明沟-地下滤水管-竖井补源工程布置形式的室内模拟实验研究

明沟-地下滤水管-竖井补源工程布置形式的室内模拟实验研究

0总结山东省大部分平原水库存在的农业灌溉供水矛盾严重，地下水超采，大面积地方水位下降等灾害。1材料和方法1.1砂槽设计工艺以位于引黄灌区下游末端的临清市车庄沟为研究区,其浅层地下水含水层厚度约为60m,根据岩性分为上、中、下3部分:上部埋深区间0~15m为亚砂土、黏土互层;中部15~35m主要由粉细砂、细砂、中粗砂组成;下部35~60m则是亚砂土夹粉细砂。该试验装置结合当地实际的补源工程形式,按照1∶15的比例进行缩小(取决于实际工程暗管管径与试验所用暗管管径的比值),设计长90cm、宽15cm、高55cm的砂槽,砂槽左右2端分别设置1个30cm×15cm×15cm的进水槽和出水槽,用以模拟明渠和后置清淤井,且距进水槽顶端16、18和20cm处设置1个溢流口,用于控制定水头进水。进水槽和出水槽内各有5cm长的进水和出水管。此时的进水槽和出水槽形同连通器,当2个水槽水位大致保持一致时,之后进入暗管中的水开始下渗,如同回灌补源。砂槽底部设置1个承托层,板厚度为8mm的有机玻璃板,开孔直径6mm,孔间距10mm。承托层下端设置1个带阀门的出水口,并连接水表。地下暗管长90cm,分别采用管径2cm的塑料管和外径4cm、内径2cm的排水盲管,倾斜度为0.02,分别外包土工布和60目过滤网置于砂槽中。试验装置如图1所示。1.2定水头产水管设置试验共分为3组,通过设置不同定水头供水、前置过滤装置设计方案和暗管材质及暗管外包材料研究下渗量和浊度变化,具体试验过程为:1)不同定水头供水:用2层60目过滤网包裹前置过滤装置的进水口,塑料管压半幅缠绕60目过滤网置于滤层中,设置源水浊度为3.3NTU。在保证前置过滤装置过滤效果良好的前提下,先设置进水口水位为8cm,再设置10cm和6cm的定水位水头各供水3d,从08:30—21:30每隔1h监测下渗量和源水、后置出水槽及下方出水口的浊度,并记录每天的累积下渗量,通过将3d数据取平均值来绘制流量-时间和浊度-时间曲线,分析不同定水头供水条件下渗量和浊度变化,以选取合适的定水头供水水位。2)不同暗管材质及暗管外包材料:通过不同定水头供水条件下浊度变化的试验结果可看出,当源水浊度较小时,经过前置过滤装置和暗管的前后浊度变化较不明显,故需要适当扩大源水浊度。而当地地下水的浊度为5.9NTU,故可配制试验中源水浊度与当地地下水浊度近似相等来研究源水经过回灌系统后能否起到改善地下水水质的作用。现进水口水位设置为8cm,且为了保证暗管下方土壤的固结程度相同,只更换暗管上方土壤,再将塑料管分别用60目过滤网压半幅和土工布全幅缠绕,盲管用土工布全幅缠绕置于滤层中,各连续供水36h,采用同样方法监测和记录下渗量和浊度变化,绘制相应的流量-时间和浊度-时间曲线,经分析比选出不同暗管材质及暗管外包材料渗透性的优劣。3)不同的前置过滤装置设计方案:进水口水位仍为8cm,源水浊度近似为5.9NTU。装置内土壤的处理方法与第二组试验相同,然后将塑料管用土工布全幅缠绕置于滤层中。前置过滤装置的进水口分别采用2层过滤网、土工布包裹和土工布外埋粗砂,这3种设计方案各供水3d,采用同样方法监测和记录08:30—21:30内的下渗量和浊度变化,将3d数据取平均值来绘制相应的流量-时间和浊度-时间曲线,比选出合适的进水口布置方案,具体试验装置布置与运行形式如图2所示。2结果与分析2.1渗透量的变化2.1.1进水口水位设置为8.6m的情况暗管管径(d)取0.02m,由于前置过滤装置设计中过滤网和土工布的滤水量均大于埋粗砂的情况,故在分析滤水量时选用前置过滤装置设计为埋粗砂的情况即可。其中,粗砂渗透系数k=6×101)进水口水位H设置为6cm时,水力坡度i=H/L进水管=0.06/0.05=1.2,v=ki=0.00072m/s=62.208m/d,滤水量Q=vA=1.36×102)进水口水位设置为8cm时,i=0.08/0.05=1.6,v=ki=0.00096m/s=82.944m/d,滤水量Q=vA=1.81×103)进水口水位设置为10cm时,i=0.10/0.05=2.0,v=ki=0.00120m/s=103.68m/d,滤水量Q=vA=2.26×10式中:q为渠道单位长度渗漏量;K为当地浅水含水层的渗透系数,兹取2.8m/d;B为渠道水面宽;h为渠道水深;A为根据渗流理论推导出来的系数,视断面形式而定,对于水面宽度较小的渠道,A=2。