调蓄能力（精选7篇）
调蓄能力 篇1
0 前言
充分利用地下水疏干储水空间进行人工回灌,对于超采区域的地下水可持续开发利用是十分必要的[1,2,3]。准确的确定地下储水空间的储水能力和调蓄能力是地下水人工回灌设计规划的基础依据,长期以来,人们已习惯于采用确定性模型来研究地下水资源管理中的问题,直接影响着评价结果的准确程度,然而,在一定区域内,诸如渗透系数、给水度、弥散度等水文地质参数的分布具有很大的不确定性,因此对评价计算结果进行相应的不确定性分析是十分必要的[4,5,6,7]。本文根据北京市平谷地区地下储水空间特征,分析确定了地下水库的边界、调蓄下限水位、调蓄上限水位,采用 ArcGIS软件计算了地下水库的调蓄库容。在此基础上,根据已掌握的水文地质资料,假定给水度服从正态分布和对数正态分布,借助蒙特卡罗方法,产生了大量的随机数,分析了给水度在空间上服从正态分布和对数正态分布时,研究区地下水库总储水能力和调蓄能力值的概率分布特征。
1 研究区概况
研究区距北京市区70km,西邻顺义区,北接密云县,南面与河北省三河市相连,东面为河北省兴隆县和天津市蓟县,研究区总面积约337km2(图1)。研究区属华北地层大区,由前第四系和第四系地层组成,新生界第四系堆积物广泛分布在山间河谷和盆地内。平谷盆地内堆积物由泃河、错河冲洪积作用形成,泃河展布在盆地东部,由东北流向西南;错河分布在盆地西北侧,流向由北向南,在盆地中部汇入河北省三河市蓟运河水系。受盆地统一的地质水文地质条件制约,区内地下水补给、径流、排泄条件具有明显的统一性和分带性规律。第四系沉积厚度(见图2)受基岩影响相差悬殊,在南独乐河以东小于125m,到马各庄一带为407m,西部许家务为240m,赵各庄一带厚度最大,为556.86m,其含水层厚度在韩庄至南独乐河为100余米,王都庄一带150m,西部许家务一带120m,门楼庄一带为80～100m。含水层岩性:王都庄以东和许家务以北为单层巨厚卵石含漂石、砾卵石层,盆地中部地区为多层砂砾卵石层。图3为研究区金鸡河-平谷电厂水文地质剖面图。
2 平谷盆地地下水库调蓄能力计算
平谷盆地独特的地质构造使其在空间上构成了一个独立封闭的水文地质单元,四周高、中间低的地形有利于地表和地下径流向盆地中部汇流,而区内前第四系基岩主要分布于盆地边缘和基底,盆地中部分布着巨厚的第四系沉积物,均为研究区地下水的汇集和储存提供了良好的条件。地下储水空间的侧向边界条件决定了人工回灌水的汇集条件和储存能力。根据研究区的地质、水文地质条件确定研究区地下储水空间范围如下:西部边界与平谷盆地的西部边界一致,取至二十里长山山前盆地第四系砂砾石含水层厚度尖灭处,故其性质为隔水边界。西南边界取至吴雄寺(二十里长山最东南端)与灵山村之间,为盆地地下水的流量边界。北部和东南边界对于盆地周边震旦亚界的碳酸岩分布地段和各大沟沟口冲、洪积砂砾石层分布地段,基本上属于透水边界性质。对于盆地北部大面积的杨庄组和洪水庄组碎屑岩、火山岩分布地段则为隔水边界。此外,盆地东南大片的雾迷山组碳酸岩区,属弱透水性质。 综上所述,研究区四周的边界为隔水-弱透水边界,具有较好的储水条件。
2.1 特征水位的确定
地下水库的特征水位包括死水位、现状地下水位、调蓄上限水位和调蓄下限水位等,分别对应着地下水库的特征库容。
调蓄上限水位:指在不引起环境负效应的长期储水条件下,地下水库能够发挥最大蓄水效益时所能达到的水位,一般的确定方法是取地下水埋深的临界深度,它是指在一年中蒸发最强烈的季节不致引起土壤表层积盐的最浅地下水埋藏深度[2,3]。20世纪80年代研究区内地下水位埋深均在1～3m之间,经过近20年的开采,尤其是2004年中桥、王都庄两处应急水源地开始向北京供水后,地下水的超量开采形成了两处降落漏斗,并随着水源地的开采不断扩大,地下水位埋深大幅增加,而腾空的地下水库为开展雨洪资源利用提供了可能性。为最大限度的发挥地下水库的调蓄功能,同时不影响地表生态和地表、地下建筑稳定性等,确定1987年9月研究区地下水位为地下水库的调蓄上限水位(如图4)。
现状地下水位:指当前地下水位的分布情况,它直接决定着地下水库的调蓄能力大小。本次研究选取2010年12月的地下水位作为现状水位,分析地下水库的实时调蓄能力。
底部边界:根据研究区的水文地质条件,选取中更新统的底板作为地下水库的底部边界,用于地下水库总储水能力的计算。
2.2 地下水库的储水能力计算
地下水库的调蓄能力是衡量该地下水库效益大小的最直接指标,在调蓄能力计算中,最为关键的问题是特征水位的确定。地下水库内地下水的水面不是一个平面,而是一个不断变化的曲面,它不具有确定的库容曲线。以孔隙介质为水库的储水能力计算公式[8]为:
式中:V为水库的储水能力(m3);ν*为蓄水体的体积(m3);μ为重力给水度(无量纲)。
在具体计算时,充分考虑到研究区含水层介质的非均质性,计算过程中使用ArcGIS中的空间分析模块(Spatial Analyst)和三维分析扩展模块(3D Analyst),首先将研究区地下水等水位线的shp格式文件转化为Raster格式文件,然后借助三维分析扩展模块下的Cut/fill工具完成含水体上表面高程与含水体下表面的相减,得出研究区含水体的总体积,然后与参数分区表面相乘得到这部分水体的体积,最后代数加和得到水库的储水能力。选取1987年应急水源地建设前研究区地下水位为调蓄上限水位,选取下更新统下层的底部边界为地下水库的底界,选取2010年12月地下水位为现状水位,计算出平谷盆地地下水库总体积大小为412.70×108m3,总储水能力为66.03×108m3,2010年12月的实时调蓄能力为16.38×108m3。由此可见,长期超采地下水形成的区域地下水位降落漏斗具有很大的储水能力,是调节平谷地区水资源时空分布的天然储水体。
