建筑在中小河流山区河段的坎儿井式地下水库的制作方法

[0001]
本发明涉及水利工程建筑技术领域，是一种建筑在中小河流山区河段的坎儿井式地下水库。


背景技术：

[0002]
地下水库是水资源人工调蓄研究领域的热点问题，它在水资源开发利用与保护方面都具有独特优势，是实现水资源可持续开发利用的重要途径之一，地下水库是指修建于地下并以含水层为调蓄空间的蓄水实体，它以地层空隙为储水空间，在取水、用水和调节水资源方面与地表水库具有相似功能，在干旱区中小河流出山后的山前凹陷带冲洪积区，普遍存在巨大的储水构造，其第四系砂砾石层中储存的地下水量往往是河流径流量的数十倍，如：新疆温宿县台兰河，多年平均径流量7.5亿立方米/年，其地下储水构造中的水量高达105亿立方米，优良的储水构造为地下水库的建设创造了优越的条件。干旱区山前凹陷带处的地下水库主要由取水、输水和人工引渗工程组成，这类地下水库虽然在安全、工程造价和水资源高效利用方面具有地表水库无法相比的优势，但工程运行中也暴露出来一些它的缺点，首先，这类地下水库需建设于河流出山口后的泉水溢出带附近，出水高程较低，与灌区已有渠系连接有一定的困难，需要布置水泵站来解决；其次，人工引渗工程的引渗水量只是河道水量的一部分，汛期又受悬移质泥沙的淤堵使入渗量减少，使得人工引渗工程运行较为困难。
[0003]
径流小、落差大、泥沙多是干旱区中小河流的共同特点，这些河流的山区河段，一直是建设地表水库的场地，其特点是两岸为不透水的山体，河床底部为第四系覆盖层，富含地下水，其水位与河水基本一致，由于许多河流第四系覆盖层较厚，深达30米至80米，个别的达120米以上，同时，河谷也较宽，十分不利于地表水库的建设。对于这类河流，由于透水性较大的第四系覆盖层的存在，实质上河流可分为两个部分，一部分为地表流动的河流，另一部分为地下潜流，地表水随季节变化，地下潜流则终年稳定，其潜流水量取决于河道纵坡、覆盖层的渗透系数和覆盖层的断面面积，覆盖层较厚时，潜流量的比重往往较大，并且，径流量越小的河道，潜流的比重越大。与此同时，这类河流地下的潜流水质好、不含泥沙，是现代城市供水、农村人畜饮水工程和高效节水灌溉的优质水源，干旱区中小河流近年来的工程实践表明，潜流水量比以往按达西公式所计算的要大许多，当潜流量比例大于10%的河流便是建设地下水库的理想场地，但是，针对这类河流一直未出现利用其特点建筑地下水库的技术方案。


技术实现要素：

[0004]
本发明提供了一种建筑在中小河流山区河段的坎儿井式地下水库，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有干旱区中小河流山区河段不宜建设地表水库，导致不能充分调蓄该河段水资源的问题。本地下水库能充分利用河床第四系砂砾石中储蓄的地下水量，达到调蓄河流水资源的目的。
[0005]
本发明的技术方案是通过以下措施来实现的：一种建筑在中小河流山区河段的坎儿井式地下水库，包括至少一排截渗墙，截渗墙设置在山区河段河道的河床上，在每一排截渗墙上游的河床上至少布置有一排集水廊道，集水廊道出水口与地面通过输水主管连通。
[0006]
下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：上述集水廊道包括横向集水廊道，横向集水廊道横向布置于河床内，横向集水廊道位于河床底部的部分不少于10米；在横向集水廊道的至少一侧侧壁上自上而下设置有至少一排辐射管，辐射管的出水口位于横向集水廊道内，同排相邻两根辐射管的间距为5米至20米，同时，在横向集水廊道上设置有至少一口与横向集水廊道连通的管井，管井的出水口位于位于横向集水廊道内，横向集水廊道的出水口处设置有调控出水流量的调节控制闸，辐射管的出水口处设置有辐射管出口控制阀，管井的出水口设置有管井出口控制阀。
[0007]
上述横向集水廊道的数量为两排以上，相邻两排横向集水廊道间距不少于1000米，两排横向集水廊道通过连接输水管连通。
[0008]
上述集水廊道包括纵向集水廊道，纵向集水廊道纵向布置于河床内，纵向集水廊道位于河床底部的部分不少于8米；在纵向集水廊道的至少一侧侧壁上自上而下设置有至少一排辐射管，辐射管的出水口位于纵向集水廊道内，同排相邻两根辐射管的间距为5米至20米，纵向集水廊道的出水口处设置有调控出水流量的调节控制闸，辐射管的出水口处设置有辐射管出口控制阀。
