床渗透性能对取水量的影响及改善滤床渗透性的技术方法和可行性 研究是一个难题。除此之外，研究区地下水方面资料的相对缺乏给数值模拟过程 也带来一定限制和难度。 1 3 2 研究思路及技术路线 研究通过环境水文地质调查，槽探、钻探资料分析，现场水文地质试验资料、 模拟试验、取水量数值模分析计算，研究水库特殊的水环境下滤床的渗滤特性、 结构、水质特征、渗透性参数、淤积及对工程意义和影响。 针对本论文所要研究的内容和目的，拟采用如下研究技术路线： 滤床结构及渗透性能 现场或室内实验 槽 探 实 验 圈圉圈匡 河床演化与水库淤积 水源水质安全分 边 界 条 件 及 其 概 化 渗透性能改善实验 渗流与运移数值模拟 模型的建立 溶 质 廷 移 参 数 选 取 图1 - 1 北票渗流取水适宜性研究技术路线图 4 第二章渗滤取水环境条件及工程概况 第二章渗滤取水环境条件及工程概况 2 1 自然地理概况 2 1 1 交通地理位置 北票市位于辽宁省西部，大凌河中游，属县级市，位于东经1 2 0 0 1 5 1 2 0 0 1 7 r ， 北纬4 1 0 2 4 4 2 。1 7 ，东西长8 3 2 5 k m ，南北长1 2 9 5 k m ，东临阜新，南接锦州， 西依朝阳，北连内蒙古，总面积4 5 4 5 1 0 n 2 ，辖3 0 个乡镇7 个管辖区，总人口约6 3 1 万。北票市有锦承铁路、北票铁路和1 0 1 、3 0 5 国道过埔，交通极为便利( 图2 1 ) 。 图2 - 1 辽宁省北票市交通位置图 北票白石水库坐落于北票市大凌河干流上，地处朝阳、阜新、锦州三市中心 地带，交通便利，地理环境优越1 9 。水库总库容1 6 4 5 亿m 3 ，控制流域面积1 7 6 4 9 k m 2 ， 规模列辽宁第三，辽西第一。工程区位于北票市白石水库库尾( 图2 - 2 ) 。 图2 - 2 北票自石水库渗滤取水工程区位置图 5 成都理工大学硕士学位论文 2 ，1 2 地形地貌 工程场区位于大凌河的中游地段，属冲洪积形成的河谷中丘地貌，河床宽阔 平坦( 图2 3 ) ，河床标高1 1 3 4 1 1 8 4 m ，河床两岸呈较对称阶地及斜坡地貌，北 岸最大标高1 3 1 o m ( 馒头沟) ，南岸边岸标高1 1 5 6 m 。河床中漫滩发育，由冲洪 积沉因的砂砾卵石层构成，厚约6 7 m ，是较为理想的取水滤床。区内除上游建 有公路大桥，无大的建( 构) 筑物，污染源少。 圈2 - 3 白石水库渗滤取水工程区河谷地貌 2 1 3 气象水文 北票市地处温带大陆性气候区，年平均气温6 1 1 ，1 月- - 1 8 - - 5 7 月 2 2 2 6 。年平均降水量4 8 7 m m ，6 月中旬至8 月中旬平均降水量3 2 0 m m ，占全 年降水量的6 0 _ 7 0 。年日照时数2 3 0 0 3 0 0 0 小时。y 无霜期1 2 5 2 1 5 天。受季 风的影响，春季少雨而多风，夏季瑗热而多雨，秋季暂短而晴朗，冬季寒冷而干 燥。 北票市境内地表水系发育，流经全境的主要河流为大凌河，支流为牦牛河( 图 2 - 3 ) ，呈树枝状；大凌河流域径流量年际交化较大，丰、枯水年径流量相差悬殊， 可达l o 倍，多年平均径流量为1 7 3 2 0 0 万立方米( 锦县站) 。径流量年内变化也很 大，6 9 月的径流量占全年径流量的8 0 ，最小月为2 月，3 5 月仅占全年径流 量的1 2 。