渗渠集取地下水在某县城引水工程中的应用

摘 要：地下水资源作为一种极其宝贵的资源，宜优选作为生活饮用水水源。渗渠是一种集取地下水的构筑物型式，本文根据某县城引水工程实例，分析、讨论了地下水集取方案的选择、渗渠出水量的计算、渗渠的水力设计、人工滤层设计以及渗渠的结构设计等内容。目前，该工程已基本完工并进行了抽水试验，试验结果表明，渗渠式集取地下水能够提供优质、足量的饮用水水源。

关键词：渗渠；地下水；出水量；水力设计；结构设计

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.068

地下水资源作为一种极其宝贵的资源，能够不断地得到补给，可广泛地应用于城市居民用水、工业用水和农业用水。符合卫生要求的地下水，宜优选作为生活饮用水水源。某县城引水工程工程区主要含水层为圆砾层，透水性较强，渗透系数建议值为100～150m/d。工程勘察时正值枯水期，地下水埋深3～7.3m，高程为716.6～725.9m，西部水位高，东部略低，地层岩面线高711.5～713.6m。工程区东侧河道一般常年有水，丰水期地下水水位上升的可能性很大。

1 取水构筑物比选

由于地下水埋藏条件、开采条件及当地经济技术条件和习惯的不同，地下水取水构筑物的型式多种多样，一般可分为垂直取水、水平取水、联合取水和引泉取水等类型。县城引水工程设计供水能力为2万m3/d，根据工程特点和工程区水文地质条件，并综合考虑各种实际情况，选取大口井取水、完整式渗渠集水进行比较。

大口井作为一种地下水垂直取水构筑物，适用于地下水埋深在10m以内的潜水、承压水，含水层厚度一般为5～15m，水文地质特性为砂、砾石、卵石，渗透系数在20m/d以上。根据本工程取水区水文地质条件，计算大口井的单井出水量为2000m3/d，为满足2万m3/d的设计供水能力，需要修建10座同等规模的大口井。

由于本工程用水量较大，采用大口井集水方案井数较多，为减小各出水井的相互影响，井距根据水文地质条件确定在100m以上。井群集水方式可采用虹吸管集水和各单井内设抽水设备。若井群采用虹吸管集水时，采用截头圆锥形大口井，井距不宜太大。截头圆锥形大口井井壁倾斜度大，施工时稳定性能差，井筒易发生倾斜且不易校正，施工中要防止井周围土壤塌陷和不均匀下沉。若各单井内设抽水设备，会增加电气设备的数量及投资，不利于水源的统一管理和调配。

相比于大口井井群集水方案，水平集水构筑物具有布置集中、出水量稳定、便于施工等优点，故本工程选用完整式管道渗渠取水方案。

2 渗渠出水量计算

渗渠工程区含水层较厚，补给充沛，河床较稳定，水质较好。为了施工和检修方便，同时考虑淤塞和出水量变化等因素，将渗渠平行河道布置，以集取河床潜流水和岸边地下水。根据工程区地层岩面线高程，渗渠整体坐落在强风化岩上，为完整式渗渠设计。

同时集取河床潜流水和岸边地下水的完整式渗渠出水量按下式进行计算：

式中：L—渗渠长度（m），取250m；

K—渗透系数（m/d），取120m/d；

H—含水层厚度（m）；

h—动水位至含水层底板的高度，可取0.15～0.30H；

l—渗渠中心至河水边线的距离（m）；

Q1—从分水岭来的地下水流量（m3/d）；

α—系数。

选取渗渠的直径为DN1200mm，渗渠中心至河水边线的距离为30m～160m，出水量按距离的远近分段进行计算，出水量为2.19m3/d，满足设计要求并略有余存。

3 渗渠设计

渗渠结构材料拟采用钢筋混凝土管，管徑DN1200mm，为保证运输和安装方便，每节长度采用1m。

（1）水力计算。对管道式渗渠进行水力计算以确定管道的直径、铺设坡度及其他水力要素等。为了有效地截取潜流水和便于清除管内淤积，对集水管按照部分充水即无压状态进行设计，充水深度通常取h≤0.4D。圆形集水管中的水流未充满全管，采用换算系数法进行计算：设R=αD，W=βD2，v=γv1，Q=ΔQ1，其中α、β、γ、Δ为非满管水流时的各相应换算系数。

