李欣欣,王远明

(黑龙江大学 a.水利电力学院;b.寒区地下水研究所,哈尔滨 150080)

0 引 言

渗渠取水工程对于含水层浅薄、岩土层透水性差或具有冻层的寒区山前冲积河谷区等地[1],以及借助常规竖井难以汲取充足水量的地区具有较强的适用性及实用价值[2],因此曾有研究机构对渗渠取水工程进行了相关研究。新疆石河子大学刘持峰[3-4]、程琨[5]、刘焕芳[6]对新疆地区的渗渠取水工程采用模型试验的方式进行研究,探求影响渗渠集水量的影响因素以及得出计算公式;赵顺安[7]整理给出了汇流和不同数量吸水头的阻力系数计算公式,可供类似工程设计计算采用或参考。针对目前渗渠试验的相关研究多集中在渗渠产水量的影响因素上,本试验旨在模拟在不同水位条件下傍河型浅薄含水层渗渠的集水量特征,从而分析水位变化对渗渠集水量的影响,为渗渠取水工程的研究提供参考。

1 试验目的

渗渠取水工程可集取傍河型浅薄含水层中的水和非傍河型浅薄含水层中的水。本试验研究在不同水位条件下傍河型浅薄含水层渗渠集水量的变化特征:在各影响因素相同的条件下,即在含水层特性、水源特征和渗渠自身特征相同的条件下,仅改变水位条件,分析渗渠集水量与水位变化的关系。

2 试验装置与试验方法

本试验在1 m长、0.6 m宽、0.5 m高的长方体砂槽中进行,试验装置由主件和附件两部分组成,主件包括3部分分别为:模拟河流补给水源的供水装置、含水层模拟装置以及渗渠模拟装置。其中渗渠设计为0.6 m×0.1 m×0.2 m的长方体槽体,平行于河流铺设在砂槽底边,渗渠开孔率为1.5%,孔眼直径为0.015 m。附件包括用来模拟河流与含水层的边界隔砂网,以及用来观测水位变化过程的测压管。测压管设置于槽身边壁的背面和底面,共设置4列,每列4个。

本试验由供水装置处供水,设有调节水位的定水头装置,水经隔砂网透过模拟的含水层,汇集到渗渠中,再由渗渠底部的排水孔排出。通过设计的4个特征水位,均以砂槽底部作为基准面,水位分别为(40.5 、33 、22 、13 cm),为方便分析试验数据,将试验次数与水位进行编号,本试验在相同的条件下进行了两组试验,第二组试验是用来校核数据的,将第一组试验用A来代表,第二组试验用B代表,每组试验中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。利用这4个特征水位依次进行渗渠集水能力的试验,每一个定水位下都记录了各个不同时间段的供水量、渗渠的排水量及测压管的读数。

3 试验结果

试验前对模拟含水层介质的渗透系数进行测定,根据达西定律,计算可得试验所用含水介质的渗透系数为9.5 m/d。

试验结果中包括累计时间、时段内排水流量,见表1和表2。表1中序号1～15为40.5 cm水位处的数据,16～25为33 cm水位处的数据,26～42为23 cm水位处的数据,43～49为13 cm水位处数据;表2中序号1～10为40.5 cm水位处的数据,11～17为33 cm水位处的数据,18～24为23 cm水位处的数据,25～30为13 cm水位处的数据。第一列测压管用“E”表示,第二列测压管用“F”表示,第三列测压管用“G”表示,第四列测压管用“H”表示。

表1 A组渗渠集水量试验数据Table1 Data of seepage channel experiment(A组)

表2 B组渗渠集水量试验数据Table2 Data of seepage channel experiment(B组)

4 结果讨论

两组试验的结果进行对比分析,为了清晰地描述两组试验中渗渠流量的变化,将渗渠在一定时间段内的流量绘成曲线图,如图1～图4。横坐标为在这一水位条件下试验开始到结束时间,用T表示;纵坐标为各时间段内渗渠集水量,用Q表示。从4幅曲线图中可以看出渗渠的集水量随时间增加而发生变化,渗渠流量逐渐趋于稳定。将两组试验中每组的渗渠集水量试验值和计算值、水力坡度、流速值进行整理,见表3。

图1 Aa和Ba组试验集水量与时间关系曲线Fig.1 Curve of relationship between flow and time of Aa and Ba

图4 Ad和Bd组试验集水量与时间关系曲线Fig.4 Curve of relationship between flow and time of Ad and Bd