[0009]
上述纵向集水廊道的数量为两排以上，相邻两排纵向集水廊道间距不少于300米，两排纵向集水廊道通过连接输水管连通。
[0010]
上述截渗墙上部固定有挡水墙，在挡水墙上布置有引水闸、冲砂闸，引水闸、冲砂闸及挡水墙高于河床，引水闸下游布置有下游引水渠和汇水池，汇水池与引水闸通过下游引水渠连通，集水廊道出水口与汇水池通过输水主管连通。
[0011]
上述最上游集水廊道上游河床处设置有上游引水闸，上游引水闸与最上游集水廊道通过上游引水管连通；截渗墙为不完全封闭式截渗墙；在截渗墙上游的河床上一体设置有至少一排集水廊道；集水廊道上设置有通风检修孔。
[0012]
本发明结构合理而紧凑，使用方便，适宜建筑在深厚覆盖层的中小河流山区河段上，其能充分利用河床第四系砂砾石中储蓄的地下水量，达到调蓄河流水资源的目的，并且具有工程结构简单、不拦断河流、经济环保、水面蒸发损失小、无溃坝风险、管理方便的优点，尤其是该地下水库的水量回补十分简单，往往通过河道天然入渗即可满足要求，同时，该地下水库还有施工难度小、可以一边建设、一边发挥效益和增容扩建容易的特点，它为中小河流，特别是干旱区中小河流水资源调蓄工程提供了一种新的工程形式。
附图说明
[0013]
附图1是本发明中的集水廊道采用横向集水廊道的平面示意图。
[0014]
附图2是本发明中的集水廊道采用纵向集水廊道的平面示意图。
[0015]
附图3是附图1的剖面图。
[0016]
附图4是本发明布置有两道以上截渗墙时的库容原理示意图。
[0017]
附图5是本发明仅布置一道截渗墙时的库容原理示意图。
[0018]
附图6是本发明布置纵向集水廊道时的地表水入渗原理示意图。
[0019]
附图中的编码分别为：1为河床，2为截渗墙，3为冲砂闸，4为引水闸，5为下游引水渠，6为汇水池，7为下游输水渠道，8为第一排横向集水廊道，9为调节控制闸，10为输水主管，11为通风检修孔，12为辐射管，13为管井，14为连接输水管，15为第二排横向集水廊道，16为上游引水闸，17为上游引水管，18为地形等高线，19为第一排纵向集水廊道，20为第二排纵向集水廊道，21为管井出口控制阀，22为辐射管出口控制阀，23为覆盖层，24为砂砾石层中的不透水夹层，25为相对不透水层，26为地下水位，27为河水。
具体实施方式
[0020]
本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。
[0021]
在本发明中，为了便于描述，各部件的相对位置关系的描述均是根据说明书附图1的布图方式来进行描述的，如：前、后、上、下、左、右等的位置关系是依据说明书附图1的布图方向来确定的。
[0022]
下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：如附图1至3所示，该建筑在中小河流山区河段的坎儿井式地下水库包括至少一排截渗墙2，截渗墙2设置在山区河段河道的河床1上，在每一排截渗墙2上游的河床1上至少布置有一排集水廊道，集水廊道出水口与地面通过输水主管10连通。
[0023]
通过输水主管10将各集水廊道中的水量自流引出地面。
[0024]
河流的山区河段，尤其是干旱区中小的河流的山区河段，其河床1下部往往存在较厚的第四系砂砾石覆盖层23，其两侧和底部为相对不透水层25，由于河床1下部第四系覆盖层23的存在，实质上河流可分为两个部分，一部分为随季节剧烈的变化地表河流，另一部分为终年稳定的地下潜流，按照达西公式潜流水量正比于河道纵坡、渗透系数和覆盖层23的横截面积，许多中小河流的潜流水量比重往往较大，尤其是当河流的纵坡大于0.02、第四系砂砾石覆盖层23厚度大于40米、河床1宽度大于200米时，潜流水量往往十分可观，这些不利于建设山区地表水库的条件，恰恰是建筑地下水库的有利因素，本发明充分利用该山区河段条件，结合截渗墙2、集水廊道等的设置，能充分利用河床1第四系砂砾石中储蓄的地下水量，达到调蓄河流水资源的目的。
[0025]
