李欣欣,王遠(yuǎn)明

(黑龍江大學(xué) a.水利電力學(xué)院;b.寒區(qū)地下水研究所,哈爾濱 150080)

0 引 言

滲渠取水工程對(duì)于含水層淺薄、巖土層透水性差或具有凍層的寒區(qū)山前沖積河谷區(qū)等地[1],以及借助常規(guī)豎井難以汲取充足水量的地區(qū)具有較強(qiáng)的適用性及實(shí)用價(jià)值[2],因此曾有研究機(jī)構(gòu)對(duì)滲渠取水工程進(jìn)行了相關(guān)研究。新疆石河子大學(xué)劉持峰[3-4]、程琨[5]、劉煥芳[6]對(duì)新疆地區(qū)的滲渠取水工程采用模型試驗(yàn)的方式進(jìn)行研究,探求影響滲渠集水量的影響因素以及得出計(jì)算公式;趙順安[7]整理給出了匯流和不同數(shù)量吸水頭的阻力系數(shù)計(jì)算公式,可供類似工程設(shè)計(jì)計(jì)算采用或參考。針對(duì)目前滲渠試驗(yàn)的相關(guān)研究多集中在滲渠產(chǎn)水量的影響因素上,本試驗(yàn)旨在模擬在不同水位條件下傍河型淺薄含水層滲渠的集水量特征,從而分析水位變化對(duì)滲渠集水量的影響,為滲渠取水工程的研究提供參考。

1 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

滲渠取水工程可集取傍河型淺薄含水層中的水和非傍河型淺薄含水層中的水。本試驗(yàn)研究在不同水位條件下傍河型淺薄含水層滲渠集水量的變化特征:在各影響因素相同的條件下,即在含水層特性、水源特征和滲渠自身特征相同的條件下,僅改變水位條件,分析滲渠集水量與水位變化的關(guān)系。

2 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)在1 m長(zhǎng)、0.6 m寬、0.5 m高的長(zhǎng)方體砂槽中進(jìn)行,試驗(yàn)裝置由主件和附件兩部分組成,主件包括3部分分別為:模擬河流補(bǔ)給水源的供水裝置、含水層模擬裝置以及滲渠模擬裝置。其中滲渠設(shè)計(jì)為0.6 m×0.1 m×0.2 m的長(zhǎng)方體槽體,平行于河流鋪設(shè)在砂槽底邊,滲渠開(kāi)孔率為1.5%,孔眼直徑為0.015 m。附件包括用來(lái)模擬河流與含水層的邊界隔砂網(wǎng),以及用來(lái)觀測(cè)水位變化過(guò)程的測(cè)壓管。測(cè)壓管設(shè)置于槽身邊壁的背面和底面,共設(shè)置4列,每列4個(gè)。

本試驗(yàn)由供水裝置處供水,設(shè)有調(diào)節(jié)水位的定水頭裝置,水經(jīng)隔砂網(wǎng)透過(guò)模擬的含水層,匯集到滲渠中,再由滲渠底部的排水孔排出。通過(guò)設(shè)計(jì)的4個(gè)特征水位,均以砂槽底部作為基準(zhǔn)面,水位分別為(40.5 、33 、22 、13 cm),為方便分析試驗(yàn)數(shù)據(jù),將試驗(yàn)次數(shù)與水位進(jìn)行編號(hào),本試驗(yàn)在相同的條件下進(jìn)行了兩組試驗(yàn),第二組試驗(yàn)是用來(lái)校核數(shù)據(jù)的,將第一組試驗(yàn)用A來(lái)代表,第二組試驗(yàn)用B代表,每組試驗(yàn)中40.5 cm水位用A代表,33 cm水位用B代表,23 cm水位用C代表,13 cm水位用D代表。利用這4個(gè)特征水位依次進(jìn)行滲渠集水能力的試驗(yàn),每一個(gè)定水位下都記錄了各個(gè)不同時(shí)間段的供水量、滲渠的排水量及測(cè)壓管的讀數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)前對(duì)模擬含水層介質(zhì)的滲透系數(shù)進(jìn)行測(cè)定,根據(jù)達(dá)西定律,計(jì)算可得試驗(yàn)所用含水介質(zhì)的滲透系數(shù)為9.5 m/d。