表3 渗渠相关数据计算表Table3 Parameters of the seepage channel

由表3可见,在两组试验中当水位在距砂槽底部40.5 cm高时,即距离渗渠顶端相对高度20.5 cm,两组试验渗渠流速最大,分别为2.95 m/d和3.42 m/d;当水位在距砂槽底部33 cm高时,即距离渗渠顶端相对高度为13 cm,渗渠流速分别为1.9 m/d和0.86 m/d;当水位在距砂槽底部23 cm高时,即距离渗渠顶端相对高度为3 cm,渗渠流速分别为0.67 m/d和0.48 m/d;当水位在距砂槽底部13 cm高时,此时渗渠侧面只有一排集水孔集水,渗渠流速分别为0.01 m/d和0.19 m/d;根据试验数据分析,在一定条件下,渗渠流速与供水处水位成正比。

两组试验的渗渠集水量试验值中Aa和Ba组集水量最大,分别为0.59 m3/d和 0.38 m3/d;Ad和Bd组渗渠集水量最小,分别为0.01 m3/d和0.03 m3/d,渗渠集水量计算值根据达西定律公式进行计算,为便于与渗渠集水量试验值进行比较,渗渠试验值与计算值存在一定误差,但误差不大,通过计算可知Aa和Ba组集水量也是最大,分别为0.46 m3/d和0.36 m3/d;Ad和Bd组渗渠集水量最小,分别为0.001 m3/d和0.09 m3/d,通过试验与计算分析可知在一定条件下,渗渠集水量与水位高度成近似正比关系。

根据表3中水位与渗渠流量的计算值和试验值,将水位与流量做成柱状图,见图5和图6。其中横坐标表示设计的4个特征水位,用H表示,纵坐标为渗渠集水量,用Q表示。

从图中可已看出在其它条件一定的情况下,同一条渗渠供水装置处水位越高,渗渠产水量(Q)就越大,即明渠水深决定了渗渠取水的有效水头,从而影响渗渠的取水量。

将两组试验中4个水位的测压管的数据根据表1和表2进行整理,并做成测压管水位变化曲线图,便于分析地下水渗流的运动特征,如图7～图8,横坐标表示测压管的位置用L(cm)表示,第一列测压管位置是距离砂槽首18 cm处,纵坐标表示供水装置处水位用H(cm)表示,其中每个水位处的每组测压管的数据均取平均值进行曲线的绘制,从上到下依次为供水处水位为40.5、33、23 cm 和13 cm 4组测压管数据绘制的曲线。图中分别在4个水位处的浸润线拟合的很好,可见各水位的浸润线从左至右逐渐下降;渗渠供水装置的最高水位40.5 cm处的水力坡度大于33、23 cm和13 cm水位处的水力坡度,且按照供水装置处水位由高到低,水力坡度依次减小,其过水断面也随着渗渠供水装置处的水位降低依次减小。

5 结 论

本试验模拟了在不同水位条件下傍河型浅薄含水层渗渠集水能力,通过A、B两组试验结果的比较,分析水位变化对渗渠集水量的影响,两组试验渗渠集水量的计算值是为了校核集水量的试验值。试验结果经过计算,在第一组试验中供水装置的水位在40.5 cm时,渗渠集水量试验值为0.59 m3/d,计算值为0.46 m3/d,均大于供水装置处水位在33、23 cm和13 cm处的试验值和计算值,第二组试验中供水装置的水位在40.5 cm时,渗渠集水量试验值为0.36 m3/d,计算值为0.36 m3/d,均大于供水装置处水位在33、23 cm和13 cm处的试验值和计算值。由试验数据分析得知,渗渠的集水量的大小与供水装置处水位高低近似成正比,即模拟的河流水位越高则渗渠集水量越大。两组试验在各个水位处的浸润线均呈下降趋势,水力坡度随供水装置处水位的降低逐渐减小,说明符合渗渠集水量随供水装置处水位的降低而逐渐减小的规律,本试验是切实可行的。

[1]吴正淮.渗渠取水[M].北京:中国建筑工业出版社,1981.

[2]曹剑峰,迟宝明,王文科,等.专门水文地质学:第三版[M].北京:科学出版社,2006:171.

[3]刘持峰.滤管长度对渗渠产水量的影响[J].人民长江,2008,39(1):30-32.

[4]刘持峰.渗渠取水水力特性试验研究[D].石河子:石河子大学,2008.

[5]程 琨.渗渠取水量影响因素试验研究[D].石河子:石河子大学,2007.

[6]刘焕芳,程 琨,吕宏兴.明渠水沙条件对渗渠产水量影响分析[J].水利水电科技进展,2008,28(2):4-7.

[7]赵顺安,段杰辉.取水工程取水头水力特性的试验研究[J].水动力学研究与进展,2003,18(6):698-701.