摘 要： 截潜流集水坝为地下蓄水工程,不影响河道行洪,成功应用于地表水稀少或是地表水下潜的河流收集地表水。文章介绍了截潜流集水坝在积石山吹麻滩河城区段河道综合治理中的应用,阐述了喇叭型截潜流集水坝的布置、结构形式以及收集水量分析,比较分析其优缺点。
关键词： 积石山县; 截潜流; 集水坝;
截潜流工程是一种主要的浅层地下水的拦、蓄水工程,作为挡水建筑物的截潜流集水坝是该工程最重要的组成部分。数十年来,截潜流集水坝被大量应用于农村的人蓄用水和灌溉引水中。作为新的尝试,喇叭型截潜流集水坝被应用于甘肃省临夏回族自治州积石山县的河道治理工程中。通过在上游修建带有防渗底板的喇叭型截潜流集水坝,拦截部分浅层地下水径流,通过引水管道将水输送至下游治理河段,改变了县城河段常年无地表水和河滩严重裸露的局面,极大地改善了县城的水生态环境。
1、 工程概况
积石山保安族、东乡族、撒拉族自治县(简称“积石山县”)是甘肃省唯一的多民族自治县,位于甘肃省中部,属黄土高原西部边缘。吹麻滩河流域的河谷平川地带是积石山县境内的黄金地段之一。
吹麻滩河系黄河上游一级支流,水系结构呈扇形,总流域面积158km2,多年平均年径流量2066万m3,河道全长158km,积石山县城以上的流域面积90km2。吹麻滩河的现代河床及漫滩宽22～188m,该河常年不断流,两岸发育Ⅰ级阶地高出河床2.5～3.5m。河漫滩和阶地覆盖层透水性较强,排泄条件较好,地下水水位较低,一般与河水位持平或略高于河水位。近年来,由于吹麻滩河积石山县城区段河道内无序采砂、采石以及堤防建设选料等原因,河床被严重扰动破坏,并局部降低了原河道的地表水径流深度,造成地表水下潜。2017年4月的地质钻探结果表明,河床表面局部存在架空结构,水流基本在河床下2.9～3.5m渗行。吹麻滩河积石山县城区段河床常年基本无地表水而处于干涸状态,河滩裸露,杂草丛生,如图1所示。
图1 治理前的吹麻滩河积石山县城区段状况
为改善县城水生态环境,积石山县启动了“吹麻滩河城区段河道治理一期工程”;该工程由上游的1座水源工程截潜流集水坝,下游的9座水力自控液控翻板闸坝组成。该工程通过在吹麻滩河积石山县城段的上游未经扰动破坏且有少量地表水处修建1座水源工程截潜流集水坝,汇集、拦蓄并通过管道引水至城区的9座水力自控液控翻板闸坝的库区中,以恢复县城河道水生态功能。
2、补水收集方式
2.1、 补水运行时段
由于本工程区处于寒冷地区,冬季河道结冰但冰层不厚,考虑冬季河边活动的群众较少,同时为了节省运行成本,本工程为季节性蓄水运行。每年蓄水运行时间为4—10月,11月—次年3月不蓄水运行。
图2 集水坝平面布置(单位:mm)
因此,确定本水源工程向下游补水的运行时段为4—10月。
2.2、 吹麻滩河水源工程坝址地表水调查
2017年2—4月,对工程地吹麻滩河段水源坝工程以上河段进行的地表水调查表明,水源工程集水坝坝址附近河段近10a来未断流,长期有少量地表水,最枯时期的地表水流量约0.014m3/s。地下水类型主要为第四系覆盖层中的孔隙潜水,受大气降水、河水、融雪补给,水量较丰富,一般与河水面持平或略高于河水位。因此,为保证下游主城区河段9座水力自控液控翻板闸坝的库区有充足水量,本截潜流集水坝同时收集地表水及地下潜流。
3、 水源坝坝型选择
3.1 、非完整式喇叭型截潜流集水坝方案
非完整式喇叭型截潜流集水坝主要由截水墙、迎水面面板、两侧面板及底板组成,类似喇叭型。底板埋置于河床表面以下3.0m,处于河床砂卵砾石层内,截水墙未穿越含水层,因而为非完整式截潜流。
两侧面板和底板,3面为防渗面板,可以有效拦截上游地表来水和部分地下水,且不增加地表水面面积,减少了水量蒸发损失,不影响河道行洪。
喇叭型集水坝底部、两侧及下游边坡均为C20钢筋砼面板(F150)厚300mm,底部敷设FN2/PE- 14- 800- 0.5复合土工膜。垂直向上口宽度27.31m,底部宽12m;顺水流向上部长25m,底部长15m。坝体上部回填级配良好砂卵砾石、反滤层、格宾笼护垫,地表水经反滤体与钢丝滤网渗入集水廊道进入集水井,由引水系统将引入下游库区。如图2—3所示。
3.1.1、 收集地下水水量计算
分别采用达西公式、集水廊道渗渠非完整式计算公式等进行计算。
达西公式:
Q=kwJ (1)
式中,k—土的渗流系数,根据地勘测定平均渗流系数k=55.3m/d;w—渗流过水断面面积,包括土粒和孔隙所占面积,w=h×b,h、b—截取地下渗流水的高度、宽度,取h=6.35m、b=25.4m;J—渗流坡降,取渗流水头H=25.96m,沿流程长度l=900m,坡降J=25.96/900=0.0288。
经分析计算,得出截取地下渗流水量为256.88m3/d。