3 地下水库的调蓄能力不确定性研究
3.1 不确定性模拟
由式(1)可知,给水度值大小直接决定地下储水空间调蓄能力的大小,可以将其看作是随机变量,并有其各自的分布特征。本文根据已掌握的水文地质资料,假定给水度服从正态分布、对数正态分布概型,借助蒙特卡罗方法产生了大量的随机数,研究平谷地下水库调蓄能力值的概率分布特征。蒙特卡罗方法是目前进行不确定性分析的常用方法之一,它的主要思路是:按照概率的定义,某事件的概率可能用大量试验中该事件发生的概率估算[9]。为了求解数学、物理、工程技术以及生产管理等方面的问题,首先建立一个概率模型或随机过程,使它的参数等于问题的解;然后通过对模型或过程的观察或抽样试验来计算所求参数的统计特征,最后给出所求解的近似值。而解的精确度可用估计值的标准误差来表示[10]。模拟时对研究区进行矩形剖分,共计生成845个单元格,每个单元格面积约0.4km2。 平谷盆地区域地层岩性的给水度变化范围大致为0.13～0.20,本次研究中取其中值0.165作为给水度的均值,均方差取0.10,并利用蒙特卡罗方法,分别按照正态分布和对数正态分布进行抽样模拟,计算2010年12月现状水位条件下实时调蓄能力的概率分布特征。
3.2 计算结果
由模拟结果绘制了研究区地下水库调蓄能力概率分布图(图5),地下水库调蓄能力概率计算结果如表1所示。从调蓄空间储水能力的计算结果图和表1中可以看出,当给水度服从正态分布和对数正态分布时,平谷地下储水空间调蓄能力的取值区间为(15～17)×108m3,当给水度服从正态分布时,调蓄能力大于15.6×108m3的概率为92%,大于采用确定性方法计算值(16.38×108m3)的概率为61%,当服从对数正态分布时,调蓄能力大于15.6×108m3的概率为89%,大于采用确定性方法计算值(16.38×108m3)的概率为57%。从模拟结果可知,由于给水度分布的不确定性,采用确定性计算方法计算的调蓄能力具有一定的不可靠性,不同的调蓄能力有其相应的保证率,这相对于传统意义上的确定值更加合理,此外,计算结果也表明,水文地质参数的概率分布类型不同,计算结果的概率分布特征也不同,因此,今后应进一步分析研究区水文地质参数的分布类型,以增加地下水库调蓄能力计算结果的可靠性。
4 主要结论
(1)选取1987年应急水源地建设前研究区地下水位为调蓄上限水位,选取下更新统下层的底部边界为地下水库的底界,选取2010年12月地下水 调蓄能力概率位为现状水位,得出地下水库空间大小为412.70×108m3,总储水能力为66.03×108m3,实时调蓄能力为16.38×108m3。由此可见,长期超采地下水形成的区域地下水位降落漏斗具有很大的储水能力,是调节平谷地区水资源时空分布的天然储水体。
(2)地下水库库容值受给水度空间分布变化的影响,呈现出明显的不确定性,当给水度服从正态分布时,调蓄能力大于采用确定性方法计算值(16.38×108m3)的概率为61%,服从对数正态分布时,概率为57%。水文地质参数的概率分布类型不同,计算结果的概率分布特征也不同,应进一步分析研究区水文地质参数的分布类型,以增加地下水库调蓄能力计算结果的可靠性。
参考文献
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空调蓄冷相变材料的最新研究 篇2
蓄冷是实现电网移峰填谷的有效手段,目前主要用于空调蓄冷。城市空调的耗电量相当大,由于电能紧张,近年来国家电网公司也制定了相应的电价分时计价政策,促进了空调蓄冷技术的推广,因此空调蓄冷技术能够产生很好的社会效益与经济效益,实现电能的有效利用。
目前,空调蓄冷材料主要有水、冰和相变材料3种。水蓄冷是利用4～7℃之间水的显热进行蓄冷, 可以使用常规的制冷机组,实现蓄冷和蓄热的双重用途。对水蓄冷的研究主要集中在动态模拟[1]和运行经济性分析[2]。水蓄冷存在很多缺点:蓄冷密度低,蓄水槽体积庞大;蓄冷槽内不同温度的水容易混合,影响蓄冷槽中的储存冷量[2,3]。冰蓄冷是一种充分利用相变潜热的蓄冷方式,具有价格低廉、性能稳定、潜热大等优点,在国内中央空调中使用较多。浙江大学的叶水泉[4]对蓄冰装置的蓄冰融冰过程和低温送风空调系统进行了充分研究,研制出不完全冻结式导热塑料蓄冰盘管。Sebzah M J等[5]对蓄冰系统也做了详细分析。李玉娜等[6]对冰蓄冷空调的经济性进行了研究。但冰蓄冷相变温度低,使制冷机在制冰充冷时的蒸发温度比常规非蓄冷系统低8～10℃,这不仅限制了蓄冷空调系统可采用的制冷机种类,而且使制冷机的运行效率降低30%～40%[7]。与常规机组相比,蓄冷系统制冷机组的COP值下降,耗电量增加。
相变材料进行相变蓄冷的空调系统可以克服上述水和冰蓄冷系统的缺点,具有大的储能密度,是同等体积显热储存物质的5～14倍[8],可直接采用常规制冷机组进行蓄冷,提高制冷机组的蒸发温度和COP值,从而改善系统的能量利用率。在空调蓄冷系统中采用5～10℃的相变材料最合适,因此开发适宜的相变温度相变材料受到了人们的广泛关注,近年来成为研究的热点。
1 蓄冷相变材料的选择及分类