据朝阳水文站历年观测资料，大凌河最大流量为1 5 3 0 0 m 3 s ，最小流量 o 5 4 m 3 s 。含沙量为1 5 1 1 k g m 3 ，最大流速7 7 m s ，。最小流速0 3 m s 。大凌河下游 建有白石水库，地址距锦承线的上园站1 3 k m ，受白石水库蓄水的影响。河谷发育 的砂卵石层、沉积形成的漫潍均处于河水淹没中。 6 第二章渗滤取水环境条件及j 二程概况 2 2 水文地质概况 ( 1 ) 地下水赋存条件 勘察揭露的主要地层为上覆全新统冲洪积层( q 4 “+ p 1 ) ，下伏侏罗系北票组( j i b ) 黄褐、灰黑色页岩、粉砂质页岩夹砂岩、粉砂岩。其特征为： 全新统冲洪积层( q 一州) ：上部为黄褐色粉土、粉质粘土，厚度1 4 5 o m ； 下部为黄褐色中粗砂、砾砂。厚度2 8 5 5 m 。第四系孔隙潜水主要赋存于砂类土 中。 全新统冲洪积层( q 4 “州) 圆砾层：一般厚3 9 7 4 m ，呈浑圆及次圆状。 充填物为粘性土，富水性极差。 ( 2 ) 地下水类型及补、径排关系 地下水的类型主要为孔隙潜水，赋存于全新统冲洪积砂砾石层中。地下水的 补给来源主要为地表水及大气降水，水库形成前流向顺地势沿河床由西向东。 2 3 北票渗滤取水工程概况 2 3 1 渗滤取水技术及工艺简介 渗滤取水工程是选择江河底部砂卵砾石层发育地段，在岸边钻凿竖井及水平 输水平巷，深入到河床底部，利用钻孔采集砂卵砾石层中渗流水的取水设施及装 置，通过在集水竖井中抽水产生的压犁2 】1 1 5 】【1 6 】，诱使河水透过砂卵砾石层下渗， 转化为渗透水。渗透过程水中污物大部分被滤床表层滤膜所截留，因而水源水水 质经天然滤床渗透、过滤作用被净化。集取河床渗透水的取水工程如图( 图2 - 4 、 图2 5 ) 所示。渗滤取水工艺流程如图2 - 6 所示。 罄 j 装l l 劂 图2 4 渗滤取水工程平面示意图 据李晓天然河床渗滤取水技术研究 7 成都理工大学硕士学位论文 1 竖井2 输水平巷 3 取水孔4 砂卵砾石层 图2 - 5 渗滤取水工程剖面示意图 据李晓天然河床渗滤取水技术研究 地表河水通过天然滤床渗滤系统、硐室、平巷被导至竖井内，实现江河底取、 制水全过程，最后由泵站实施供水运营。 图2 - 6 渗滤取水工艺流程 2 3 2 北票市拟建取水工程概况 辽宁省北票市引白入城取水工程，取水源头位于白石水库库区，终点在北票 市自来水总公司龙泉水厂，输水线路全长约l o k m ，全部为地下管线。拟建工程计 划总取水量为l o x l 0 4 m 3 d ，总水源地拟分两个厂区建设，其中第一厂区建于馒头 沟附近，第二厂区建于其下游约l k m 的心府附近。水源地占地面积各约l 1 0 6 m 2 。 渗滤取水构筑由l 座集水竖井，3 条江底输水平巷，6 个集水硐室和1 6 0 个渗 滤取水辐射孔组成。见图2 7 ，地下构筑分别为： ( 1 ) 集水竖井 设计井口标高1 3 0 m ，保证水库远期正常蓄水位要求。竖井井筒为圆形，内径 5 m ，初设井深为6 0 o m ，井底5 0 m 段为导井( 积淤与施工排污) 。 ( 2 ) 输水平巷 平面布局均呈y 形，主巷道长第一厂区5 0 0 m 、第二厂区6 0 0 m ，各2 条支巷 8 第二章渗滤取水环境条件及工程概况 各长3 0 0 m ，巷道净断面为2 0 2 o m ，为圆拱直墙式支护形式，墙、顶背均作砂浆 砼( 混凝土) 、块石填实止水。