試驗(yàn)結(jié)果中包括累計(jì)時(shí)間、時(shí)段內(nèi)排水流量,見(jiàn)表1和表2。表1中序號(hào)1～15為40.5 cm水位處的數(shù)據(jù),16～25為33 cm水位處的數(shù)據(jù),26～42為23 cm水位處的數(shù)據(jù),43～49為13 cm水位處數(shù)據(jù);表2中序號(hào)1～10為40.5 cm水位處的數(shù)據(jù),11～17為33 cm水位處的數(shù)據(jù),18～24為23 cm水位處的數(shù)據(jù),25～30為13 cm水位處的數(shù)據(jù)。第一列測(cè)壓管用“E”表示,第二列測(cè)壓管用“F”表示,第三列測(cè)壓管用“G”表示,第四列測(cè)壓管用“H”表示。

表1 A組滲渠集水量試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table1 Data of seepage channel experiment(A組)

表2 B組滲渠集水量試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table2 Data of seepage channel experiment(B組)

4 結(jié)果討論

兩組試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,為了清晰地描述兩組試驗(yàn)中滲渠流量的變化,將滲渠在一定時(shí)間段內(nèi)的流量繪成曲線圖,如圖1～圖4。橫坐標(biāo)為在這一水位條件下試驗(yàn)開(kāi)始到結(jié)束時(shí)間,用T表示;縱坐標(biāo)為各時(shí)間段內(nèi)滲渠集水量,用Q表示。從4幅曲線圖中可以看出滲渠的集水量隨時(shí)間增加而發(fā)生變化,滲渠流量逐漸趨于穩(wěn)定。將兩組試驗(yàn)中每組的滲渠集水量試驗(yàn)值和計(jì)算值、水力坡度、流速值進(jìn)行整理,見(jiàn)表3。

圖1 Aa和Ba組試驗(yàn)集水量與時(shí)間關(guān)系曲線Fig.1 Curve of relationship between flow and time of Aa and Ba

圖4 Ad和Bd組試驗(yàn)集水量與時(shí)間關(guān)系曲線Fig.4 Curve of relationship between flow and time of Ad and Bd

表3 滲渠相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算表Table3 Parameters of the seepage channel

由表3可見(jiàn),在兩組試驗(yàn)中當(dāng)水位在距砂槽底部40.5 cm高時(shí),即距離滲渠頂端相對(duì)高度20.5 cm,兩組試驗(yàn)滲渠流速最大,分別為2.95 m/d和3.42 m/d;當(dāng)水位在距砂槽底部33 cm高時(shí),即距離滲渠頂端相對(duì)高度為13 cm,滲渠流速分別為1.9 m/d和0.86 m/d;當(dāng)水位在距砂槽底部23 cm高時(shí),即距離滲渠頂端相對(duì)高度為3 cm,滲渠流速分別為0.67 m/d和0.48 m/d;當(dāng)水位在距砂槽底部13 cm高時(shí),此時(shí)滲渠側(cè)面只有一排集水孔集水,滲渠流速分別為0.01 m/d和0.19 m/d;根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,在一定條件下,滲渠流速與供水處水位成正比。

兩組試驗(yàn)的滲渠集水量試驗(yàn)值中Aa和Ba組集水量最大,分別為0.59 m3/d和 0.38 m3/d;Ad和Bd組滲渠集水量最小,分別為0.01 m3/d和0.03 m3/d,滲渠集水量計(jì)算值根據(jù)達(dá)西定律公式進(jìn)行計(jì)算,為便于與滲渠集水量試驗(yàn)值進(jìn)行比較,滲渠試驗(yàn)值與計(jì)算值存在一定誤差,但誤差不大,通過(guò)計(jì)算可知Aa和Ba組集水量也是最大,分別為0.46 m3/d和0.36 m3/d;Ad和Bd組滲渠集水量最小,分別為0.001 m3/d和0.09 m3/d,通過(guò)試驗(yàn)與計(jì)算分析可知在一定條件下,滲渠集水量與水位高度成近似正比關(guān)系。