1.1 相变材料的选择
相变蓄冷空调系统的关键是相变材料,所以它的选择至关重要。Abhat[9]对相变材料应具备的性能进行了以下叙述。
(1)热物性方面:
具有较高的相变潜热和合适的相变温度。对空调蓄冷系统而言,要求相变温度在5～10℃,否则冷量既无法储存也无法取用;相变温度保持恒定,相变蓄冷材料在结冰过程中应始终保持一定的凝固温度,没有过冷及相分离现象;蓄冷材料传热性能好,相变过程中体积变化小。
(2)化学条件:
化学性能稳定、无毒、不爆炸、无腐蚀、溶解性小。
(3)相变动力学方面:
要有较高的固化结晶速率。
(4)经济条件:
各组分来源容易,价格便宜。
1.2 相变材料的分类
相变材料按照相变方式一般可分为4类:固-固相变材料、固-液相变材料、固-气相变材料和液-气相变材料。用于蓄冷空调系统中的相变材料主要是固-液相变材料。相变材料按化学组成可分为无机相变材料和有机相变材料。
1.2.1 无机相变材料
适用于空调蓄冷的无机类固-液相变材料主要是共晶盐,具有代表性的共晶盐有Na2SO4·10H2O (芒硝)、CaBr2·6H2O、Na2HPO4·12H2O、Mg(NO3)2·6H2O(镁硝石)、CaCl2·6H2O等。
共晶盐的熔点比较高,通常需加入其他无机物来降低其熔点。Nagano等[10]在硝酸锰结晶盐中分别加入NaNO3、 NaCl 和 MnCl2 · 4H2O等添加剂来降低熔点。刘剑虹等[11]在Na2SO4·10H2O中加入NH4Cl、 KCl和K2SO4来降低其熔点,使该相变材料的熔点从32.4℃降到8℃。在该材料中加入增稠剂羧甲基纤维素(CMC,含量3.2%)可形成足够浓的凝胶体,以阻碍硫酸钠水合物大晶体的生长,同时,加入晶形改变剂六偏磷酸钠(含量0.1%)能改变Na2SO4·10H2O的晶体结构,使无机盐形成小的晶体。增稠剂和晶形改变剂的配合应用能较好地抑制水合盐的相分离及析出。
共晶盐具有价格便宜、导热系数较大、熔解热较大、密度大等优点。但是这类材料通常存在2个问题,一是过冷现象,需要加成核剂来解决;另一个问题是相分离,解决的办法有加增稠剂和晶形改变剂。盛装相变材料的容器应采用薄层结构等。Ryu等[12]在寻找合适的增稠剂和成核剂方面进行了广泛研究,找到的增稠剂有SAP和CMC,成核剂有硼砂、碳粉、二氧化钛等,这些添加剂能用于多种水合盐。
1.2.2 有机相变材料
典型的有机类相变材料有石蜡、酯酸类、高分子化合物等。在相变蓄冷技术中酯酸类相变材料的应用最广泛,研究得也最多。有机相变材料的相变温度随碳链的增长而升高,温度适用于空调蓄冷的相变材料有十四烷、十五烷、十六烷以及对应的酸。目前也有研究者致力于合成新的有机相变材料,Sari等[13]合成了一系列的硬脂酸酯,相变温度为23～63℃,相变潜热为121～149kJ/kg ,温度偏高,不适用于空调蓄冷。
有机类相变储能材料的优点是无过冷及析出现象,性能稳定,无毒,无腐蚀;缺点是导热系数小,密度小,单位体积储热能力差。
2 蓄冷相变材料的新进展
由于单一的无机、有机相变蓄冷材料都存在着上述问题和缺陷,因此,近年来新型的复合相变蓄冷材料应运而生,已成为蓄冷材料领域的热点研究课题。对空调蓄冷相变材料的研究主要集中在开发新型相变材料、改善相变材料的传热能力和降低过冷度等方面。
2.1 新型相变材料的开发
为了得到相变温度适当、性能优异的相变材料,通常需要将几种相变材料复合以形成二元或多元相变材料,由此弥补二者的不足,制备出性能更好的复合相变材料[14],使之得到更好的应用。近年来开发的新相变材料见表1。
2.2 提高导热系数
为了增强相变材料的导热能力,目前常采用的措施是在相变材料中添加金属、石墨粉和纳米粒子。
金属物质具有良好的导热性,被嵌入到相变材料中可提高其导热能力。Khan等[24]研究了在相变材料中加入铝、铁、铜、铝硅合金和铅基复合物时相变材料在结冰过程的传热特性,认为固液界面的移动速率很大程度上取决于加入物导热系数与液体相变材料导热系数的比值。Bugaje[25]对在20种低导热系数的相变材料中添加20%(体积分数)的铝肋片进行了实验研究,结果表明,熔化和凝固过程的时间均显著缩短。Eman等[26]研究了以石蜡为相变材料的储能系统,在其中添加铝粉末来提高导热系数,实验研究显示,加入铝粉后蓄冷时间可缩短60%,获得的有用热量也显著增加。
石墨具有独特的晶体结构,导热性良好,无毒害作用,因此在提高相变材料导热性能方面被广泛应用。Cabeza等[27]分析了冰/水蓄冷的传热强化问题,提出了3种强化传热方法,即在冰水中加不锈钢片、铜片和石墨粉末,结果表明,加石墨粉后冰蓄冷系统的熔化和凝固速率分别提高25%和15%,强化传热效果最好;另外还指出装肋片强化换热只在使用较高导热系数的相变材料时才有明显效果。
Sari等[28]通过在癸酸中嵌入珍珠岩制备了一种定型的相变材料,加入10%(质量分数)膨胀石墨,复合相变材料的热导率增加了约64%,经过5000次热循环后显示了良好的热稳定性。
自从1995年美国Argonne国家实验室的Choi等[29]提出了纳米流体的概念,即以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属或金属氧化物粒子,以形成新的强化传热工质以后,研究者们就开始尝试用纳米粒子来提高相变材料的导热性能。纳米粒子能增大相变材料导热系数的原因有2个:一是固体颗粒的加入改变了基础液体的结构,增强了混合物内部的能量传递过程,使得导热系数增大;二是纳米粒子的尺寸小,使粒子与液体间存在微对流现象,增强了粒子与液体间的能量传递,增大了纳米流体的导热系数。