本工程取充水深度h/D=0.4、α=0.250、β=0.392、γ=1.00、Δ=0.50，计算得集水管管径为DN1200mm，设计水力坡度和管道铺设底坡为0.001，设计流速为0.8m/s，满足设计要求。

（2）进水孔设计。渗流通过反滤体后由管壁上的进水孔流入集水管，进水孔流速一般为0.01m/s，根据设计出水量，本工程进水孔的总面积为25m2。

进水孔形式采用圆孔，钢筋混凝土管进水孔孔径为20mm～30mm，孔眼为内大外小的楔形，梅花状布置。孔眼净距按结构强度要求，一般为孔眼直径的2mm～2.5倍。

进水孔一般沿上部1/2～2/3圆周布置，面积为管壁开孔部分总面积的5%～10%，最好采用8%～15%。

根据以上原则，确定本工程渗渠管道进水孔沿上部1/2圆梅花状布置，孔径30mm，孔净距75mm，开孔率采用12%，孔眼为内大外小的楔形。

（3）人工滤层设计。人工滤层按河滩下集取地下水和潜流水进行设计。滤层的层数和厚度根据含水层颗粒分析资料进行选择，一般采用3～4层，常用为3层总厚度以800mm左右为宜，每层厚200～300mm，上厚下薄，上细下粗。

本工程人工滤层沿渗渠集水管外周布设，纵向包裹整个渗渠，渗渠两侧反滤料的填筑坡度均为1：1，梯形填筑。反滤体共分三层，顺水流渗透方向，三层反滤依次为砾石、小卵石和卵石，每层厚分别0.5m粒径分别为7～20mm、20～60mm、60～150mm。

（4）渗渠管道强度计算。渗渠采用埋地预制混凝土圆管，由混凝土整体基础支承，支承角采用135°，由受力条件计算渗渠管道的最大弯矩，并按下式计算相应的管顶集中线荷载：endprint

式中：MB=12.86kN·m/m，r0为管环的计算半径，计算得p=61.28kN/m。

根据《混凝土和钢筋混凝土排水管》（GB/T 11836-2009），选取公称内径为1200mm，有效长度为1m，开槽施工的Ⅱ级钢筋混凝土管。

4 抽水试验

为验证渗渠的集水能力，在渗渠取水泵站及检查井内布设水泵，进行抽水测试试验。时间选择在当年3月中旬枯水季节。为了确保数据的真实性，经过多次反复抽水试验，渗渠出水量为20040m?/d，动水位基本保持在高程714.2m，达到了动态平衡。

5 结语

如何正确地选用地下水取水构筑物的类型，对提高出水量、改善水质和降低工程造价有着很大的影响。本文论述的引水工程根据水文地质条件、引水规模、地形条件等综合因素选取了渗渠取水方式，经过施工建设、抽水试验验证，基本满足了设计取水要求，达到了理想的效果。

根据本工程的设计、施工经验，渗渠设计时应注意以下事项：

（1）渗渠出水量受季节变化影响较大，为了获得预计的水量，应正确地选择渗渠位置，正确地使用水量评价计算成果。同时，应充分考虑枯水期的最小出水量，并充分估计运行期内滤料淤塞而可能引起的产水量逐年减少的因素。

（2）出水量计算时，渗透系数和影响半径的选取至关重要，保险起见，应根据水文地质报告中所推荐的平均值或偏低值选用。

（3）渗渠投入运行后，出水正常与否和使用年限的长短，跟人工滤层的颗粒级配和施工质量有關。施工过程中，应严格按设计的颗粒级配分层铺设，回填管沟时应采用开挖的原土。施工临时围堰应拆除干净，防止河床改变水流方向。

参考文献：

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[2]GB 50332-2002，给水排水工程管道结构设计规范[S].

[3]GB/T11836-2009，混凝土和钢筋混凝土排水管[S].

[4]给水排水工程结构设计手册（第二版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2017.

[5]给水排水设计手册（第3册，城镇给水，第二版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.

[6]全达人.地下水利用[M].北京：中国水利水电出版社，1996.

作者简介：韩李明（1984-），男，河北涉县人，工程师，主要从事水利水电工程设计工作。endprint