可根据实际需要，对上述建筑在中小河流山区河段的坎儿井式地下水库作进一步优化或/和改进：如附图1、3所示，集水廊道包括横向集水廊道，横向集水廊道横向布置于河床1内，横向集水廊道位于河床1底部的部分不少于10米；在横向集水廊道的至少一侧侧壁上自上而下设置有至少一排辐射管12，辐射管12的出水口位于横向集水廊道内，同排相邻两根辐射管12的间距为5米至20米，同时，在横向集水廊道上设置有至少一口与横向集水廊道连通的管井13，管井13的出水口位于位于横向集水廊道内，横向集水廊道的出水口处设置有调控出水流量的调节控制闸9，辐射管12的出水口处设置有辐射管出口控制阀22，管井13的出水口设置有管井出口控制阀21。
[0026]
根据需要，横向集水廊道的数量为两排以上，相邻两排横向集水廊道间距不少于1000米，两排横向集水廊道通过连接输水管14连通。
[0027]
如附图1所示，以横向集水廊道的数量为两排时进行说明。这两排横向集水廊道包
括第一排横向集水廊道8和其上游的第二排横向集水廊道15。
[0028]
当河道来水小于灌区需水大时，便可调节第一排横向集水廊道8的调节控制闸9，来满足灌区的需水要求，运行中，横向集水廊道的出水流量（q
设
）大于河道潜流量时，截渗墙2上游会出现一个开采漏斗v1，显然，附图4中所示的v1就是本地下水库的有效库容，v1 = v1上+ v1下，v1上与第一排横向集水廊道8的埋深h1密切相关，v1下与河道潜流量及灌区缺水时段成正比，因此，只要开采漏斗容积v1大于所需的调节库容，同时，横向集水廊道出水流量q
设
大于供水期所需的调节流量，并且在河流地表水量富裕时，能将v1上回补如初，就能起到调蓄河流水资源的目的，发挥出同等规模地表水库的作用。
[0029]
当第一排横向集水廊道8所形成的库容v1不能满足调蓄要求时，可在其上游增加第二排横向集水廊道15，第二排横向集水廊道15的上游可以布置截渗墙2，也可以取消截渗墙2，现分述如下：很显然，当第二排横向集水廊道15上游设有截渗墙2时，本地下水库的总有效库容是两座相互独立的地下水库容之和，总的出水流量q
设
也增加一倍，只要它们的间距大于附图4中所示l即可；当调节库容要求较小时，为了减少工程投资，第二排横向集水廊道15的上游可取消截渗墙2，此时，本地下水库的总有效库容是附图5中所示的v1、v2之和，v1= v1上+ v1下，v2= v2上+ v2下，两排横向集水廊道之间应不产生相互干扰，根据水力学原理，只要它们的间距大于l就可以做到互不干扰，l需经通过具体的水力计算来确定。若库容仍不能满足调蓄要求时，还可以进一步增加横向集水廊道的排数。
[0030]
如附图4所示，q
设
=q
设1
+q
设2
。
[0031]
辐射管12结构形式为现有公知公用的圆形花管钢结构，内径80毫米至200毫米，采用顶冲法施工，水平置入含水层10米以上。
[0032]
为了防止砂砾石层中的不透水夹层24的影响，第一排横向集水廊道8、第二排横向集水廊道15中还可以布置管井13，以增加集水流量，相邻管井13的间距为15米至50米，管井13井深不小于覆盖层23厚度的50%。
[0033]
如附图2所示，集水廊道包括纵向集水廊道，纵向集水廊道纵向布置于河床1内，纵向集水廊道位于河床1底部的部分不少于8米；在纵向集水廊道的至少一侧侧壁上自上而下设置有至少一排辐射管12，辐射管12的出水口位于纵向集水廊道内，同排相邻两根辐射管12的间距为5米至20米，纵向集水廊道的出水口处设置有调控出水流量的调节控制闸9，辐射管12的出水口处设置有辐射管出口控制阀22。
[0034]
根据需要，纵向集水廊道的数量为两排以上，相邻两排纵向集水廊道间距不少于300米，两排纵向集水廊道通过连接输水管14连通。
[0035]
如附图2所示，以纵向集水廊道的数量为两排时进行说明。这两排纵向集水廊道包括第一排纵向集水廊道19和其上游的第二排纵向集水廊道20。
[0036]
当河床1覆盖层23厚度较小时，为了增加供水量，可以选择纵向布置集水廊道的技术方案，即如第一排纵向集水廊道19、第二排纵向集水廊道20，该纵向集水廊道需埋置于地表8米以下。本纵向集水廊道技术方案调蓄水资源的原理也与横向集水廊道一致，所不同的是这类河道的潜流量往往较小，当用水户对水质有较高的要求，潜流水量不能满足时，本纵向技术方案可以通过增加纵向集水廊道的长度，来加大地下水的供水量，从而满足用水户要求，它的基本原理如下：采用附图6所示的第一排纵向集水廊道19、第二排纵向集水廊道20供水时，其上部的河床1的地下水位便会随之下降，含水层由饱和状态转变为非饱和状