巷道马门口底标高拟7 5 o m ，纵坡率0 2 5 。 ( 3 ) 取水硐室 设硐室6 座，圆柱形，内径4 m ，硐室高3 5 m 。硐身预制砼块、硐顶预制砼钢 筋砼梁支护，墙、顶背均作砂浆砼、块石填实止水。 ( 4 ) 渗滤孑l 布设于硐室内，呈放射状实施对滤床区的控制。设计渗滤孔辐射实际控制取 水面积约8 万m 2 。共设渗滤孔1 6 0 个，单孔深度5 0 m ，孔端安置特制过滤器。单 孔平均安装过滤器4 套，取水量8 0 1 0 0g o _ , 套。 图2 7 辽宁北票白石水库渗滤取水工程取水构筑物布置 9 成都理工大学硕士学位论文 第三章滤床特性及演化趋势分析 滤床是渗滤取水工艺中最重要的组成部分。对渗滤取水技术而言，滤床的特 性是指滤床的结构、物质组成情况及渗透性能等，其对渗滤水的运动特征、净化 效果及滤床淤塞有很大的影响。工程区位于水库上游库尾段，滤床沉积特征会受 到库尾水库淤积的影响，水库河床演化直接关系到工程区的滤床特性。 3 1 工程区滤床结构 渗滤取水的滤床主要指河谷底部，在基岩上由沉积形成的砂砾石层及其表层 的泥膜( 生物膜) 。砂卵砾石层多经远源流水分选、磨圆、搬运、沉积形成，其堆积 历史超过百万年，地质学上称其为第四系更新世全新世地层。表层的泥膜多生成 于新近的低流速环境，随时处于冲、淤的动态变化过程中1 1 0 1 。滤床的分布发育受 河流水动力条件的影响。 取水工程滤床结构是根据物质颗粒粒径大小和组成特征进行划分的。对滤床 物质颗粒成分及结构类型的定名一般以野外经验和室内实验数据相结合的方式进 行。 根据槽探、钻探勘察结果显示，北票取水工程区及附近地区天然砂砾石层分 布广泛，厚度较为稳定，厚度变化在7 4 4 1 1 1 l m 。工程区天然河床物质结构在 水库淹没区和未淹没区有一定差异，根据野外现场初步定名，工程区滤床依次为 淤泥、粘土质粉砂、砂层、砂卵砾石层四大类【9 】。 淤泥层主要发育于水库蓄水区河床表层，靠近河岸有水的浅滩也有零星分布。 河床淤泥相对连续分布，厚度2 0 1 8 0 c m 不等，其变化总体上由岸边至河心逐渐变 厚。浅滩区淤泥极薄，最大厚度2 0 c m 。 粉砂层主要发育于无水漫滩表层，厚度均匀变化。自谷坡向河流两岸延伸， 至河流边界处尖灭或逐渐向河床淤泥过度。蓄水区河床淤泥以下，也出现了粘土 质粉砂的透镜体。 砂层物质以细砂为主，含少量粗砂。参见图3 1 ，该层在两场区的分布有一定 差别：第一厂区该层位平均厚度近2 m ，向河心延伸过程先由厚变薄之后又逐渐变 厚，河心平均厚度达3 m 以上。第二厂区该层始发育于z k 2 9 所在处，延伸至河心 逐渐变厚，至河心正中央突然尖灭。与一厂区另一区别是，二厂区该层在漫滩近 河处出现粘土质粉砂透镜体。 i o 第三章滤床特性及演化趋势分析 1 6 9 一厂区横剖面 二厂区横剖面 m o1 0 0 2 0 0 3 0 0 m 图例 e 囝淤泥 i ：勿粘土质粉砂 园中枫砂层 园砂卵砾石 固河水位线 口钻孔 圈钻孔编号訾 图3 - 1 取水工程两厂区滤床结构对比图 结合钻探及滤床结构剖面( 图3 - 1 ) 来看，砂卵砾石层除中间偶有粘土- 圆砾 胶结物( 泥包砾) 岩相出现以外，总体上基本以稳定的形式上覆于基岩之上。其 厚度大，分布广。两厂区滤床结构在该层除二厂区在傍河处出现暂时尖灭以外， 总体上没有大的差别。 