球型防渗逆止阀在北疆某大型渠道排水系统中的应用

郝 毅，李晓庆

(1.新疆农业大学，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆水利水电学校，新疆 乌鲁木齐 830013)

0 前 言

北疆大型渠道停水期往往在秋后，昼夜温差大，在运行过程中通过防渗体渗入渠基的水分不仅会造成水量损失，若不能及时排出，反而可能使渠基土处于水饱和状态，极易引起冻胀、盐胀、渗透等多种破坏，对渠道造成极大的安全隐患，产生高额的维修保养费用。设置排水系统是降低渠道渗漏造成破坏的有效措施之一。而利用渠道内与渠基地下水位波动实现单向排水功能的逆止阀组成的排水系统，能够在渠道运行期阻止向渠道基础入渗，在渠道停水期将渠基入渗水体单向排入渠道内，可以有效降低渠基地下水位，降低渠道因渗漏造成的破坏。

1 球型防渗逆止阀结构及原理试验

ND150球型防渗逆止阀主要由阀盖、阀体和防渗胶球三部分组成。阀体直径150 mm，长度265 mm。工作压力：0.25 MPa，开启水头宜为2～5 cm，10 cm水头内达到2 000 mL/s流量。关闭(密封)压力：10～30 mm；泄漏率≤0.01%。温度：-20℃～50℃。逆止阀阀体、阀盖为塑料材质，防渗胶球为橡胶材质。

逆止阀安装完毕后，两侧分别是渠道衬砌内水体和渠道基础地下水水体。逆止阀通过重力、浮力和渠道内外水头差，控制橡胶球的上下移动自动调节，实现单向排水。逆止阀会因渠道基础地下水位和渠道内水位的变化而开启或关闭，分成两种工况，一种是开启状态工况，一种是关闭状态工况。具体结构如图1，密封胶球实线位置为关闭状态，虚线位置为开启状态。

图1 球型防渗逆止阀结构示意图

开启状态：渠道基础地下水水位高于渠道内部水位，密封胶球被顶起，地下水通过阀体流入渠道内，从而降低渠道基础地下水水位。

关闭状态：渠道基础地下水水位低于渠道内部水位，密封胶球将进水口堵住，渠道内的水不可外渗。

2 球型防渗逆止阀工作状况模拟试验

2.1 试验装置

主要由以下六部分组成：①高压水箱；②地下水位模拟池；③逆止阀；④渠道水位模拟池；⑤花墙；⑥直角三角测流堰。系统布置见图2。

图2 逆止阀测试系统布置图

测量仪器：测压管(或压力表)、量筒(或台秤)、秒表等。

2.2 试验方法与量测手段

高压水箱、地下水位模拟池、逆止阀、渠道水位模拟池、花墙、直角三角测流堰依次连接。高压水箱用于为地下水位模拟池提供用水，模拟渠道基础中的地下水，通过供水管与地下水位模拟池连接。地下水位模拟池可实现 60 cm 范围内水位的自由升降，用于模拟地下水位的水头条件，并用测压管读取水位变化数据。地下水位模拟池通过逆止阀与渠道水位模拟池相连。逆止阀须确保密封，连接地下水位模拟池和渠道水位模拟池。渠道水位模拟池亦可实现 60 cm 范围内水位的自由升降，用于模拟渠道水位水头条件，并用测压管读取水位变化数据。出水通过花墙整流后流向直角三角测流堰。直角三角测流堰测量过流流量。公式为：

Q=1.343H2.47

式中，Q为流量，m3/s,H为堰上水头，m。

设备安装好后，测试装置可模拟渠道内水位的变化和地下水位的变化，水头差数值由两个模拟池测压管获得，根据不同水头差测定逆止阀的止水性能、排水性能和排水流量，流量由直角三角测流堰计算得出。

2.3 试验数据

开启状态工况：地下水位模拟池水位高于渠道水位模拟池，当水位差达到10 mm时，逆止阀开启。流量与水头的关系如图3所示。

图3 逆止阀流量与水头关系图

关闭状态工况：地下水位模拟池水位低于渠道水位模拟池，逆止阀锁死关闭，流量为0 mL/s。

2.4 试验结果与分析

试验测定结果：①地下水位模拟池水位低于渠道水位模拟池时，逆止阀立刻关闭，流量为0 ml/s，泄漏率≤0.01%；②地下水位模拟池水位高于渠道水位模拟池，当水位差达到10 mm时，逆止阀开启，开启水头为10 mm；③在开启状态工况下，逆止阀流量随水头差增加而增加，数据分布规律近似线性关系分布。

试验结果的实际应用：在渠道排水系统应用中，逆止阀开启水头的取值应取逆止阀本身所能达到的最小值，使逆止阀可以及时关闭或开启。结合渠道水头分布特点，通过渗流计算分析得出，逆止阀的布置参数，包括规格、排距、间距等。

3 球型防渗逆止阀在渠道排水系统的应用

3.1 渠道概况

北疆某干渠为跨流域调水工程，总长217 km，渠道为弧形底梯形断面，顶宽23m，坡比1:1.75。渠道设计流量55 m3/s，加大流量60 m3/s，该渠道主要破坏形式为冻胀、盐胀和膨胀岩土，究其原因都是渗漏引起，将逆止阀应用到渠道排水系统中，有益于避免渠道渗透造成的破坏，是上佳选择。

3.2 球形防渗逆止阀在干渠排水系统的应用

球形防渗逆止阀在干渠排水系统中沿着轴线，在渠底和渠坡指定位置平行分布。逆止阀沿着渠道底部纵向排水每隔100m布置一个，通过三通管连接底部纵向排水体，同时在渠坡指定位置，沿渠道纵向每隔100 m布置一个，与渠道底部布置的逆止阀纵向间隔50 m，并设横向排水花管插入渠底纵向排水体中，组成逆止排水系统。如图4所示。

图4 逆止阀布置示意图

3.3 球形防渗逆止阀在干渠排水系统的应用效果

在渠道运行时，经观测发现，逆止阀由于阀体两侧压差，可实现自动调节单向排水，与渠道其他排水形式结合，形成逆止排水系统，有效控制基础渗水。渠道一个运行期结束后，在停水期观测，逆止阀由于泥沙淤积运行异常。相对逆止阀使用前，渠道衬砌板断裂明显减少，未发生渠道坡面大面积滑移、渠壁塌陷变形、堤顶纵向裂缝、局部填方段出现严重渗漏甚至管涌等危害。逆止阀的排水能力得到肯定。

4 结 论

渠道是北疆地域主要的输水形式。由逆止阀组成的排水系统在北疆地域渠道运行维护中具有极大的应用价值。将逆止阀应用到渠道的排水系统中，根据渠道运行水位变化自动调节工作状态，阻止水体向外渗漏，提高渠道衬砌抗浮稳定，有效排除基础中入渗的水体，明显改善了因渠道渗漏造成的破坏，大幅降低了渠道维护保养费用。然而，逆止阀在具体应用过程中也存在耐久性和抗淤堵性不够的问题，影响其在工程中正常发挥作用，待进一步研究改进。

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