李晓燕等[30]研究了应用于常规空调工况的纳米复合蓄冷材料,对材料的制备及导热系数的测量进行了实验研究,结果表明添加TiO2纳米粒子后相变材料A的导热系数有明显提高,改善了其在蓄冷系统应用中传热性能较差、蓄冷量利用率低、系统效能降低的缺点,有助于常规空调中推广蓄冷技术。
此外,为了增大空调系统的蓄冷量,相变材料常被制成泥浆形式[31,32]。在蓄冷过程中,泥浆会粘附在传热界面形成一个热阻层,显著降低储冷速率。为了避免形成一个厚的固体热阻层,Tadafumi等[32]对从传热界面移除热阻层进行了研究, 设计了一个从铜传热界面刮掉四丁基溴化铵固体的蓄冷系统,提出四丁基溴化铵水合物固体可以分为两类,开始形成的四丁基溴化铵固体和刮掉后形成的固体有着不同的结晶结构。2种情况下刮掉四丁基溴化铵固体的作用力也不一样,通过改进刮刀的形状,刮力得到改善,能较好地刮掉热阻层,提高传热效果。在随后的研究中他们又提出四丁基溴化铵水合物刮力随着四丁基溴化铵浓度的增大而增加,浓度影响刮掉四丁基溴化铵固体的效果[33]。
2.3 降低过冷度
所谓过冷现象是相变材料冷凝到冷凝点时并不结晶,而须到冷凝结点以下的一定温度才开始结晶,同时使温度迅速上升到冷凝点,这个温差就是过冷度。过冷度的存在使得相变材料蓄冷的凝固-融化中间过程出现延迟,这种延迟中断了正常的热循环过程,使制冷系统的能耗增加。
可通过添加硼砂等成核剂来降低过冷度。刘剑虹等[11]制备了一种相变温度在8℃左右的Na2SO4·10H2O共晶相变蓄冷材料。该材料中加入了粉状化的成核剂硼砂(含量2.4%)以有效消除过冷,使过冷现象减轻到很微小的程度。张曼等[34]在四丁基溴化铵溶液中添加2%(质量分数)的硼砂可以减小结晶过冷度2.4℃。Nagano等[10]用17种矿物盐、5种精细粉末、2种溶剂作降低Mn(NO3)2·6H2O冷却度的比较实验,得到的结论是:加入溶剂庚烷的溶液的过冷度最小,只有0.2℃,且相变温度适宜。
另外用于空调蓄冷的胶囊相变材料,随着粒径的减小,过冷现象比较明显[35,36]。Alvarado等[37,38]提出在相变材料中添加与相变材料同源的物质能有效降低过冷度。Tutomu等[39]用癸酸和月桂酸制备了一种复合相变材料,在复合相变材料中添加15%(质量分数)月桂酸钠或油酸钠,可以显著降低过冷度,并将相变温度控制在4～7℃,同时反复做了200次融化-凝固循环测试,没有观察到相变材料的物化性质降级现象,表明该二元体系有良好的稳定性。Alvarado等[38]探讨了抑制十四烷微胶囊相变材料过冷度的途径。加入0.2%(质量分数)无水硅酸对抑制过冷度没有影响,加入2% 或 4%的成核剂十四醇能有效抑制过冷,指出成核剂的含量在0%～4%范围内不影响相变材料的熔点,成核剂的增加导致十四烷的融化热降低,且初始结晶温度与冷却速度成反比。
在相变材料体系中添加各类成核剂能有效降低过冷度,但不能消除过冷度,且部分体系加入成核剂会降低相变材料的导热性能和相变潜热。
3 结语
随着社会对能源需求量的不断增加,能源相对短缺的现状将进一步加剧,相变材料凭借着高的储能密度优势,在节能和合理利用能源方面的研究中显得尤为重要。
虽然近年来适用于空调蓄冷的相变材料的研究取得了极大的发展,但是还有很多问题有待解决。可以预见未来蓄冷相变材料的研究热点主要集中在以下几个方面:(1)掌握相变材料之间的复合原则以及如何复合来提高材料的性能以弥补不足;(2)开发新的蓄冷相变材料;(3)改善相变材料的导热性能和相变速率。除了相变材料和导热性能的研究外,把相变材料放到特定蓄冷系统中,对蓄冷系统的蓄放冷特性进行分析,实现蓄冷系统的优化设计,在空调蓄冷的研究中将有广阔的前景。
摘要：相变材料是一种新型的蓄冷材料,5～10℃的相变材料在空调蓄冷系统中的应用越来越受到重视,已成为国际研究的热点。叙述了用于空调蓄冷的相变材料的选择原则和有机、无机相变材料的优缺点,概括和评述了近年来相变蓄冷材料在开发新型材料、提高导热系数和降低过冷度等方面的研究进展,并展望了空调蓄冷相变材料的研究趋势。
调蓄能力 篇3
目前, 全球气候变暖问题所导致的极端天气, 给我国的许多城市带来强降雨, 城市内涝问题频频发生, 引起了国家的高度关注。我国制定了对城市排水防涝设施规划建设方面的相关明确要求, 以找到合理有效的防治措施, 对城市内涝防治问题和实际工作的实施进行了分析和研究。
2 引发城市内涝的主要原因
城市的迅速发展, 导致许多过去建设的城市基础设施等无法跟上发展变化的步伐, 出现对城市内涝问题不够重视, 缺乏有效防治手段等问题。导致城市内涝的主要原因包括以下几点:
2.1 气候的变化
随着全球变暖问题日益严重, 进一步影响了全球的水循环过程, 从而导致极端降雨天气的增多。另外, 由于区域降雨的分布格局发生变化, 降雨不均匀, 致使我国许多城市出现了内港、缺水等极端现象, 有些低洼的地区或路段发生严重的积水问题, 从而形成了城市内涝。
2.2 城市排水管网、泵站设计不合理
中国许多城市的排水系统, 大多沿用的是曾经借鉴苏联而设计的浅埋管网系统, 但是, 由于我国与苏联所处地域不同, 气候存在差异, 在我国采用浅埋的排水管道其实存在一定的局限性。另外, 有些工程为了节约造价, 在管道、泵站的排水设计方便要求低, 排水能力有限, 抗洪能力不足, 造成内涝现象。