3 2 滤床物质组成 3 2 1 滤床物质颗粒组成 自然界中的土是由不同大小的颗粒组成的。对于土粒大小的研究，通常是将 它们划分成若干工程地质性质相近的粒径区段，即粒组进行的。土的颗粒组成是 指不同粒组的颗粒在土中的百分含量【1 2 1 。通过颗粒组成分析可以了解土中颗粒 大小的分配情况，并能为土的分类及概略判断其工程地质性质、建材选料提供所 需的资料。测定土的颗粒组成的方法有：筛析法、虹吸管法、移液管法和密度计 法等。但目前生产实践中一般多用以下两种方法： 筛析法：适用于粒径野o m m ， 0 0 7 4 m m 的土。 密度计法：适用于粒径 o 0 7 4 m m 的土。 若土中粗细颗粒兼有，则联合使用筛析法及密度计法。结合勘察过程实际情 况，本节对滤床主体一砂砾石层采用筛分法分析其颗粒大小及分配情况。对于滤 床中的表层淤泥，将在下一节用密度计法分析颗粒组成与矿物组成关系。 成都理工大学硕士学位论文 表3 - 1 筛分试验成果统计表( ) t c i 0 1 0 0 0 0 2 51 4 51 5 1 05 6 8 0 5 0 82 0 8 8 t c i - 0 50 0 0 0 0 30 9 30 4 73 4 6 02 1 7 7 4 2 2 0 t c 2 0 l0 0 01 1 8 1 2 4 51 9 5 05 3 1 85 4 56 9 5 t c 2 0 20 0 00 5 83 2 52 2 7 56 5 6 8 2 3 55 6 8 t c i 0 3 0 0 0 0 0 53 3 55 0 06 1 5 57 5 5 2 2 5 0 t c i 0 4 0 0 0 0 1 01 5 30 6 84 3 3 01 0 9 3 4 3 4 8 h t c x 0 0 0 0 0 81 6 2 52 5 1 34 0 8 31 6 8 1 5 7 5 h t c 0 93 1 6 31 2 1 81 0 7 8 1 0 7 02 1 3 84 3 59 0 0 z k - 0 94 3 3 02 0 0 01 7 4 7 8 1 58 5 51 5 40 7 8 z k 1 44 7 1 01 1 3 51 5 9 06 5 0 1 5 0 01 9 l2 0 6 z k - 1 4 4 8 5 0 9 52 6 03 7 06 8 0 0 7 9 011 6 3 z k 1 64 7 34 0 6 1 3 _ 3 32 5 1 04 5 9 31 ，6 0 3 8 3 z k 3 80 110 2 3 7 5 03 8 3 34 4 8 63 0 85 9 0 z k 1 76 1 9 27 9 99 7 4 9 8 97 7 70 6 72 4 1 z k - 0 3 7 3 9 4 1 4 1 04 0 92 1 82 8 7 0 4 l2 4 7 z k - 0 4 6 4 4 5 1 9 3 37 4 73 1 53 9 00 5 1 0 9 5 小1 于 某 粒 径 占 质 量 、 t 、 专 、 0 10 0 1 m z k 一3 8 砂土样 图3 - 2 钻孔中滤床物质颗粒组成累积曲线 由筛分结果，滤床物质颗粒类型以砾石和砂粒为主、粉粒和粘粒充填之。砾 石含量在6 7 5 之间，砂粒含量在6 0 9 4 之间，粉粒和粘粒含量在l 4 0 之间。根据其各组分的含量特征，按土的分类标准g b j 7 8 9 ，滤床主要颗粒 组分可定为：粉砂土、细砂土、粗砂土、砾砂土和卵砾土。 