渗渠式集水廊道出水量的影响因素分析

渗渠式集水廊道出水量的影响因素分析

0集水廊道出水量的确定渗渠收集结构是利用钢筋混凝土滤渠、钢滤渠或砖、石头形成的过滤通道收集地下水的一种结水结构。收集的地下水通常用于收集土层厚度为4.10m、地下水埋深小于2m的浅地下水。此外，还可以收集地下水并进行水下收集。一般来说，适用于河床地质条件（土官d），采用当地直径较大的石头和卵石，形成一条走廊（以下简称杜克运河）。由于其结构简单、施工成本低、维护管理方便、施工成本少等优点，因此被广泛用于工农业生产和日常生活。集水廊道的出水量一般采用达西定律及连续方程进行计算.在工程设计中,通常的做法是选择一个具有代表性的集水廊道横断面,对影响廊道出水量的主要因素取平均值,计算单位长度集水廊道的出水量,根据总需水量的要求,直接确定集水廊道的总长度;也有一些工程将集水廊道分为若干段,假定各段末端处廊道水深,对影响廊道出水量的其它因素均取平均值,分别计算各段的长度及出水量,再根据总需水量的要求,确定集水廊道的总长度.但是,这种处理方法,对于引水规模比较大、纵断面长度较长的集水廊道而言,则显得比较粗糙,特别当沿集水廊道长度方向的地形、地质条件变化较大时,其计算结果往往与实际情况出入较大.本文结合新疆某农村饮水安全工程,就地下含水层的渗透系数沿程变化、集水廊道的埋深与底坡等因素对集水廊道出水量及长度的影响进行分析、讨论,以期为该类工程设计提供参考.1集水廊道出水量计算新疆某农村饮水安全工程,设计引水流量为9812.4m3/d.水源地为第四系全新统砂卵砾石地基,地形坡降2.7‰～3.0‰,地下水位埋深0.5～1.5m,含水层厚度为9.0～10.0m;对水源地河床段3km范围内进行水文地质勘察,由抽水试验测定渗透系数K值范围为16.5～20.1m/d.设计采用集水廊道形式,同时集取地下水及河床潜水.集水廊道埋置深度(本文中系指廊道底部至河床地面距离)取7.0m,廊道底坡按地面平均坡度取1/350.廊道过水断面采用矩形,高度取1.2m,净宽1.0m.假定地下水位线与河槽地表水面线平行,则该廊道出水量的计算模型和计算横断面见图1.集水廊道的出水量按下式计算:Q=ΚL(Η21-h22B+S1qr1+Η22-h22R+S2qr2)Q=KL(H21−h22B+S1qr1+H22−h22R+S2qr2);(1)R=2S2√ΗΚR=2S2HK−−−−√;(2)式中:Q—集水廊道出水量,m3/d;K—渗透系数,m/d;L—集水廊道长度,m;H1—对应于河床潜水补给廊道方向,集水廊道底部以上含水层的厚度,m;H2—对应于地下水补给廊道方向,集水廊道底部以上含水层的厚度,m;h—横断面处,集水廊道内水深,m;B—集水廊道中心线至水边线的距离,m;R—影响半径,m;S1—河床潜水补给廊道方向的水位差,m,S1=H1-h;S2—地下水补给廊道方向的水位差,m,S2=H2-h;qr1—河流方面相应引用流量;qr2—河滩方面相应引用流量;H—含水层厚度,m;C—集水廊道宽度之半,m;h0—地下水位埋深,m;T—集水廊道底部以下含水层厚度,m;由该工程实测资料,上述各计算参数的选择如表1所示.沿集水廊道纵断面按廊道内水深进行分段,按式(1)、式(2)逐段进行出水量和长度的试算,在满足设计引水流量的条件下,计算所需廊道的长度,见表2.由表2可知,在对该工程的实际情况进行简化,并且忽略地形、地质条件沿程变化的情况下,满足设计引水流量的廊道计算长度为L=754.0m.2廊道出水量的影响因素.在上述计算实例中,没有反映地形、地质条件的沿程变化和工程实际可能出现的若干情况对廊道出水量的影响.以下对几种可能的影响因素进行分析、探讨,希望能为同类工程提供参考.(1)渗透系数的确定在实际工程中,当引水规模较大而导致集水构筑物较长时,若区域内的岩性分布不均匀,则渗透系数的取值将对集水构筑物的出水量计算值产生一定的影响.