谈避暑山庄引水工程——集水渗渠的设计

　　摘要：通过避暑山庄引水工程，详细介绍渗渠工程集水能力计算及集水管、反滤层等设计，以达到对地下潜水资源的有效利用。
　　关键词：引水工程，渗渠，集水管，反滤层，潜水资源
　　1前言
　　渗渠工程是用以截取河流渗透水和潜流水的建筑物，平行或垂直布置于河床含水层中，主要由集水构造物及外层反滤料组成，集水构造物多采用当地材料（砖、石）砌筑廊道或者透水的管道构成，周边反滤料增强渗渠集水性并防止集水构造物内淤积。渗渠集水管通过管道输送至用户。本文以承德市避暑山庄引水工程为例，详细介绍了用于截取河流渗透水和潜流水的渗渠工程设计。
　　2工程简介
　　避暑山庄始建于清康熙四十二年（公元1703年），是中国现存最大的古典皇家园林，山庄坐落于武烈河畔，山庄湖区用水由武烈河引入。近些年武烈河水位下降，引入山庄的水量减少，使得山庄部分地段的水环境质量下降，因此，补充山庄水源，保护这块世界文化遗产，已经成为一项紧迫的任务。
　　武烈河为山区河道，丰水期水量较充沛，枯水期水量较小。河床覆盖层主要为卵砾石层，平均厚度为8m。根据水位及地质条件，建议采用渗渠取水经管道输送至避暑山庄内。整个避暑山庄湖区换水按10天换完考虑，新建渗渠引水流量不小于0.4m3/s。
　　3渗渠选址
　　渗渠工程布置的主要原则为：
　　① 河床覆盖层较厚、颗粒较粗，河床较稳定的河段；
　　② 水力条件良好，冲刷较小，河床过水断面相对较窄；
　　③ 布置于靠近河道主流一侧。
　　为节省投资，本工程采用自流引水，以减少工程运行费用。因此取水工程应布置于武烈河山庄进水口上游。山庄进水口与武烈河间高差不大，如果渗渠布置距离较远，管道长度增加；如果渗渠布置较近，水头降低，管道直径增大。根据以上条件，经多次查勘及分析计算比较，将渗渠布置于安远庙大桥上游450m处。
　　4渗渠设计
　　武烈河丰、枯水期水位变化较大，渗渠采用布置于河床覆盖层中的非完整式渗渠，垂直于河流布置。为保证武烈河枯水期渗渠集水量，渗渠下游设截渗墙。
　　4.1渗渠长度计算
　　渗渠设计供水流量0.4m3/s，渗渠采用混凝土花管，直径1.0m。集取河流渗透水的非完整式渗渠计算简图如图1：
　　图1集取河床地下水的非完整式渗渠简图
　　出水量计算公式为：
　　公式4-1
　　公式4-2
　　式中－渗渠出水量（m3/s）。
　　－淤塞系数，根据水深混浊情况确定，河水较清时取＝0.8；河水中等混浊取＝0.6；河水很混浊＝0.3。
　　－渗渠长度（m）。
　　－渗透系数（m/d），根据抽水确定＝150m/d。
　　－河流水面至集水廊道顶的深度（m）。
　　－集水井内水位对集水廊道出口所施水压（m）。当渗渠内为大气压时，H0＝0；一般可采用H0＝0.5～1.0m），取H0＝0。
　　－含水层平均厚度（m），＝8。
　　H－河床至渗渠底的深度（m）。
　　－渗渠管径（m），＝1.0。
　　河道枯水期最低水位与河床齐平，经计算，当渗渠埋深不同时设计渗渠长度见表1。
　　表1渗渠管底埋深、长度关系表
　　管底埋深（m） 2 2.5 3 3.5
　　长度（m） 140 116 101 90
　　
　　图2管底渗渠埋深、长度关系曲线
　　由表1及图2可知，渗渠埋深与渗渠长度成反比关系，渗渠的长度及埋深直接影响工程投资。经分析计算选取渗渠埋深2.5m，渗渠进水管长度为116m。
　　4.2集水管设计
　　4.2.1集水管管径复核
　　集取河床地下水的渗渠内为满管水流，渗渠管道内的不於流速不应小于0.3m/s，本次设计根据经验取设计流速为0.5m/s，管径计算公式如下：
　　公式4-3
　　式中：－渗渠设计流量（m3/s）。
　　－设计流速（m/s）。
　　－集水管直径（m）。