从颗粒组成累积曲线上可以求得颗粒的有效粒径d l o 、平均粒径d 5 0 和限制粒 径d ，即分别为曲线上累积含量1 0 、5 0 * , 4 和6 0 所对应的颗粒粒径l l “。有效 粒径d l o 可以作为渗透性能的指标，小于它的颗粒是产生水头损失的主要部分。 二- j | | | | | | ，川| | | | | | | | 第三章滤床特性及演化趋势分析 d 6 , o d 。o 的比值称为不均匀系数c 。，它的值可以反映出颗粒的均匀性和级配情况。 从图3 - 2 可知，不均匀系数c 。粒砥齄掘 柑生 细 ) 2 2 一o 0 7 5 一00 0 51 0 0 5 0 0 0 l“型60 0 0 1( 0 0 0 0 1 母岩碎屑( 多矿糖结构)茎墨 = 一 原 生苴 右荚 题! ：j 。3 i ! ： 矿 矿 物 物 长石 上0 7 联 粒 云母 眵 欢生二氧化硅( s i o z ) 乏黑陟 敬 粘 高岭石 万翟弪 刍 生 土 rl - 伊利石 ：巧吟 物 物 t 脱茬 岛；釜t ：毫j 俯半氧化物 趣 ( a 1 2 0 ，f 岛) 堆藩盐 ，j 7 ，| 7 7皿 ( c = c 0 3 , m s c 0 3 ) ， 庸殖质 弋卜 鬃铌优势颤幢分布特征 砂砾优势囊粒分布特征 3 3 工程区河床演化特征 北票地区属中e - - s f 原地貌。河流自山区进入平原以后，水流开始向平面扩 散，加以坡降迅速展平，导致水流的速度减低，泥沙大量停积，此情况下河流一 般都处于堆积抬高状态【l - r j ，在河谷中形成深厚的淤积层。水库修建后，由于侵 蚀基准面的抬升形成了壅水区，来自上游的泥沙将在这里大量落淤，通过淤积， 又在库区逐渐形成了适应新的边界条件的新河道【1 8 1 ，使来沙能够全部通过水库 下泄，这就是水库上游造床的过程【18 】【1 9 1 。 3 3 1 水库输沙及淤积 3 3 1 1 建库前河流输沙特征 河流泥沙的主要来源是流域表面的侵蚀和河床的冲刷，而泥沙的多少和流域 的气候、植被、土壤、地形等因素有关。因此，影响河流输沙量的因素有三个方 面：气候因素、下垫面因素和人类活动【嘲。气候因素中影响最大的是气温和降 雨。在没有植被的地表，太阳直接照射，表层土壤十分干燥，若遇暴雨，则松疏 土层极易被暴雨产生的地面径流冲走。春季急速融雪形成的洪水，也常常引起大 量表土流失；下垫面因素主要是流域的地形、植被和土壤特征等。地面坡度越大， 1 4 第三章滤床特性及演化趋势分析 土壤流失也越严重。植被是防止地面侵蚀的积极因素，它可以减少甚至完全控制 水土流失；人类活动主要指人类的生产、耕作方式对下挚面状况的影响。 据白石坝址附近大凌河水文站资料【9 】，大凌河的泥沙主要来自中游地区，如 幸亡牛河、老虎山河、第二幸亡牛河等，萼亡牛河等几条支流来沙占很大比重。 大凌河输沙量的年际变化很大。干、支流各站输沙量的最大、最小值之比可 达5 0 3 9 2 倍，说明大凌河来沙主要集中在大水大沙年份，如大凌河实测系列中 最大的1 9 6 2 年年沙量为1 0 6 9 5 。7 1 万吨，是最小值1 9 9 2 年2 1 0 6 2 万吨的5 0 7 8 倍，是多年均值2 1 4 3 4 3 万吨的近5 倍，是1 9 5 5 1 9 9 2 年共3 8 年总沙量8 1 4 5 0 4 0 万吨的1 3 1 3 。