鬧德海水庫(kù)除險(xiǎn)加固期供水探析

岳家庚，李娜偉

（遼寧省鬧得海水庫(kù)管理局，遼寧阜新 123000）

1 水庫(kù)工程概況

鬧德海水庫(kù)位干柳河上游，遼寧省彰武縣滿堂紅鄉(xiāng)，始建于1938年，于1942年建成。其間經(jīng)過(guò)1965年加固，1970年改建以及1991年至1994年的消險(xiǎn)加固工程。原設(shè)計(jì)為防洪滯沙水庫(kù)，目前已經(jīng)成為具有防洪滯沙、城市工業(yè)與生活供水、農(nóng)田灌溉等綜合作用的大（Ⅱ）型水庫(kù)，是柳河上唯一已建大型控制性工程。

鬧德海水庫(kù)為河道型水庫(kù)，柳河為多泥沙河流，施工期間河道來(lái)水濁度均大于500 NTU，無(wú)法滿足自來(lái)水處理廠要求的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院提供的2008年大壩除險(xiǎn)加固施工期壩前滲管取水供水方案，從壩前修筑的施工圍堰里取水，供給阜新市用水，為水庫(kù)除險(xiǎn)加固期間滿足阜新市工農(nóng)業(yè)用水需要提供技術(shù)支持。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)鬧德海水庫(kù)流域的自然地理環(huán)境，以及除險(xiǎn)加固工程的計(jì)劃安排，針對(duì)施工期間供水存在的問(wèn)題，開(kāi)展有針對(duì)性的試驗(yàn)研究：

1）土工濾布的性能試驗(yàn)：采用土工布代替天然的砂礫石反濾層，選取不同規(guī)格的土工濾布進(jìn)行土工濾布的性能試驗(yàn)。經(jīng)檢測(cè)，200～500 g/m2短纖針刺非織造土工布性能指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)。

2）土工濾布室內(nèi)濾水效果試驗(yàn)：選取不同規(guī)格的濾布進(jìn)行室內(nèi)濾水試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定室外原型試驗(yàn)方案。

3）室外模擬原型試驗(yàn)：模擬施工期滲流取水方案，進(jìn)行室外原型觀測(cè)試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)過(guò)濾前后的濁度、流量進(jìn)行對(duì)比分析，尋找合理、可行的取水方案。

3 野外模擬原型試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)場(chǎng)布置

鬧德海水庫(kù)庫(kù)區(qū)水量及泥沙主要受扣河子和養(yǎng)畜牧河二條支流影響。石門(mén)子水文站位于扣河上，距鬧德海水庫(kù)20 km左右，三家子水文站位于養(yǎng)畜牧河上，距鬧德海水庫(kù)15 km?？酆蝇F(xiàn)有流量1.0 m3/s左右，養(yǎng)畜牧河現(xiàn)有流量1.6 m3/s左右?？酆訉偌竟?jié)性河流，汛期過(guò)后基本斷流，養(yǎng)畜牧河除汛期河水流量較大外，平時(shí)流量基本能達(dá)到1.0 m3/s。試驗(yàn)場(chǎng)地的試驗(yàn)條件不能完全反映明年鬧德海水庫(kù)施工期壩前滲管取水時(shí)的實(shí)際條件，水頭、流量、泥沙含量均不一樣。此次試驗(yàn)地點(diǎn)只能根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行篩選，經(jīng)過(guò)多方案比較后選在養(yǎng)畜牧河上的三家子水文站附近進(jìn)行試驗(yàn)。

三家子水文站位于內(nèi)蒙古自治區(qū)庫(kù)倫旗境內(nèi)，是遼寧省僅有的兩個(gè)跨省水文站之一，測(cè)驗(yàn)河段順直長(zhǎng)度約650 m，枯水形成分流，水流左右擺動(dòng)不定，洪水時(shí)流心居中，比降大，水流急，最大水面寬為90 m。兩側(cè)為沙土陡岸，洪水時(shí)有嚴(yán)重塌岸現(xiàn)象，河床為細(xì)沙，洪水時(shí)漲沖落淤，沖淤變化劇烈?；舅邤嗝嫔嫌?7 m處有小堰堤一座。利用該堰堤水流匯集并加固后進(jìn)行濾水試驗(yàn)。

3.2 圍堰設(shè)計(jì)及施工

3.2.1 圍堰設(shè)計(jì)

圍堰設(shè)計(jì)采用編織袋裝砂土壘砌，為控制河道來(lái)水的水量，預(yù)留10 m寬的溢流出口，溢流出口兩側(cè)及底部采用400 g/m2復(fù)合土工膜和200 g/m2的土工布進(jìn)行包裹以防止沖刷，圍堰設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖1所示。預(yù)埋6根φ300 mm的鐵管以便和壩前的濾水管連接，鐵管間距1 m。圍堰頂高程超出鐵管頂部60 cm左右。