态，河水将产生垂直入渗，并汇集于第一排纵向集水廊道19、第二排纵向集水廊道20之中，入渗水量q
渗
正比于河水宽度b、覆盖层23的垂直渗透系数k
垂
和纵向集水廊道的影响长度s，即：q
渗 = k
垂
×
b
×
s，因此，只要河道有富余水量，并选择合适工程布局，就可以获取较优的水质，这对于城镇供水、农村人畜饮水工程和高效节水灌区的十分重要。附图6中，q
设 = q
渗
+q
潜
。
[0037]
需要指出：对于河谷较宽的河流，采用横向集水廊道技术方案往往可能造成工程布置上的困难，这时选择纵向布置集水廊道的技术方案很可能工程投资更低，因此，具体的工程中需要进行两种方案比选和择优。
[0038]
如附图1至3所示，在截渗墙2上部固定有挡水墙，在挡水墙上布置有引水闸4、冲砂闸3，引水闸4、冲砂闸3及挡水墙高于河床1，引水闸4下游布置有下游引水渠5和汇水池6，汇水池6与引水闸4通过下游引水渠5连通，集水廊道出水口与汇水池6通过输水主管10连通。
[0039]
由下游引水渠5将地表水引入汇水池6，使地表水和本地下水库水量连为一体，然后由下游输水渠道7将汇水池6中的水输至灌区。
[0040]
如附图1至3所示，最上游集水廊道上游河床1处设置有上游引水闸16，上游引水闸16与最上游集水廊道通过上游引水管17连通；截渗墙2为不完全封闭式截渗墙；在截渗墙2上游的河床1上一体设置有至少一排集水廊道；集水廊道上设置有通风检修孔11。
[0041]
本地下水库的水量回补，在河流的地表水富余期进行，一方面依靠河水的天然垂直入渗补给，另一方面依靠截渗墙2对潜流的拦截，也使本地下水库的开采漏斗加速回补，因此，它的回补比山前凹陷带冲洪积区的地下水库容易的多。为了进一步加快回补速度，本地下水库还可以利用上游引水闸16和相应的上游引水管17，将河流枯水期的清水直接引入集水廊道之中，将集水廊道作为回补工程，使河水快速回补入库，回补水的浊度应小于40ntu,否则容易造成辐射管12周围砂砾石层的堵塞。
[0042]
同时，上游引水闸16和上游引水管17另外还有两个功能，其一是在下游灌区缺水期，通过本地下水库的输水管路（连接输水管14、输水主管10等）直接将地表水输向下游，防止地表水的无效转化，其二是回补期通过上游引水闸16和上游引水管17将河道的清水引入集水廊道，反方向进入辐射管12，利用高水位和大流量的清水对入渗地层进行反冲洗，解决入渗地层的泥沙淤堵问题。
[0043]
通风检修孔11可以采用竖井布置方式，为了施工和运行维护方便，还可以采用斜井式的布置方案。
[0044]
本地下水库的截渗墙2具体工程结构和布置，应按工程的地形和地质条件进行设计和布局，当河道存在峡谷段时，可将其布置在峡谷段前缘，并与第一排横向集水廊道8间隔一定的距离，截渗墙2上部还可以布置闸坝，使其高于地面，在上游形成一定的水面，以利于地表水的转化；当河道较为顺直时，也可以将截渗墙2与第一排横向集水廊道8合为一体，截渗墙2的结构可采用混凝土截渗墙2，还可以采用土工布等其它结构形式。当第二排横向集水廊道15也需设截渗墙2时，其顶部高程与集水廊道齐高即可，以节约工程投资。若截渗墙2拦截潜流十分有限时或所需水量较小的，还可以采用不完全封闭式截渗墙2。
[0045]
由上述可知，本地下水库具有工程简单、不拦断河流、投资小、经济环保、不产生水面蒸发损失、无溃坝风险、管理方便等地下水库所具有的优点，与此同时，本技术方案还有工程施工难度小、可以一边建设、一边发挥效益和增容扩建极为容易的特点，它为中小河
流，尤其是干旱区中小河流水资源调蓄工程提供了一种新的工程形式。
[0046]
以上技术特征构成了本发明的最佳实施例，其具有较强的适应性和最佳实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。
[0047]