另外，大凌河年沙量的变幅是上游比下游大，支流比干流大， 丽干、支流各站最大值出现的年份又不一致，说明本流域局部暴雨产沙的特点， 暴雨中心，笼罩面积不同，使得各年沙量及其分布的差异极大。 由于本流域暴雨多发生在汛期，故沙量年内分配也极不均匀，大部分集中在 汛期几场洪水之中。据各站统计，汛期6 9 月沙量一般占全年沙量的9 5 4 9 8 8 。其中7 、8 两月沙量就占全年沙量的7 5 8 5 ，而一次洪水的沙量又往 往占很大比重。非汛期1 2 、1 、2 月河道冰封，来沙几乎近于零，3 月下旬化冰 之际有凌汛沙峰发生。 大凌河流域悬移质泥沙颗粒组成比较单一，都以粉砂为主。各站多年平均中 值粒径d s o 变化在o 0 1 5 7 0 1 2 1 9 m m 之间，平均粒径d p 。变化在0 0 2 4 2 0 0 3 1 8 之间。只有凉水河因参杂洗煤粉，颗粒偏细，d 5 0 为o 0 1 2 7 m m 。大凌河干流自 上窝堡到大凌河站泥沙沿程变粗，支流牛亡牛河、老虎山河、第二斗亡牛河来沙也较 粗。大凌河站以下，细河来沙较细，d 5 0 为o 0 1 6 1 m m ，沿程递减，到锦县d 5 0 为 0 0 1 5 7 m m ，反映下游平原冲积河流的淤积特性。汛期泥沙是由暴雨侵蚀流域面 上挟带而来，故颗粒较细；非汛期泥沙则来自上游河道的冲刷，故颗粒相对较粗。 由此可见，大凌河输沙量的年际变化大、局部支流输沙量大于干流、以及颗 粒较细等特征主要与该区的降雨强度、降雨分布，偶遇洪涝与持续干旱、冰冻等 气候因素以及下垫面因素有关。 3 3 ，1 2 建库后水库淤积特征 水库的淤积主要是河水挟带的泥沙在水库回水末端至拦河建筑物之间库区 的堆积。按纵向上的剖面形态大致可以分三种类型：三角洲淤积，锥体淤积和带 状淤积i l ”。影响淤积的因素主要是：来沙的物质组成；水库库容相对于来 沙量的大小；库区的地形；水库的运用方式。当水库相对库容较大，来沙物 质组成较粗，库区的地形开阔，并经常处于一定水位运用时，淤积体通常形成三 角洲形态：当水库库容不大，流域来沙丰富，物质组成又细，库区地形狭窄，水 库水位有相当的变幅时，泥沙的淤积很快发展到坝前，淤积厚度上小下大，成为 成都理工大学硕士学位论文 锥体形态；如来沙量既小且细，库水位变幅又很大时，淤积形态就可能成为均匀 的带状淤积【1 刀【1 9 1 。 三角洲淤积体可以自上而下分为四个部分：尾部段；顶坡段；前坡段； 坝前淤积段。如图3 4 。 图3 4 水库三角洲淤积形态示意图 为了估计泥沙在水库中的淤积形态，各方面曾提出很多不同的判别标准和计 算模型。金宝琛等根据多沙河流水库泥沙调度运用模式，采用张启舜等编制的河 流与水库泥沙冲淤过程计算数学模型预测了白石水库自1 9 9 9 年开始3 0 年和 1 0 0 年以后坝址到库尾沿程淤积的的纵向形态口3 1 。 圉3 5 白石水库淤积预测纵剖面图 据金宝琛大凌河白石水库淤积分析有改动 1 6 第二章滤床特性及演化趋势分析 根据金的计算预测，白石水库干流的淤积形态为三角洲形。工程选址区距大 坝1 9 6 k m ，位于支流牦牛河与凉水河之间，靠近监测断面b 1 5 处。自1 9 9 9 年的 3 0 年后，工程区位于三角洲的顶坡段，河床高程约在1 1 9 m 。水库蓄水前工程区 原河床高层约1 1 3 米，0 7 年5 月现场勘察时河床高程在1 1 5 米左右，因此在未 来的2 0 年左右的时间罩，若继续已有的水库运用管理方式，河床还要抬升约4 m 。 