由于此项目中采用圆管,所以该公式可以简化为:式中:D为外包土工布和过滤网厚度;d为管径;L为细管长度,取0.9m;则满管时的理论入渗量Q=2.8×0.90×(0.02+0.02)=0.1008m结合滤水量计算公式和暗管渗漏量的理论公式可知,试验设置进水口水位为6、8、10cm时,其滤水量皆满足暗管下渗量的要求,故此试验装置的设计是合理的。2.1.2试验结果的分析1不同定水位供水条件由表1看出同一时刻的进水口供水水位越高,下渗量越大,且根据不同定水位供水条件下的日累计下渗量Q和水位H之间的关系可推导出经验公式为:Q=-9.31H2土工布的下渗量选定进水口水位为8cm,且前置过滤装置的进水口处用2层60目过滤网包裹,从而得到不同暗管材质及不同暗管外包材料的下渗量如图3和图4所示。由图3和图4可看出,经过连续36h的观测,盲管包裹土工布的下渗量是塑料管包裹过滤网或土工布的2倍,渗漏效果最好;而用土工布或过滤网包裹相同材质的暗管,土工布的渗水性较差的原因可能是在进水口水头有限的条件下,针刺土工布在短距离输水过程中出水不均匀造成的,且由于盲管表面开孔率达90%~95%,远大于塑料管的开孔率,故出水量更大。此外,综合不同暗管材质及不同暗管外包材料的下渗量曲线可看出该过程主要分为2个阶段:第1个阶段是非稳定自由渗漏阶段,该阶段内渗漏量达到最大值,而后迅速减小,逐渐过渡到第2个阶段,即稳定自由渗漏阶段,此时下渗量略有波动,但总体趋于稳定3前置过滤装置设计对下渗量的影响由表2可看出,在相同的定水位供水和暗管外包材料条件下,用2层过滤网包裹进水口的下渗量要明显优于土工布和土工布外埋粗砂的进水口,而进水口用土工布包裹和用土工布外埋粗砂的下渗量相差不大,故此试验结果表明前置过滤装置的设计对于下渗量的影响较小。2.2过滤效果2.2.1暗管内泥沙量的计算根据渠道动态输沙公式式中:S为计算段出口含沙量(kg/m根据土样检测报告可知,源水的浊度为3.3NTU,1NTU=1mg/L=10试验研究中,计算段长度L=0.90m,平均水位H=0.02m(以暗管底部为基准面),α由表3可看出:与初始含沙量相比,进入暗管的泥沙大部分会呈现悬浮状态,仅有较少量泥沙沉积。此外,在无前置过滤装置的前提下,泥沙的沉积量在不同定水头供水条件下大致相等,后方出水槽浊度相近,由此可知,不同定水头供水条件对于暗管中泥沙分布没有显著影响,故仍需对暗管泥沙分布及下方出水口浊度变化的影响因素做进一步研究。2.2.2试验结果1浊度的变化由图5和图6可知,在不同定水位供水条件下,随着试验的进行,进水槽和出水槽的浊度差大致相同,而下方出水口的浊度变化则呈现逐渐减小的趋势。说明不同的定水位供水条件对于出水槽和下方出水口的浊度几乎没有影响,从而验证了暗管出口含沙量计算公式的准确性。此外,在试验初始阶段,出水槽浊度高于进水槽浊度的原因是随着试验的进行,淤积在暗管中的泥沙在进水槽和出水槽存在一定水头差的条件下随着水流冲刷到出水槽中,以达到清淤的效果。2暗采用过滤器包裹过滤效率由图7可知,在保持前置过滤装置的进水口水位和设计方案相同,即前置过滤装置大致能过滤19.6%泥沙的前提下,暗管管材对于出水槽和下方出口浊度没有影响;而暗管用过滤网包裹和用土工布缠绕后分别能平均过滤52.0%和46.7%,故暗管用过滤网包裹的过滤效果要优于用土工布,这也说明不同暗管外包材料会直接影响下方出水口的浊度,但同样对出水槽的浊度则影响不大。此外,由于试验期间的换水会对源水的浊度产生一定的影响,且供水过程中也有泥沙在进水槽中累积,故图中进水槽和出水槽的浊度曲线出现一些波动,但相比于进水槽的浊度变化,出水槽受换水影响较小,虽有小幅波动,但最终趋于稳定。3前置过滤装置过滤效果由图8和图9可知,在相同暗管外包材料和进水口供水水位的条件下,保持进水槽浊度大致相等,通过对比进水槽和出水槽的浊度差异可知,源水经过不同设计方案下的前置过滤装置到达出水槽后泥沙的过滤效果分别为2层60目过滤网过滤19.6%泥沙、土工布过滤15.2%以及土工布外埋粗砂过滤23.2%;而对比下方出水口的浊度差异可知,2层60目过滤网过滤45.5%泥沙、土工布过滤46.0%以及土工布外埋粗砂过滤45.6%,故不同前置过滤装置的设计方案对下方出水口的浊度无显著影响,但却对后方出水槽的浊度变化起到一定作用。3应用效果分析1)下渗量的大小受暗管管径、长度及滤料厚度等因素影响外,还与供水水位和暗管管材及其外包材料密切相关。具体来说,盲管包裹土工布的渗漏效果最好;由试验所得经验公式表明,进水口水位与下渗量呈抛物线变化,水位为10cm时的下渗量最大。根据下渗量理论值与试验值的对比结果可知,为保证工程运行安全,应在理论计算公式中引入安全系数k′的取值范围大致在1.1~1.2之间。运用该渗流公式计算实际工程的下渗量,并与实测下渗量进行对比,发现二者的拟合程度较高,因此该渗流公式可用于实际工程下渗量的计算。2)不同定水位供水和