新疆某渗滤取水工程反滤层设计要点分析

雪力卡提·阿里木

(新疆苏齐农业节水规划设计研究院(有限公司)，新疆 乌鲁木齐 830049)

新疆自治区是典型的内陆干旱型气候，水资源缺乏且分布不均，加上农业灌溉所需水资源量巨大，导致近几年新疆自治区水资源缺口越来越大。据统计：到2030年全疆用水缺口将达到7.3亿m3，届时会严重阻碍当地经济社会发展。新疆地区有多条山溪性河流，很多河流河床冲积层厚度小、颗粒粗，且蕴含潜水流，是理想的渗滤取水场地。人工反滤层对防止取水系统堵塞，保证其正常运转有着重要作用，因此要做好相关设计工作。

1 工程概况

新疆某渗滤取水工程源头为某水库库区，终点为自来水厂，输水线路总长度约为9.8km，工程管线全部埋设地下，设计取水量为1.0×104m3/d，水源地总面积约为1.5×106m2。本渗滤取水工程主要建筑物包括：1座集水井，3条输水平巷，6个集水硐室，2条渗渠组成(布置示意图如图1所示)。这些建筑物的主要参数见表1。

表1 渗滤取水工程建筑主要参数

图1 渗滤取水工程布置示意图

2 渗滤取水工艺流程分析

2.1 渗滤取水工程结构原理

渗滤取水工程主要由渗滤孔群、反冲系统、水量控制系统、汇水硐室、江底输水巷道和地面泵站组成。通过在集水竖井中抽水，产生水位降深，由于压力传导作用，河水位与竖井位之间产生压力差，在河床底部砂卵石层内形成低压区，诱使河水下渗，穿过滤床表层滤膜、砂卵石层和特制过滤器后进入汇水洞室和井巷[1]。该系统流程图和结构图分别如图2—3所示。

图2 渗滤取水工艺流程图

图3 渗滤取水工程立体结构图

2.2 渗滤取水工程适用条件及特点

(1)适用条件。综合分析，渗滤取水工程适用条件主要包括以下3个：①河流流速v≥0.05m/s；②砂卵石滤床厚度范围在3～30m；③砂卵石层下覆岩层较完整，工程地质情况良好[2]。

(2)主要特点。①水质优：取水区位于江河中心地段，流速较大，水质较岸边好。河水入渗透床泥膜、砂卵石层将产生一系列物理、化学和生物净化作用，过滤后水质综合指标一般可达到国家生活用水卫生标准。②水量大：滤床取水面积和表层水头压力是决定取水量的重要因素。渗滤取水系统可通过输水巷道延伸和反向渗滤孔群来增大取水面积和水头压力，取水量较传统傍河地下取水方式有了本质的提高，单井日取水量可达5～10万t[3]。③运行服务期长：取水过程中砂卵石滤床中水流速远小于江河流速，可保持地下潜流水自然平衡渗流状态。在水流冲刷下砂卵石滤床表面沉积细颗粒物被置换，不易形成堵塞，所以正常情况下渗滤水厂服务期可达20a以上。④维护方便：通过地面对井内渗滤孔群产水量的自动控制系统，使竖井中水位快速降至输水巷道以下，便于人和机具设备直接进入井、巷道和硐室，维护、检修较为方便。

3 渗滤取水工程反滤层设计要点分析

本项目渗滤取水工程采用渗渠作为集水管，由于本取水工程主要为居民提供生活用水，因此对水质要求较高，设计在集水管上铺设人工反滤层，其作用有2个：①防止上层土颗粒进入反滤层，引起反滤层堵塞；②使进入反滤层的渗流压力消失，能够通畅排走，维持渗流稳定[4]。

3.1 反滤层不均匀系数的确定

反滤层的不均匀系数(Cu)是指滤料中颗粒粒径的比例关系，是反映颗粒组成的重要指标，计算见式(1)。为验证最佳不均匀系数，在此参照其他工程及试验，共设计了2种反滤层(均分为3层)：①第一层Cu=3.2，第二层Cu=1.8，第三层Cu=1.4；②第一层Cu=2.7，第二层Cu=3.2，第三层Cu=1.8。这2种反滤层的厚度—渗透系数关系曲线如图4—5所示[5]。

(1)

式中，d60—小于该粒径土重占总重的60%；d10—小于该粒径土重占总重的10%。

图4 第一种反滤层厚度—渗透系数关系

图5 第二种反滤层厚度—渗透系数关系

由图4—5可知：①随着反滤层厚度的减少，其渗透系数在增加，但增加幅度急剧减小；②2种反滤层的渗透系数差别巨大，将近100倍，说明第二种反滤层出现了堵塞情况。渗透系数并不是越大越好，因为渗透系数越大，水质质量也会越差。所以综合考虑本项目渗透取水量和取水水质，确定第一种反滤层作为本项目的最终施工方案[6]。

3.2 反滤层结构设计

本项目的人工反滤层主要由砂石层构成，要求其结构同时满足以下几个要求：①上覆土层不会渗透到反滤层中；②人工反滤层每个分层内的颗粒不得发生移动，即主体骨架稳定；③反滤层的砂砾料性能稳定，耐久性好；④砂砾料应为无黏性颗粒，不得发生堵塞[7]。

(1)反滤层控制粒径。反滤层控制粒径dk是指控制上层土体被破坏的粒径值。本项目采用的砂砾料无黏性土反滤层，所以dk按照式(2)计算。本项目通过试验确定了各类土控制粒径细粒区分粒径，详见表2，本项目反滤层粒径级数少(3个)，Cu<5，细粒区分粒径为全体土料[8]。

(2)

表2 各类土控制粒径细粒区分粒径

图6 人工反滤层结构示意图(单位：mm)

(2)结构分层。为确定人工反滤层的最佳厚度，本项目通过试验手段将人工反滤层共设计了3层，从上至下依次为：0.5～1.0mm细砂(250mm)、1～5mm粗砂(200mm)、10～20mm砾石(300mm)，结构如图6所示，3种滤料具体级配曲线如图7所示[9]。

图7 3种滤料具体级配曲线

参照以上级配曲线，在该人工反滤层结构下，其滤土净化和排水减压均满足相关要求，说明人工反滤层结构设计是合理的[10]。

4 结语

渗滤取水工程是对河流潜水流的充分利用，只要不打破地下潜水流平衡，可谓是可持续发展的取水工程。渗滤层对水质、水量均有着直接影响，本项目设置人工反滤层后，水质直接达到了国家生活饮用水标准，水量也达到了设计值。反滤层设计要紧密结合工程上覆土层的颗粒性质，不得直接参照其他工程，可能会造成反滤层堵塞，大大影响取水量。