　　经计算，管径为1.0m，设计管径1.0m满足要求。
　　4.2.2集水管纵坡
　　集水管设计纵坡一般不小于2‰，本次设计取为4‰。
　　4.2.3集水管进水孔设计
　　钢筋混凝土管进水孔孔径为20-30mm，孔眼为内大外小的楔形圆孔，呈梅花形布置，开孔范围为集水管上部1/2-2/3圆周。
　　本次设计选取承插式集水管，单节进水管长1.5m，集水管上部2/3圆周开孔，进水孔外侧直径20mm，内侧直径30mm，共布置504个进水孔，进水孔布置如图3。
　　单节集水管进水孔总面积为：=504×3.14×(0.03)2/4=0.356m2。开孔率为η=A/π/D/1.5=0.0756，开孔率为7.56%。根据经验开孔率一般为5-10%，因此设计开孔率7.56%满足要求。为提高渗渠进水能力，集水管承插接口处预留缝隙，以增大进水管开孔率。
　　图3进水孔布置图
　　4.3反滤料设计
　　渗渠埋设于河床砂卵石基础中，反滤层的层数及厚度应根据含水层的筛分试验资料确定，一般采用3~4层，每层厚度为0.2~0.3m。本次设计反滤料为3层，每层厚0.3m。
　　为确定每层反滤料粒径，对含水层砂卵石进行筛分试验，试验结果见下表：
　　表2筛分实验表
　　粒径（mm）
　　试验次数 大于20 20～2 2～0.1 0.1<
　　1 14 23 48 15
　　2 32.5 30.3 21.5 15.5
　　注：表格中数据指小于某粒径的质量百分比。
　　反滤料粒径计算公式如下。
　　与含水层相邻一层的滤料粒径为：
　　d1=7-8di。公式4-4
　　两相邻人工滤层的计算粒径比为：
　　公式4-5
　　式中：d1、d2、d3-各层人工滤料的粒径（mm）；
　　di-含水层的颗粒计算粒径（mm），可根据表3选取。
　　表3含水层颗粒计算粒径选取表
　　含水层类型 含水层di（mm）
　　细砂或粉砂 d40
　　中砂 d30
　　粗砂 d20
　　砾石和卵石 d10-15
　　注：d40、d30、d20、d40-15-分别指小于的颗粒含量的百分比。
　　由表2及表3可知di=d15=0.1mm，带入公式4-4、4-5计算，设计反滤层级配为：第一层为砾石层，粒径为7～20mm；第二层为碎（卵）石层，粒径为20～60mm；第三层为碎（卵）石层，粒径为60～150mm。
　　4.4防冲设计
　　武烈河为山区河道，汛期河水迅猛，为防止渗渠反滤料冲刷破坏，在反滤料顶层设格宾石笼护砌，石笼块石直径按下式计算：
　　（m）公式4-5
　　式中：v-河水流速（m/s），最大流速取4（m/s）；
　　D-块石直径（m）。
　　由上式计算D=0.44m，因此设计格宾石笼块石直径为30-50cm。渗渠断面布置见图4。
　　图4渗渠断面布置图
　　5.结语
　　渗渠的设计、施工及管理应注意以下几点，从而提高渗渠集水能力，延长使用年限：
　　（1）渗渠集水能力主要取决于含水层的给水能力及级配组成，因此前期地勘工作尤为重要。
　　（2）渗渠施工中，周围反滤料施工质量是影响渗渠集水能力主要因素，如反滤料铺设较差，渗渠集水能力下降，同时容易造成反滤料堵塞，较少渗渠使用年限。
　　（3）渗渠应用期间，河道枯、丰水期水位变化容易对渗渠反滤料造成破坏，丰水期水位较高时，应控制集水流量，防止集水流速过大破坏渗渠反滤料，以便延长使用年限。
　　参考文献
　　[1]供水水文地质手册编写组供水水文地质手册（第二册，水文地质计算）[M]，北京：地质出版社1977
　　[2]全达人地下水利用[M]北京：水利水电出版社1996
　　[3]严煦世，范瑾初.给水工程［M］.北京：中国建筑工业出版社，1999

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