2.3 城市建设忽视洪水削减
在建设城市时, 对于土地的利用方面, 存在许多将原有松软土体, 如农地、林地、草地以及水域等改建成城市道路、建筑和广场等, 但是此类土体未经改良, 具有松软透水的特点, 在改建后严重影响了城市建设的质量, 减弱了土地对于暴雨洪水的削减作用。
3 雨洪调蓄分析
针对以上导致城市内涝的原因, 研究出了重要的内涝防治办法, 即雨洪调蓄, 是对雨水进行调节和存储的总称, 能够有效发挥削减雨水径流洪峰, 环节排水排涝压力的作用, 等到降低流量后, 再从调蓄池将存储下来的雨水排出、净化, 然后重新合理利用。常见的雨洪调蓄方式主要包括以下几种:
3.1 地下式雨洪调蓄
地下式雨洪调蓄是一种修建于浅层地下的水工构筑物, 是将已有排水管道与调蓄池相接, 在强降雨天气下, 超过管道设计规模的雨水可以利用调蓄池暂时接纳高峰流量, 缓解城市排水压力, 有效降低了内涝风险, 且无需对排水管网进行改造。雨后调蓄池内的雨水可经过简单处理加以利用或排放至河道, 使得初期雨水对城市水环境污染得到很好的控制, 同时实现了雨水资源化利用。
3.2 地面式雨洪调蓄
地面式雨洪调蓄主要分为两类:①利用天然湿地、池塘或人工湖等水体贮存雨水补充水景用水, 并利用水生植物对初期雨水进行生物净化处理, 以保持良好的生态景观效果;②将城市绿地、广场、停车场建成下沉式设施, 在雨季利用其较大的容积作为储存雨水的调蓄池, 以降低城市内涝风险。地面式雨洪调蓄将雨水收集、利用与生态景观、生活服务、休闲娱乐等结合在一起, 使城市空间得到充分利用, 设施功能达到最大化。
3.3 隧道式雨洪调蓄
隧道式雨洪调蓄是一种修建于地下深层, 用于贮存和输送雨水或合流污水的隧道。它通常具有很大的调蓄容积, 可大幅降低城市内涝风险, 有效控制合流制系统造成的水环境污染。由于隧道调蓄池一般修建于地下几十米深的地层, 不仅不会占用昂贵的城市用地, 对城市地下空间利用影响很小, 较适合在地下管网密集, 城市用地紧张的特大城市使用。但由于隧道深度大, 其排空时提升高度大, 运行费用高, 清理难度大也成为隧道式雨洪调蓄的明显缺点。
3.4 河道调蓄
河道调蓄是指将河道水系作为天然的雨洪调蓄池, 利用现状河道常水位与最高水位之间的调蓄容积削减洪峰流量, 降低城市内涝风险。在河网密布、水系发达的平原地区, 河道水系作为市政排水系统的收纳水体, 承担着各自分区的排涝任务, 而雨水通过管道直排或泵站泵送至河道后, 先是填充河道的调蓄容积, 然后才会缓慢向下游流动, 并非雨水进入河道后立即排出, 因此河道水系不仅具有排除涝水的功能, 同时具有很强的调蓄能力。
3.5 比较分析
相关研究人员就这几种调蓄方式进行了比较 (见表1) , 得出以下结论:①地面式调蓄, 主要是将天然水面、人工湖等当做调蓄池, 这种调蓄池的优势在于容积通常略大, 因而适用于降雨量较大的地区;②地下式调蓄, 该方法容易被用地、地下空间等所限制, 因此对于其规模的设计有限, 容积较小, 适用于泵站汇水或小范围调蓄;③隧道式调蓄, 该方法利用的是深层地下空间, 建设规模大, 但是其建设工程量也相对较大, 建设的难度也较高;④河道调蓄, 该方法的调蓄能力最好, 且不需要考虑投资、占地等问题, 经济且有效。
在实际的城市内涝防治过程中, 采用哪种调蓄方法需要结合工程实际来决定, 本文重点探讨的是具有经济性、有效性优势的河道调蓄 (见表1) 。
4 河道调蓄及其在城市内涝中的应用
4.1 河道的可调蓄性
河流与地下水的关系随着自然因素变化和人类活动发生变化, 当自然因素变异和人类活动超过阈限时, 河流与地下水的补给关系趋于复杂。当河流流量衰减或随着河流沿岸地下水开采量增加, 均可使河水位与地下水位关系由具有统一浸润曲线演化为地下水位与河水位脱节的状态, 河床下就会出现非饱和状态。如果出现地下水位下降增强了地表水渗漏能力等问题, 造成河道损失;或者由于汛期洪水导致水库弃水, 即可成为调蓄的重要水源, 满足可调蓄性。
4.2 河道调蓄的应用
4.2.1 河道调蓄在城市化发展影响中的应用
现代社会由于各种水利工程的建设以及其他人为因素, 使河道水系区域化、等级化, 高等级的河道重点用于引水、防洪排涝, 而低等级河道则设置于城市内部, 用于汇流和调蓄。然而, 城市的发展和改造, 导致许多低等级河道被占用或填埋, 严重削弱了城市调蓄能力, 导致低等级河道的水位容易迅速提升, 顶托市政管网, 引起内涝。对此, 首先需要加大宣传, 然后对河道蓝线进行合理规划, 采用疏浚扩挖工程、增加人工水体等技术手段或工程措施, 加强生态水系保护能力, 从而逐步地恢复其结构和功能。
例如, 某大城市的中心城区河道, 其水系由于人类活动的影响, 至少消失了310条, 总长已经超过520km, 水面积约减少了10.46km2, 而河道的槽蓄容量则减少了约2029万m3, 单位面积的可调蓄容积减少了5.06万m3/km2, 导致河道的调蓄能力下降。由此可见, 城市化发展在改变河道形态结构的同时, 削弱了河道调蓄能力。
4.2.2 河道调蓄在水位调控影响下的应用
在河道调蓄过程中, 对于水位的控制将直接影响到河道调蓄的总体效果与能力。为了能够有效保存河流水体所具有的基本生态功能, 首先需要保障水生物的生存, 提供稳定的生态水量。雨季来临时, 河道的水位如果仍然维持在常水位, 则表明其调蓄容积不足, 排涝能力很可能难以应对短时期的强降雨, 必须进行水位的调节。