根据河流动力学理论，河床因起伏变化而引起的坡度称比斛”j ，由白石水 库淤积纵剖面图，原天然河床的比降变化 l d , ，从大坝到库尾其沿程坡度变化基 本保持一致，而随着淤积过程三角洲的形成与发展，其前坡比降猛增，而位于三 角洲的顶坡段的工程区比降却变得越来越小瞄】【2 4 1 。也就是说，随着水库淤积的 发展，工程区河床将变得越来越平缓。 3 3 2 淤泥沉积规律 淤泥是经固结的在滨海、湖泊、沼泽、河湾、废河道等地区沉积的一种特殊 土类【1 9 】。在特定生成环境中形成的淤泥类土，含有大量的亲水性强的粘土矿物 和有机质，其孔隙比大，透水性弱。取水工程中，一方面它可以以其特殊的物质 成分( r e - 物和微生物) 和结构起到良好的净水作用，另一方面它又因其低的渗透 性能影响着渗透速度及渗透水量。 3 3 2 1 淤泥厚度分布特征 根据已有研究成果【9 】【，淤泥是一种以含水铝硅酸盐为主的各种矿物的混合 物。大多数淤泥化学成分及矿物组成与一般粘土( 泥) 、泥岩、粘土质岩相似。 江河湖泊的淤泥其矿物成分一般是以高岭土为主，其次是石英、长石及铁质和少 量有机质；如太湖流域淤泥矿物成分主要是高岭土，洞庭湖区淤泥物质成分以伊 利石和绿泥石为主。根据前文分析，厂区淤泥成分与上述地方成分基本一致，多 为亲水性粘土矿物成分，有机质较多，这与水库养殖环境下生物大量存在有关。 1 1 6 儿2 1 0 8 20 厚1 6 度12 ( m ) 08 0 4 一二厂区滤床结构纵向剖面 一二厂区河心淤泥厚度变化趋势 1 1 6 儿2 1 0 8 图3 - 6 一二厂区河心滤床结构及淤泥厚度沿河变化趋势图 成都理工大学硕士学位论文 通过对沿河淤泥厚度变化趋势( 图3 6 ) 分析发现，淤泥沿河而下厚度虽起 伏变化，但是总体向增厚方向发展；根据取水工程两厂区滤床结构对比图( 图 3 1 ) ，从两岸到河心，淤泥同样是逐渐增厚。淤泥这一厚度变化特征反应深水环 境更适宜其沉积生长。 厂区淤泥厚度变化特征与库区环境有很大关系，由于厂址区地处白石水库近 库尾地段，其上游与余存的大凌河流域相连，水动力条件从弱动水条件逐渐转变 为静水条件。水流从上游带来的悬浊物，到水流平缓或近于静止的库区进行沉淀、 积累并经过一系列的生物化学作用最重形成淤泥。库区除具备静水条件以外，这 里还生长着鱼类、虾类、藻类动植物和大量微生物。淤泥生长环境越向下游库区 便变得更为有利。因而沿上游向库区，河床淤泥总体上是逐渐变厚的。另外，深 水环境比浅水环境有利于淤泥生长，所以河心淤泥也要厚于两岸浅滩区淤泥。 3 3 2 2 淤泥沉积速率 工程区水库底部淤泥沉积厚是一个突出的问题，只有把握其沉积速率才能对 渗滤取水滤床改良和维护起到好的指导作用。假设工程区滤床表层的淤泥是在水 库蓄水以后沉积的。白石水库主体工程于一九九七年开工，于1 9 9 9 年1 0 月开始 落闸蓄水。因此本次以7 5 年的时间作为沉积时间，通过对钻探揭露的淤泥厚度 进行统计，便可以大致推算淤泥在水库环境下的沉积速率。 表3 3 工程区各钻孔淤泥厚度及沉积速率 厚度沉积速率 平均厚度 平均沉积总均速度 位置钻孔 ( ) ( c m y ) ( c m )速率c m y( c m y ) z k 62 02 6 7 一厂岸上 2 0 o2 7 z k 92 02 6 7 岸 z k 3 35 06 6 7 上 二 厂 z k 3 43 04 o o 4 5