本发明的应用实施例如下：应用实施例1：干旱区某中小河流，地表水径流量5300万立方米，地表水量夏季不能满足灌区要求，缺水时段6月至7月，共计53天，缺水量750万立方米，缺水期所需地下水库供水的最大流量1.8立方米/秒，该河流山区河段纵坡3.0%，约有8公里范围适合实施本地下水库，河流11月至次年3月共计150天有富余水量共计1500万立方米，该时段河道水面平均宽6米，河床1宽250米，河道基本顺直，其底部为第四系全新统覆盖层23，平均深60米，平均断面积1.5万立方米，河水与地下水位同高，含水层重力给水度0.2，水平渗透系数120米/天，垂直渗透系数2.0米/天。
[0048]
按照本应用实施例水文地质条件，可推算出河道潜流q
潜
= 120
×
15000
×
0.03/86400=0.625立方米/秒，8公里山区河段含水层的储水量为8000
×
1.2
×
0.2=1920万立方米，缺水时段53天河道潜流量为0.625
×
53
×
8.64=286万立方米。本应用实施例可采用不同技术方案进行组合，当采用两排完全拦截的截渗墙2和两排横向集水廊道的技术方案时，q
设
=1.8/2=0.9立方米/秒，按图4所示，本应用实施例v1
上
需≥286万立方米， v1
下
需≥89万立方米（750/2-286=89万立方米），当选用横向集水廊道埋深h1=30米时，当取l1
下
=1500米时，经计算实际q
设
=0.92立方米/秒，v1
下
=90 >89万立方米，取l1
上
=2000米，经计算v1
上
=300>286万立方米，满足要求，因此，初选设置两排间距3200米的截渗墙2和相应的两排横向集水廊道、横向集水廊道埋深30米的总体技术方案，就能满足灌区缺水期供水750万立方米的要求。本应用实施例中的横向集水廊道中的辐射管12采用上游单侧布置，管径采用159mm，间距15米，置入含水层的水平长度20米，另设管井134眼，井深80米。本应用实施例供水末期，第一排截渗墙2上游河床1将有约4.4公里的河段出现开采漏斗，漏斗容积371万立方米，河道天然补给量为2.0
×6×
4400/10000=5.28万立方米/天，因此，经70天河水的入渗便可使本地下水库回补如初，远小于150天，说明天然补给方案可行。
[0049]
需要指出，本应用实施例采用达西公式进行计算，工程的具体设计中，应依据水文地质和地形等基础资料，并利用现代渗流计算法，对本应用实施例进行逐月计算，以获取更详细的成果，并优化和复核工程方案。
[0050]
应用实施例2：干旱区某中小河流，地表水径流量3200万立方米，地表水量全年虽均能满足灌区的水量要求，但河水泥沙多，十分浑浊，不能满足下游人畜及高效节水灌区的需水要求，该河流山区河段纵坡3.5%，约有6公里范围适合实施本地下水库，河道顺直，河床1平均宽150米，第四系全新统覆盖层23深25米，下游灌区7月至8月需水流量0.6立方米/秒，6月和9月需水流量0.45立方米/秒，其余月需水流量0.20立方米/秒。河流7月至8月平均流量2.0立方米/秒，该时段河道水面平均宽12米，6月和9月平均流量1.0立方米/秒，该时段河道水面平均宽8米，其余月平均流量0.2立方米/秒，河道水面平均宽1米。经实测该河道潜流0.24立方米/秒，全年均匀，按达西公式推算其水平渗透系数158米/天，现场勘探含水层垂直渗透系数2.5米/天。6月至9月潜流量不能满足灌区需水要求，其中，7月至8月需要补充流量0.36立方米/秒，6月和9月需要补充流量0.21立方米/秒。
[0051]
按照本应用实施例水文地质条件，采用一排截渗墙2和纵向集水廊道的技术方案
最为合理，按附图6所示，纵向集水廊道的影响长度s需要通过水力计算后确定，本实施例7月至8月期间所需q
渗
=0.36=2.5
×
12
×
s/86400, 所需s=1037米；6月和9月期间所需q
渗 = 0.21 =2.5
×8×
s/86400, 所需s=907米，两者取大值，则本工程的s取为1037米，由以上分析计算可初步确定本实施例的工程总体布局方案，即：采用完全拦截的截渗墙2一排，截渗墙2上游布置纵向集水廊道两排，每排长350米，间距350米，埋深10米，实际有效影响长度s为1090米，每排集水廊道设计流量q
设
=0.3立方米/秒，辐射管12的管径采用159mm，间距20米，置入含水层的水平长度15米。