有些西南地区湖泊较多, 河网密集, 河道水系错综复杂, 常常存在流量交换, 如果仅仅凭借水力计算, 并不能够合理掌握河道水位调控是否会影响其他与该河道存在相交关系的河道水位, 所以需要先建立城市河道的水系水力模型, 对城市中河道的汇流、调蓄、排水等过程, 进行全面的模拟, 从而编制出科学合理的水位调控方案, 保证汛期水位, 最终提高河道的调蓄容积, 加强排涝能力。
4.2.3 河道调蓄在闸站运行维护影响下的应用
在产业集中化的发展过程中, 城市为了充分地利用河道水系, 开展城市的供水、防洪、排涝、灌溉以及通航, 会在河道的两侧堤防上, 建设阻水建筑物, 如闸阀、泵站等。但是, 有些闸站由于长期处于关闭的状态, 加之缺乏必要的运行维护, 导致闸站出现卡涩问题, 阻碍了河道的泄流, 降低河道调蓄能力。
有些西南地区为季风气候, 湿度较大, 闸站的运行调度工作也通常在汛期进行。为了能够确保在汛期, 河道的调蓄能力和排涝功能都可以得到良好的发挥, 必须要对闸站进行运行调度, 并定期进行日常维护, 加大维护投资, 从而提高闸站的运行水平、运行效率, 避免出现老化或腐蚀问题, 延长闸站的使用寿命, 使其能够在降雨期间充分发挥自身作用, 提供充足的调蓄容积和排涝功能。
5 结语
对于不同的城市, 由于存在地域特征上的差异, 其城市内涝的发生原因、治理措施、建设重点等也势必会存在很大的不同。而河道雨洪调蓄方法具有调蓄容积大、无需考虑投资、占地等优势, 面对城市的用地紧张、地下空间有限、建设成本昂贵等情况, 是能够有效保障城市排水安全, 且最为经济可行的内涝防治措施。
摘要：城市的内涝现象将会对城市的正常与转造成严重影响, 而该问题的出现主要原因在于城市建设速度的推进, 以及多种其他来自于自然和人为的不利因素。河道调蓄是一种能够有效改善城市内涝问题的、经济有效的手段, 本文即重点解析了该办法的应用, 以供参考。
关键词：城市内涝,防治,河道调蓄
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调蓄能力 篇4
英武调蓄水库位于甘肃省白银市景泰县英武村附近的大车路沟内, 正北面约1km处有省道201线通过, 工程对外交通便利。英武调蓄水库为一峡谷型注入式水库, 水源来自引大入秦工程东二干黑武分干渠渠水。该工程的主要任务是解决景泰县城居民生活用水问题, 水库总库容310.0万m3, 属Ⅳ等小 (1) 型工程。坝基、坝肩防渗帷幕总长1370m。2011年5月6日施工, 2011年7月13日完工。
二、帷幕灌浆施工
㈠灌浆孔的设计布置情况
英武调蓄水库帷幕灌浆全长1370m, 按设计要求在心墙轴线上布置帷幕灌浆孔, 为单排孔, 孔径8cm, 孔间距为2m, 分Ⅲ序施工, 灌浆后要求达到透水率q<5Lu。
㈡施工方法
1. 灌浆孔布置。
按设计要求在心墙轴线上布置帷幕灌浆孔, 为单排孔, 孔间距为2m, 孔位轴向偏差不得超过10cm, 分Ⅲ序施工。坝基孔深为9.3m, 分三段施工。第一段长度为2m, 第二段长度一般为4m, 第三段长度一般为3.3m, 遇断层、破碎带等地质条件复杂孔段, 视具体情况段长可适当的进行调整。坝肩孔深为3m, 全孔位施工。
2. 钻孔。
采用QB-1000型潜孔钻机钻孔。用测斜仪量测钻孔斜率, 每5m测量一次, 不足5m的钻孔, 终孔测量一次。帷幕灌浆孔要求孔斜率<1%。钻孔过程中, 发现孔斜超过要求时及时纠正或采取补救措施。
3. 钻孔冲洗、裂隙冲洗及压水试验。
⑴钻孔冲洗。灌浆段钻进结束后进行钻孔冲洗, 孔内沉淀厚度不超过20cm。⑵裂隙冲洗。灌浆前采用压力水进行裂隙冲洗, 直至回水清净时为止。冲洗压力为灌浆压力的80%, 最大为1MPa。钻孔冲洗结束并验收合格后, 接入灌浆器具。⑶压水试验。裂隙冲洗结束后, 先导孔自上而下分段进行压水试验, 采用五点法或单点法。其他各次序孔的各灌浆段在灌浆前进行单点法做压水试验, 压力为灌浆压力的80%。压水时间不小于20min, 每3m～5m测读一次压入流量, 以最终流量表读数作为计算流量, 稳定标准符合下列标准之一时, 即可结束。当流量大于5L/min, 连续4次读数其最大值与最小值之差小于最终值的10%;当流量小于5L/min, 连续4次读数其最大值与最小值之差小于最终值的20%;连续4次读数, 流量均小于0.5L/min。
4. 灌浆方法。
帷幕灌浆按分序加密原则进行。每排孔分为三序施工。采用自上而下循环式分段灌浆法。灌浆段自上而下分段:第一段长度为2m, 第二段长度一般为4m, 第三段长度一般为3.3m, 遇断层、破碎带等地质条件复杂孔段, 视具体情况段长可适当的进行调整。
帷幕灌浆采用自上而下分段卡塞法灌浆, 为避免浆液沉淀, 堵塞裂隙, 用0.6寸水管做射浆管, 射浆管距离孔底部不超过0.5m。
5. 灌浆材料。
灌浆材料按设计规定采用纯水泥浆, 坝基部位地下水由于具有硫酸根离子, 具有腐蚀性, 水泥选有52.5级高抗水泥, 坝肩部位水泥为42.5级普通硅酸盐水泥。
6. 灌浆设备和机具。
制浆设备为自制的高速搅拌机, 灌浆泵采用BW250型三缸往复式柱塞泵, 输浆管路采用高压胶管, 灌浆泵和灌浆回浆管处均安装压力表, 灌浆记录采用北京智能灌浆自动记录仪。
7. 灌浆压力。