现根据沿集水廊道纵向地下含水层渗透系数的变化,将廊道的集水区域分为三个计算段,长度分别为L1、L2、L3;对应的渗透系数分别为K1=16.5m/d、K2=18.3m/d、K3=20.1m/d,且(K1+K2+K3)/3=18.3m/d;其他条件均与上述算例相同,计算集水廊道的总出水量(见表3情况②).由表3可知,按渗透系数的不同进行分段计算所得的出水量(表3情况②)与按渗透系数取平均值计算所得的出水量(表3情况①)相比,廊道总出水量受到的影响已超过设计引水流量的5%.因此,当集水廊道较长且沿程的渗透系数发生较大变化时,应当分段取不同渗透系数逐段进行出水量计算,以确定合理的廊道集水量及其长度规模.(2)集水廊道结构回收率计算在同时集取地下水与河床潜水的廊道出水量计算中,设计时一般按最不利工况——枯水季节主河槽最低水位情况考虑(见图1).为便于分析地表河水的位置对集水量计算的影响,可将公式(1)分为两部分,令,δ1=Η21-h22B+S1qr1‚δ2=Η22-h22R+S2qr2δ1=H21−h22B+S1qr1‚δ2=H22−h22R+S2qr2,则公式(1)变为:Q=KL(δ1+δ2)=Q1+Q2(3)其中,Q1=KLδ1为由地表河水产生的河床潜水补给廊道的水量;Q2=KLδ2为地下水补给廊道的水量.现取集水廊道中心线至主河槽水边线的距离B(见图1)分别为130m,100m,80m,60m,40m,20m,其他参数与表1相同,在满足设计引水流量(9812.4m3/d)的前提下,计算所需的廊道长度,结果见表4.从表4的计算成果可知,当集水廊道中心线至主河槽水边线的距离B与地下水补给廊道中的影响半径R值接近时(如本例中影响半径R=123.8～131.4m与B=130～100m时),廊道集取的河床潜水量Q1(由河槽内地表河水产生的河床潜水补给,占廊道集水总量的49.4%～55.9%)与地下水补给量Q2(占廊道集水总量的50.6%～44.1%)相当;当B值较小(如B=60～20m)时,由河床潜水补给廊道的水量Q1较大,约占廊道集水总量的67.7%～85.9%,而地下水补给廊道的水量Q2较小,约占总集水量的32.3%～14.1%;其关系见图2.从图3可知,在满足设计引水流量的条件下,随B值的减小,计算所需集水廊道的长度显著缩短.(3)集水廊道出水量及长度确定集水廊道埋置深度的确定应考虑含水层厚度、设计引水量、工程安全(当集水廊道布置在河床内时,应考虑河床冲刷深度的影响)等因素.现假设B=50.0m,渗透系数取均值K=18.3m/d,分别取廊道埋置深度为4.0m、5.0m、6.0m、7.0m、8.0m、9.0m,计算集水廊道的出水量及其长度,结果见表5.表中,Q1、Q2分别为河床潜水及地下水补给廊道水量.由表5可知,当设计引水流量一定时,集水廊道的埋置深度与其长度L呈反比关系,即集水廊道埋置深度愈深,所需廊道长度愈短,其关系见图4.在同时集取地下水与河床潜水的集水廊道工程中,当廊道埋置深度愈深,由地下水补给廊道的水量所占总集水量的比重愈小,而河床潜水补给廊道的水量占廊道总集水量的比重愈大,其关系见图5.(4)集水廊道底坡对廊道长度和一物一权的影响集水廊道的底坡一般取i>0,为满足集水廊道的设计出水量并考虑廊道的工作安全(当集水廊道布置在河床内时,应考虑河床冲刷深度的影响),集水廊道应保证足够的埋置深度.现结合上述算例,取廊道最小埋置深度为7.0m,设廊道底坡分别为1/250、1/300、1/350(与地面坡降相同)、1/400、1/450时,对满足设计引水流量(9812.4m3/d)所需廊道长度及其工程开挖方量进行计算比较,以分析集水廊道底坡对廊道长度以及工程量的影响,计算结果见表6.为方便集水廊道的布置与施工,集水廊道底坡通常取地面坡降布置.但由表6可知,当集水廊道底坡陡于地面坡降时,所需廊道长度较短,相应工程量也较小.因此,在满足下游引水条件的前提下,可考虑适当调整集水廊道的底坡,使其陡于地面坡降,以减小集水廊道的工程量.3确定集水廊道的长度和渗透系数n的分对于渗渠式集水廊道的出水量计算,应充分考虑工程