渗渠集水工程渗渠结构及反滤层设计分析

袁合龙，苗 磊

(临沂市水利工程处，山东 临沂 276000)

0 引 言

目前，我国北方有超过80%的城市都存在水资源短缺问题，尤其是华北地区，地下水累计超采达到1 800×108m3。山东省紧邻华北地区，水资源紧缺问题也很突出，在地下水超采严重、地表水水质较差的背景下，选择一种两者兼顾的采水措施成为很多学者研究的焦点。渗渠集水技术是目前“傍水城市”重要的水资源攫取途径，既不会对地下水造成过大影响，也可大大降低水质净化成本。

1 工程概况

临沂市位于山东省东南部，辖区内水系发达，10 km以上河流超过300条，主要包括沂河、沭河、中运河、滨海四大水系，区域划分属淮河流域。随着工业化和城镇化规模的不断扩大，工业和生活废水排量逐年增加，目前临沂市地表水水质较差，净化成本较高，将造成生活用水价格升高。因此在2017年4月，相关部门决定在临沂市区附近设计建设一处水库直供水源工程，为降低净水成本，采用渗渠集水技术，预计供水能力可达8.2×104m3/d，有效缓解城区用水紧张问题。

2 渗渠结构参数设计分析

渗渠的基本结构是将带孔眼的管道埋设在水源附近，利用水的渗流及重力作用将其收集，可以利用地层来过滤一些大粒径杂质及重金属离子，渗渠集取的水一般经过简单消毒处理就可满足生活饮用水的水质要求[1]。

2.1 渗渠布置形式设计

渗渠布置形式由水文地质条件、补给来源、水质条件、供水量等因素决定，根据布置位置不同可分为3类：平行于水源、垂直于水源、平行与垂直组合[2]。

2.1.1 平行于水源布置渗渠

当含水层厚度较小，但是河床潜流水、地下水较为充沛时，可将渗渠平行于河流布置，见图1。该布置方式每个时段的供水量不会有太大变化，有利于供水持久性和稳定性，且渗渠施工、检修均简单，综合建造成本较低，因此在有条件的地区推荐该布置方式。

图1 平行于水源布置渗渠示意图

2.1.2 垂直于水源布置渗渠

当河床潜流水、地下水不足，且河床漫滩含水量多且透水性较好时，渗渠可采用垂直于水源布置形式，见图2。该种布置方式在枯水期也能集取一定水源，但受河流水位影响较大，且施工、检修困难，综合成本高[3]。

图2 垂直于水源布置渗渠示意图

2.1.3 平行与垂直组合布置渗渠

当所需集水量较大，单一方式无法满足时，渗渠可采用平行与垂直组合布置形式。该形式综合上述两种方式的优点，且产水量和水质也都能满足要求，因此是目前应用最广泛的布置形式。由于本项目设计供水量较大，因此只能采用这种布置形式，即沿着水库边缘和水库底部各布置一条渗渠。

图3 平行与垂直组合布置渗渠示意图

2.2 渗渠结构形式设计

渗渠工程的主要组成部分包括水平集水管(渠)、集水井、检修井3部分，下面分类对各部分结构形式进行分析[4]。

2.2.1 水平集水管(渠)设计

水平集水管(渠)是核心设施，直接决定集水量和水质，而很多失败工程案例关键问题也是出在这个点，因此对相关设计要求很高。水平集水管主要设计参数包括长度、进水孔，下面分别进行说明。

1) 集水管长度设计。由于本项目集水管采用平行与垂直组合布置形式，因此长度分为两部分。集水管长度主要由集水量Q决定，计算公式见式(1)[5]：

(1)

式中：K为反滤层渗透系数，60 m/d；L1/L2为平行/垂直布置的集水管长度，m；l为集水管至水库水边线距离，2.0 m；R为影响半径，5.0 m；H1为库边地下水位距含水层底板高度，4.0 m；H2为河水位距含水层底板高度，6.0 m；h0为集水管水位距含水层底板高度，3.8 m。

经计算得：L1=235 m，L2=525 m。

2) 进水孔设计。渗渠材质一般有混凝土管、铸铁管、钢管等种类，其中钢管重量最小，且粗糙度最小，施工质量容易控制，因此本项目选取厚12 mm钢管作为最终渗渠形式。设计钢管内径1.0 m，进水孔总面积S直接影响集水量Q(m3/s)，估算公式见式(2)，算得S=57 m2。

(2)

式中：v为进水孔允许流速，0.02 m/s。

进水孔设计为条形孔，每孔面积15 cm2，共需要开38 000个，呈条形孔梅花型布置在管道上(图4)，具体分布角度见图5，其中迎水面进水孔分布角度57°，背水面分布角度43°[6]。

图4 钢管进水孔布置示意图(单位：mm)

图5 进水孔分布位置及角度示意图

2.2.2 集水井和检查井设计

在渗渠集水工程中，集水井的直径和深度由集水管(渠)参数决定，一般要求集水井直接为集水管(渠)直径1.5～2.0倍，且不得小于1.5 m。本文设计集水井直径为2.0 m，井底低于集水管管底0.5 m，井身采用混凝土浇筑。

检修井主要用于对渗渠进行清理和修补，本项目设计在集水管直线(每隔60 m)、端部、拐角处均设置检修井，直径1.2 m，材质为混凝土浇筑。

3 反滤层设计分析

反滤层是渗渠集水技术的又一核心工程，其分层铺设于集水管(渠)之上，起到滤土、透水作用。渗渠集水工程中,对反滤层要求有以下3点：①反滤层铺设在集水管外部，粒径由外向内逐渐增大；②任一层颗粒决不允许穿过相邻较粗一层孔隙，同一层颗粒也不能产生相对移动；③各层粒料要求有很好的耐久性、抗腐蚀性，性质不发生改变[7]。

3.1 反滤层结构设计

参照其他工程经验，结合本项目要求，反滤层渗透系数K≥60 m/d。结合表1所示系数，设计反滤层结构为3层砾石层，由外向内依次为：粒径5～20 mm砾石层50 cm；粒径20～30 mm砾石层30 cm；粒径30～40 mm砾石层20 cm，结构图见图6。

表1 反滤层渗透系数参照系数(部分)

图6 反滤层结构设计示意图

3.2 渗渠工程反滤层反冲洗装置设计

经过总结各工程经验可知，随着渗渠集水系统使用时间的增长，集水效果必然越来越弱，本质原因是反滤层被水中泥沙等杂质慢慢堵塞，其中位于最外部的砾石层为主要堵塞层。解决该问题的根本方法首先是设计反冲洗装置，其次是加强上游排污管理。

本项目设计反冲洗装置以检修井为分界点，将整个渗渠系统分成若干段，两端密封牢固，在冲洗时向集水管灌水，具体要求有以下几点：①反冲洗水头范围要求大于10 m且小于15 m；②反冲洗时间不低于30 min，要求滤层膨胀率达到10%～15%；③本项目规定每隔3年清洗一次，不够该时间的以实际供水量不低于设计值的80%为标准。

4 结 语

渗渠集水技术虽然原理简单，但对设计及施工要求较高，而且工程相关设计参数受当地地质水文条件影响较大，因此在应用时必须详细调查基本资料后再进行设计论证。临沂市该渗渠集水工程投入使用两年以来，日供水量平均达到8.41×104m3，完全达到设计标准，冬季日供水量可达设计值的83%左右。渗渠集取的水源相对于地表水，净化成本可降低50%以上，经济效益显著。