灌浆压力和注入率控制, 灌浆压力和注入率是相互关联的两个重要参数, 在灌浆过程中根据具体情况采用以压力为主或以注入率为主的控制方法。⑴岩层结构完整、透水性较小时, 采用以压力为主的控制方法, 在较短的时间内达到设计压力, 直至结束。⑵岩层结构破碎、透水性较大时, 采用以注入率为主的控制方法, 注入率大时采用较低的灌浆压力, 并按规定进行浆液变换, 等到注入率逐渐减少时, 分级升压至设计压力, 直至结束。
8. 灌浆结束标准和封孔方法。
采用自上而下分段灌浆法时, 在规定的压力下, 当注入率小于1L/min时, 继续灌注60min, 结束灌浆。灌浆孔封孔采用“分段压力灌浆封孔法”。
三、灌浆试验结果分析
Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔的透水率、注入量能严格按照灌浆次序的增加而显著减少, 明显按序降低。灌浆试验中的先导孔采用五点法压水试验, 普通孔采用简易压水试验。从Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔压水试验结果比较, Ⅰ序孔最大透水率为179.52Lu, 最小透水率为6.17Lu, 平均透水率为29.9Lu;Ⅱ序孔最大透水率为53.04Lu, 最小透水率为6.28Lu, 平均透水率为21.53Lu;Ⅲ序孔最大透水率为43.54Lu, 最小透水率为3.73Lu, 平均透水率为16.51Lu。灌浆试验中的注入量随灌浆次序的不同, 注入量也不同。Ⅰ序孔最大注入量为1908.1kg, 最小注入量为40.8kg, 平均注入量为328.5kg;Ⅱ序孔最大注入量为236kg, 最小注入量为43.3kg, 平均注入量为122.8kg;Ⅲ序孔最大注入量为148.8kg, 最小注入量为28.2kg, 平均注入量为73.1kg。随着灌浆次序的增加, 注入量也逐渐降低。
从以上数据可以看出, 透水率与注入量密切相关。透水率随着灌浆次序孔的加密, 透水率由灌浆前Ⅰ序孔的29.9Lu, Ⅱ序孔的16.53Lu, Ⅲ序孔的16.51Lu, 降低到灌浆后检查孔的11.21Lu。
四、帷幕灌浆试验效果检查
帷幕灌浆孔全部结束后, 待凝14d布打检查孔, 检查孔布置原则, 一般布置在地质条件不良地段, 或布置在透水率大灌浆孔附近。具体布置在0+190、0+177、0+153、0+141。
帷幕灌浆质量主要由检查孔压水试验透水率来评定。本次帷幕灌浆质量合格标准为透水率小于5Lu。透水率最大为20Lu, 最小为2.95Lu, 平均为11.21Lu。由此表明, 按初定2m的孔间距时, 帷幕灌浆质量达不到设计要求。
后经业主、设计、监理方、施工单位现场共同做压水试验。在两灌浆孔的中间1m位置做压水试验, 在不同的位置布置了3个孔, 通过做压水试验, 有两个孔的透水率达不到设计要求。在距灌浆孔0.5m位置做压水试验, 在不同的位置布置了3个孔, 通过做压水试验, 透水率全部达到设计要求。
五、结语
调蓄能力 篇5
城市排涝工程考虑的是城市内的雨水承纳体及相应排涝设施 (水闸、泵站) 对雨水的调蓄及控制能力的大小。城市雨水承纳体多为具有一定调蓄能力的河湖、沟塘及低洼地。根据有关水文计算规范[1], 一般按最大24 h暴雨产生的雨水量并考虑调蓄作用, 以确定排涝工程的标准及规模。当处于汛期期间, 由于涝区的外江河水位一般高于地面, 涝区自流排涝机会很少, 这时需要抽排, 同时设计调蓄池以消减峰值流量, 在选定了当地的排涝设计标准后, 如何计算合理的排涝体系 (泵站抽排流量, 调蓄池容积) , 成为需要解决的问题。
1 暴雨过程线
城市汇水面积一般较小, 暴雨强度的空间变化可以忽略, 但时程变化则非常明显, 因而对洪峰流量及流量过程线都有显著影响。据测定, 在汇流历时内平均雨强相同的条件下, 雨峰在中部或后部的三角形雨型比均匀雨型的洪峰流量大30%以上[2,3]。而常用的小流域洪水计算推理公式采用均匀雨型, 与绝大多数降雨实际情况不符, 因而不能正确描述雨水汇流过程线, 也就不能正确计算雨水调蓄池的容积。
如何合理地确定汇水区设计暴雨雨型, 是计算与抽排泵站相配套的调蓄池容积的关键。推求降雨过程线 (暴雨雨型) 方法很多, 笔者认为芝加哥流量过程线模型较其他模型简单实用、容易操作[4], 仅需要汇水区的暴雨强度公式和排涝标准, 便可推求降雨过程线。一般从水文手册上查得设计涝区在某一重现期P下的暴雨雨量 (实际观测数据) , 与将该P值代入暴雨强度公式计算出的相同历时下的总雨量 (理论公式推算数据) 是不一样的, 往往前者比较小, 后者比较大。例如从水文手册查得湖北天门县20年一遇1 d降雨量为172.4 mm[5], 而采用天门县的暴雨强度公式计算, 相同重现期相同历时下的降雨量为266.1 mm, 比前者大50%多。两者数据不统一的主要原因是, 1 d降雨指时间连续并不表示降雨连续, 而公式推求则是考虑24 h连续降雨。笔者认为可以通过重现期和降雨量反算出等效降雨历时, 如上述天门县的20年一遇1 d降雨量为172.4 mm, 代入暴雨强度公式算得相应的降雨历时约9 h。故将1 d降雨量集中在9 h内, 既能符合暴雨强度公式, 又考虑了暴雨形成径流的最不利情况, 因为对于总量一定的长历时降雨, 连续降雨的机会和造成洪灾危害比断续降雨的大。
据岑国平等研究[4], 在连续一次降雨过程中单峰雨型占大部分, 双峰或者多峰雨型很少。由于单峰降雨的雨量集中, 易引起较大洪水, 对城市排水影响较大, 故应重点考虑单峰雨型。