根據(jù)表3中水位與滲渠流量的計(jì)算值和試驗(yàn)值,將水位與流量做成柱狀圖,見(jiàn)圖5和圖6。其中橫坐標(biāo)表示設(shè)計(jì)的4個(gè)特征水位,用H表示,縱坐標(biāo)為滲渠集水量,用Q表示。

從圖中可已看出在其它條件一定的情況下,同一條滲渠供水裝置處水位越高,滲渠產(chǎn)水量(Q)就越大,即明渠水深決定了滲渠取水的有效水頭,從而影響滲渠的取水量。

將兩組試驗(yàn)中4個(gè)水位的測(cè)壓管的數(shù)據(jù)根據(jù)表1和表2進(jìn)行整理,并做成測(cè)壓管水位變化曲線圖,便于分析地下水滲流的運(yùn)動(dòng)特征,如圖7～圖8,橫坐標(biāo)表示測(cè)壓管的位置用L(cm)表示,第一列測(cè)壓管位置是距離砂槽首18 cm處,縱坐標(biāo)表示供水裝置處水位用H(cm)表示,其中每個(gè)水位處的每組測(cè)壓管的數(shù)據(jù)均取平均值進(jìn)行曲線的繪制,從上到下依次為供水處水位為40.5、33、23 cm 和13 cm 4組測(cè)壓管數(shù)據(jù)繪制的曲線。圖中分別在4個(gè)水位處的浸潤(rùn)線擬合的很好,可見(jiàn)各水位的浸潤(rùn)線從左至右逐漸下降;滲渠供水裝置的最高水位40.5 cm處的水力坡度大于33、23 cm和13 cm水位處的水力坡度,且按照供水裝置處水位由高到低,水力坡度依次減小,其過(guò)水?dāng)嗝嬉搽S著滲渠供水裝置處的水位降低依次減小。

5 結(jié) 論

本試驗(yàn)?zāi)M了在不同水位條件下傍河型淺薄含水層滲渠集水能力,通過(guò)A、B兩組試驗(yàn)結(jié)果的比較,分析水位變化對(duì)滲渠集水量的影響,兩組試驗(yàn)滲渠集水量的計(jì)算值是為了校核集水量的試驗(yàn)值。試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)過(guò)計(jì)算,在第一組試驗(yàn)中供水裝置的水位在40.5 cm時(shí),滲渠集水量試驗(yàn)值為0.59 m3/d,計(jì)算值為0.46 m3/d,均大于供水裝置處水位在33、23 cm和13 cm處的試驗(yàn)值和計(jì)算值,第二組試驗(yàn)中供水裝置的水位在40.5 cm時(shí),滲渠集水量試驗(yàn)值為0.36 m3/d,計(jì)算值為0.36 m3/d,均大于供水裝置處水位在33、23 cm和13 cm處的試驗(yàn)值和計(jì)算值。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得知,滲渠的集水量的大小與供水裝置處水位高低近似成正比,即模擬的河流水位越高則滲渠集水量越大。兩組試驗(yàn)在各個(gè)水位處的浸潤(rùn)線均呈下降趨勢(shì),水力坡度隨供水裝置處水位的降低逐漸減小,說(shuō)明符合滲渠集水量隨供水裝置處水位的降低而逐漸減小的規(guī)律,本試驗(yàn)是切實(shí)可行的。

[1]吳正淮.滲渠取水[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1981.

[2]曹劍峰,遲寶明,王文科,等.專門水文地質(zhì)學(xué):第三版[M].北京:科學(xué)出版社,2006:171.

[3]劉持峰.濾管長(zhǎng)度對(duì)滲渠產(chǎn)水量的影響[J].人民長(zhǎng)江,2008,39(1):30-32.

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[5]程 琨.滲渠取水量影響因素試驗(yàn)研究[D].石河子:石河子大學(xué),2007.

[6]劉煥芳,程 琨,呂宏興.明渠水沙條件對(duì)滲渠產(chǎn)水量影響分析[J].水利水電科技進(jìn)展,2008,28(2):4-7.

[7]趙順安,段杰輝.取水工程取水頭水力特性的試驗(yàn)研究[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展,2003,18(6):698-701.