3.2.2 圍堰施工

根據(jù)三家子水文站提供的資料，試驗(yàn)場(chǎng)上游的攔砂堰堰頂高程為211.0 m。經(jīng)過(guò)測(cè)量，把高程引到試驗(yàn)場(chǎng)地附近做好標(biāo)記，并用本樁作為基點(diǎn)（207.335 m）。測(cè)量溢流堰攔河壩的軸線高程。

近期水文數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)河道流量基本在1.3～3.0 m3/s，已基本保持平穩(wěn)水量，在沒(méi)有新的降雨情況下，這個(gè)時(shí)期應(yīng)該不會(huì)有較大的波動(dòng)。自2007年9月15日開(kāi)始修筑圍堰，9月20日完成圍堰工程施工，歷時(shí)6 d，動(dòng)用84人工工日，編織袋5200條，鐵線30 kg，本樁10根，φ200鋼管20根。

圖1 圍堰設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

圍堰施工完成后即開(kāi)始安裝塑料濾水管進(jìn)行取水試驗(yàn)。

3.3 試驗(yàn)過(guò)程及表征

2007年9月21日開(kāi)始進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)濾水試驗(yàn)。濾水管平面布置示意圖如圖2所示。

圖2 濾水管平面布置示意圖

5號(hào)過(guò)濾管：長(zhǎng)度10 m，外包土工布規(guī)格500 g/m2的土工布；2號(hào)過(guò)濾管：長(zhǎng)度10 m，外包土工布規(guī)格300 g/m2的土工布；3號(hào)過(guò)濾管：長(zhǎng)度10 m，外包土工布規(guī)格500 g/m2的滌綸濾布。塑料濾水管外包土工布采用縫包機(jī)封扎，兩根濾水管連接采用同規(guī)格的外包濾布進(jìn)行包裹并用細(xì)鐵線捆扎好。

圍堰修筑完成后，將兩根5 m長(zhǎng)的塑料濾水管在地面上連接好，一起放入水中，同已鋪設(shè)好的鋼管在水中進(jìn)行對(duì)接，同時(shí)用土工布包裹好連接部位以免漏水影響試驗(yàn)結(jié)果。在安裝濾水管進(jìn)行濾水試驗(yàn)中出現(xiàn)如下表征：

1）試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)塑料濾水管全部都能淹沒(méi)在水中，但經(jīng)過(guò)25～40 min濾水后，塑料濾水管又全部漂浮于水面。分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是泥沙顆粒比較細(xì)，土工布的特征孔徑一般在0.07～0.2 mm之間，室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得的土工布特征孔徑大約為0.11 mm，而柳河河水中的泥沙含量比較細(xì)，2005和2006年兩年泥沙顆粒分析結(jié)果表明，小于0.062 mm的顆粒占80%左右，細(xì)小的顆粒極易穿透土工布，由于土工布為無(wú)紡短纖，細(xì)小的泥沙顆粒非常容易聚集在土工布里面，隨著滲流時(shí)間延長(zhǎng)，細(xì)顆粒越聚越多最后產(chǎn)生淤堵。塑料濾水管內(nèi)部的水通過(guò)與其相連接的鋼管排出去，而沉沒(méi)在水中的塑料濾水管由于土工布已被淤堵，在土工布的表面形成一層泥餅，河里的水無(wú)法再通過(guò)濾布進(jìn)入到塑料濾水管中。由于浮力的作用導(dǎo)致塑料濾水管產(chǎn)生漂浮現(xiàn)象。當(dāng)塑料濾水管出現(xiàn)漂浮現(xiàn)象后，采取壓土袋當(dāng)作配重將濾水管沉于水中繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。

2）45 min后3種不同規(guī)格的土工布或?yàn)V布表面都有非常明顯的淤泥層，形成一層泥餅。隨著試驗(yàn)時(shí)間的加長(zhǎng)，泥餅的厚度也在不斷地增加。24 h后在5號(hào)過(guò)濾管（外包土工布規(guī)格500 g/m2的土工布）、2號(hào)過(guò)濾管（外包土工布規(guī)格300 g/m2的土工布）和3號(hào)過(guò)濾管（外包濾布規(guī)格500 g/m2的滌綸濾布）的表面形成的泥餅厚度在3～5 mm之間。試驗(yàn)時(shí)5號(hào)塑料濾水管濾水時(shí)的流量和濁度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，濾布淤泥層厚度觀測(cè)記錄見(jiàn)表2。

