谈避暑山庄引水工程

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

Abstract: through the summer home of water diversion project, introduced the engineering set water infiltration capacity calculation and set water pipes, the filter layer, such as design, in order to achieve the underground diving to the effective utilization of resources.

Keywords: water diversion project permeability canal set conduit inverted filter layer diving resources

中图分类号：S611 文献标识码：A文章编号：

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：

河床覆盖层较厚、颗粒较粗，河床较稳定的河段；

水力条件良好，冲刷较小，河床过水断面相对较窄；

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

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。