集水廊道渗渠非完整式计算公式:
图3 集水坝纵剖面
Q=2LK[H21?h22R+Sqr](2)
式中,L—渗渠长度,取L=8.1m;K—渗透系数,漂卵石层K=55.3m/d;H1—渗渠底至静水位的距离,取H1=3.0m;h—动水位至渗渠底的距离,取h=0.25m;R—影响半径,漂卵石层取中粒土R=250m;S—水位降落,m;qr—根据α及β值相关曲线图查得。
α2=RR+C(3)
β=RT(4)
当β>3时,qr按下式计算:
qr=q'r(β?3)q'r+1(5)
式中,q'r从相关曲线图查得。
a0=TT+13C(6)
式中,T—渗渠底至含水层底板的距离,取岩层至底板T=17m;C—渗渠宽度之半,C=0.75m。
经分析计算,a0=0.986,查相关曲线图得出q′r=0.2125,β=14.71,从而qr=0.061,截取地下渗流水量Q=166.3m3/d。
集水廊道渗渠非完整式计算公式适用于集取地下水为主的渗渠,根据类似工程的经验,集水坝投产后,过水断面宽度沿地下水流向逐渐缩小,地下水流态呈收缩流。集水坝前的渗渠的单宽流量以靠近渗渠为大,呈非均匀流运动。但该计算公式在推导时是假定渗渠各断面的流量为常数,这同渗渠实际地下水流动状态不相符,所以理论值往往小于实际值。本集水坝主要拦截地表水及部分地下水,并采用防渗固化底板以形成喇叭形集水区域,可以有效收集坝前河床地表水,采用达西公式计算结果较符合本工程实际。因此,采用达西公式计算成果,非完整式喇叭型截潜流集水坝截取地下渗流水量为256.88m3/d。
3.1.2、 截取地表水计算
根据本工程运行方式,向下游补水运行时段为4—10月,其中4月为多年平均地表水径流量最小的月份(0.38m3/s),而且是工程年运行的初期,故仅计算该月份的地表水量对工程运行的影响。经分析,4月日平均径流量32832m3/d,则非完整式喇叭型截潜流集水坝收集地表径流及部分地下渗流总量为33089m3/d,工程初蓄水天数为2.69d(库容8.9万m3)。
3.2 、拦河坝方案
本方案拟修建堰高1.2m的低拦水堰,采用防渗帷幕穿透含水层伸入相对隔水层实现全断面截流,属于完整式截潜流。将坝前地下水全部拦截以及地表水拦蓄在坝前河道内,形成库区,继而向下游输水。拦河坝立面图如图4所示。
根据地质资料揭示,坝址断面河床含漂砂卵砾石层厚度22m,初拟将防渗帷幕伸入至新鲜粉砂泥岩层。即防渗帷幕深度为23.5m、含两坝肩的坝轴线方向长83.5m。
3.2.1、 截取地下水水量计算
截留的渗流流量(Q)采用式(1)计算,取h=23.5m、b=83.5m,其他变量含义和取值同前。经分析计算,坝址断面截取地下渗流水量为3125.16m3/d(占4月地表径流量的1/10)。
3.2.2、 截取地表水计算
计算同上,4月日平均径流量32832m3/d。收集地表径流及地下渗流总量为35957m3/d,工程初蓄水天数为2.47d(库容8.9万m3)。
4、 集水坝方案比较
集水坝方案对比分析见表1。
图4 拦河坝立面图
表1 水源地集水方案对比
综合比较:①工程蓄水运行期为4—10月,该时段水源处河道地表水较为稳定,2种坝型均可满足工程蓄水需要;②非完整式喇叭型截潜流集水坝施工难易程度、工程投资、集水可靠性等各方面更优;③由表1可知,拦河坝集取地下渗流量大于非完整式喇叭型截潜流集水坝,但其截取的地下渗流量也仅为其截取的地表水量的1/10,意义不大,集水进水口位置距离不透水层的垂直距离近20m,无法完全保证截渗墙底部渗流水全部利用;④对于本工程运行期来说,地表水尚比较稳定,且河道常年不断流,收集地表水即可满足本工程运行要求;⑤拦河坝方案还可能造成如下危害:地下水水位大幅急速下降以至形成地下水降落漏斗,破坏地下水循环系统,导致地下水生态环境变异,微生物演替加速,岩石圈与生物圈、大气圈的联系被切断,河流、湖泊水量减少,形成干涸等灾害。
因此,本水源坝工程采用非完整式喇叭型截潜流集水坝方案。
5 、结论
非完整式喇叭型截潜流集水坝,不切断河流地下水,其坝体主要结构置于河床面以下,形似喇叭或漏斗,减少了水量蒸发和下渗损失,具有更高的集水效率。汛期时,河水直接从坝顶过流,集水坝不产生壅水,不影响河道行洪。在河道治理实践中,对于尚有少量地表水的河道,采用喇叭型截潜流集水坝是一种有益的尝试。
非完整式喇叭型截潜流集水坝表面滤层易被泥沙淤塞而影响水量的收集,设计中应充分考虑河道泥沙含量和悬移比;同时设计中应考虑对反滤层的保护,避免造成冲刷;集水廊道外应设沉砂池且方便清理,确保廊道功能和减少泥沙进入输沙管道。
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