表1 5號(hào)過(guò)濾管（外包土工布規(guī)格500 g/m2）流量、濁度記錄表

表2 濾布淤泥層厚度觀測(cè)記錄表

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

土工織物過(guò)濾是一個(gè)很復(fù)雜的發(fā)展過(guò)程，水流的水力坡降和方向等因素都對(duì)土工織物的過(guò)濾特性有影響。現(xiàn)場(chǎng)流量、濁度測(cè)試結(jié)果表明：隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加，濾水水質(zhì)效果也將增加，濁度變化非常明顯；但濾水流量隨著時(shí)間增加逐步減小，濾水水質(zhì)效果與濾水流量成反比例關(guān)系。隨著時(shí)間的增加，過(guò)濾體的滲透系數(shù)有所下降是一種較為普遍的現(xiàn)象，關(guān)鍵在于能否穩(wěn)定下來(lái)，滲透系數(shù)能否滿足工程滲水量的要求。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，各種土工布濾層滲透系數(shù)隨時(shí)間而持續(xù)下降，由于曲線沒(méi)有穩(wěn)定的趨勢(shì)，可以判斷最終將出現(xiàn)淤堵現(xiàn)象，當(dāng)濾水流量減小到原流量的10%以下時(shí)淤堵現(xiàn)象非常明顯。土工濾布單位面積質(zhì)量越大，過(guò)濾效果越好，但淤堵現(xiàn)象越嚴(yán)重。

產(chǎn)生淤堵機(jī)理的原因：土工織物中孔道被堵塞，過(guò)水面積減小，滲透性能下降的現(xiàn)象稱淤堵。此次原型觀測(cè)試驗(yàn)形成淤堵的原因均為機(jī)械淤堵。機(jī)械淤堵是土體中的細(xì)顆粒隨水流進(jìn)入土工織物空隙中，并停留在其中，隨時(shí)間增長(zhǎng)，停留的細(xì)顆粒愈來(lái)愈多，織物的透水性愈來(lái)愈小。

根據(jù)三家子水文站2005年和2006年鬧德海水庫(kù)上游泥沙入庫(kù)懸移質(zhì)顆粒分析結(jié)果，懸移質(zhì)顆粒特征粒徑d95為 0.093 mm，d90為 0.079 mm，d60為 0.031 mm，d50為0.017 mm ，d15為 0.004 mm，d10為 0.003 mm，Cu 為 10.3。土工濾布特征孔徑O90見(jiàn)表3。

表3 土工濾布特征孔徑統(tǒng)計(jì)表

土工織物作為濾層要考慮土工織物的保土準(zhǔn)則和淤堵準(zhǔn)則等問(wèn)題，進(jìn)行反濾計(jì)算的公式很多，但關(guān)于利用土工織物進(jìn)行濾水的公式卻沒(méi)有。

保土性準(zhǔn)則參考《土工合成材料與堤壩滲流控制》介紹的半經(jīng)驗(yàn)半理論的保土性Giroud準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算：對(duì)于針刺型土工織物，當(dāng) Cu＞3 時(shí)，O95＜9d50/Cu，O95＝0.015 mm，O90≈0.85O95＝0.013 mm；試驗(yàn)測(cè)短纖針刺非織造土工布特征孔徑O90在0.07～0.17 mm之間，均大于通過(guò)公式計(jì)算要求的孔徑。

防堵性準(zhǔn)則參考《堤防工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)》的公式進(jìn)行計(jì)算，以土工織物的特征孔徑和被保護(hù)土的特征顆粒建立一定的關(guān)系，其判別公式：O95≥3d15即0.015＞3×0.004，雖然計(jì)算結(jié)果表明土工織物的濾水能力滿足要求，但通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果卻有些不同。

4 試驗(yàn)結(jié)論及建議

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

1）室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，采用500 g/m2土工布或采用500 g/m2的丙綸濾布、500 g/m2的滌綸濾布，均能滿足鬧德海施工期采用濾水管從圍堰內(nèi)取水時(shí)水質(zhì)不大于500 NTU的要求。

2）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著濾水管濾水時(shí)間的增加，濾水水質(zhì)效果也將增加，濁度變化非常明顯；但濾水流量隨著時(shí)間增加逐步減小，濾水水質(zhì)效果與濾水流量成反比例關(guān)系。采用塑料濾水管外包土工布或?yàn)V布時(shí)，極易在濾布內(nèi)部產(chǎn)生淤堵和表面產(chǎn)生濾餅，最終將出現(xiàn)淤堵現(xiàn)象，無(wú)法滿足施工期工程正常濾水的要求。

3）根據(jù)鬧德海水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程的計(jì)劃安排，施工期間，水庫(kù)被放空，利用上游修建的3.5 m高的圍堰擋水，堰前安裝滲水管濾沙取水的方案不可行，應(yīng)采取其他措施取水。

4.2 取水方案選擇建議

根據(jù)在養(yǎng)畜牧河三家子水文站的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)鬧德海水庫(kù)施工期取水提出建議：利用泄洪底孔放水或建臨時(shí)提水站提水，通過(guò)水廠處理供給阜新市工業(yè)和生活用水。