确定了重现期和降雨历时后, 就可以利用芝加哥流量过程线模型推求降雨过程线 (设计暴雨雨型) , 其推求过程如下:
我国设计暴雨强度公式采用下式:
式中:q为平均暴雨强度, mm/min或L/ (s·hm2) ;A1为重现期为1 a的设计降雨的雨力;C为雨力变动参数;P为设计重现期, a;td为暴雨历时, min;b、c为常数。
从式 (1) 可见q是一定降雨历时内的平均雨深。由于A1、C、b、c为常数, 故设计重现期P和设计降雨历时td确定以后, 就可求得设计降雨强度q。
某一区域在给定重现期P下的暴雨强度可以简化为Horner公式:
其中iaw为平均暴雨强度, 其定义是
其中i (t) 为降雨强度随时间变化的曲线。将式 (2) 和式 (3) 合并:
对上式两边求微分:
式 (5) 是降雨平均强度为iaw的瞬时降雨过程线。研究表明该过程线的雨峰将出现在暴雨的开始阶段, 然后逐渐减小, 这与现实情况不相符合。为此, 需要对该雨量过程线进行修正, 使之在降雨历时的某一比例r处形成雨峰。设tb为峰前时间, ta为峰后时间, 则降雨历时为:
分别代入式 (5) , 有
或
式 (7) 即为芝加哥暴雨过程线模型。为确定峰值系数r, 一般可以根据当地降雨过程资料统计, 取多场降雨的平均值:
式中:tj为峰前历时;Tj为降雨总历时;m为所统计降雨场数。国内外大量资料表明, 大部分地区的r= 0.3～0.5, 因此缺乏资料时可近似取r=0.4。
以天门县20年一遇1 d降雨为例, 利用芝加哥暴雨模型进行降雨过程模拟。查得天门县暴雨强度公式为:
其中P=20, t=9小时, 峰值系数r=0.4, 以15 min为单位时间间隔, 模拟降雨过程线如图1。
传统推理法是假设降雨历时的各时刻是等雨强的, 其降雨过程线将是平均降雨强度为19.15 mm/h的水平线。可见图1的峰值雨强 (299 mm/h) 是平均雨强的15.65倍, 这就是造成相同降雨总量、相同降雨历时却不同洪峰流量的主要原因 (另有汇流、调蓄等其他因素的影响) 。
2 径流模型
我国现行的推理公式算法在推导地面雨水产汇流过程线时, 有不少简化的假定都与实际情况相差较大, 例如恒定降雨 (均匀雨强) 假设, 将流域按等流时线划分的假设, 汇水面积随着降雨历时的增加而线性增加的假设, 降雨历时等于或者大于汇水面积最远点的雨水到达设计断面的集水时间的假设, 水流状态为恒定均匀流的假设, 径流系数采用综合值等。
美国环境保护局的雨洪管理模型 (SWMM) 是一个综合性的数学模型, 可以模拟完整的城市降雨径流过程, 包括地面径流和排水系统中的水流和雨洪调蓄过程, 可以显示系统内和受纳水体中各点的水流和水质状况。通过计算机模拟, 可以对水动力学进行修正, 考虑连续性的影响, 考虑暴雨强度变化对流域汇水时间的影响, 考虑非恒定非均匀流态, 考虑汇流地域透水区和不透水区情况, 考虑排水管网不同组件之间以及管网水流与受纳水体之间的交互作用。对模拟对象进行时序上连续性模拟, 可以得到更加符合实际的设计数据, 进而实现系统运行性能的优化管理控制[6,7]。
SWMM径流模拟软件由5个模块组成。4个计算模块分别为径流模块, 输送模块, 扩充输送模块和储存/处理, 可以对地面径流、排水管网及污水处理单元等的水量水质进行动态模拟。1个服务模块的主要功能是进行一些计算后的处理, 如统计、绘图等。
使用 SWMM进行模拟的基础工作包括输入降雨时间序列、管网概化、提取各个子流域的土地利用信息和模型参数确定等四个部分。降雨时间序列输入模拟的降雨过程;管网概化过程提取城市雨污水管网的空间分布特征和管道的长度、流向、管径等属性数据, 为Transport模块提供计算依据;各子流域的土地利用信息的提取可为Runoff模块提供计算依据;而模型参数的确定是模拟结果真实有效的必需步骤。将各个模块的参数和数据输入完毕后, 即可对其进行模拟计算。
例如, 对天门县某一汇水区域20年一遇的1 d降雨进行排涝模拟计算, 已知该汇水区域总汇水面积为445.2 hm2, 枯水季节雨水自流排入南干渠, 洪水季节由于外河水位高于涝区路面, 只能通过泵站提排入南干渠) 。汇水区域和雨水管网如图2所示。
SWMM模型软件人机界面友好, 可操作性强。通过输入降雨过程线、流域地面参数和排水管道系统布置图, 可分别得到图1芝加哥模型非均匀雨强降雨过程模拟的和推流公式均匀雨强降雨过程模拟的出口断面的流量过程线, 如图2、图3所示。
3 调蓄容积
工程设计中采用规范提供的排涝模数公式来计算涝区单位面积泵站抽排量, 进而得出涝区抽排泵站的总抽排量, 为了便于计算与比较, 本例采用排涝模数公式确定设计排涝历时下的抽排量, 然后利用SWMM模拟的出口流量过程线计算得出相应的调蓄池容积, 如表1, 表2。由于抽排泵站抽排量是一定的, 且其值等于该涝区的排涝模数与涝区面积乘积, 我们只需将涝区平均抽排流量算出后, 从出口流量过程曲线上得到曲线值大于该抽排流量部分的面积, 换算成容积单位即是所需要调蓄容积。
由表中数据可知, 不同的雨型对于调蓄池容积大小的影响是很大的, 主要是因为峰值流量的大小和超过排涝泵站的抽排量的涝水持续时间的长短不一样, 该案例中在降雨1 d排完情况下, 两者相差70 000个m3。对于在降雨半日排完的情况下, 抽排泵站的装机容量对均匀雨强是满足排涝要求的, 但在实际情况下可能还需要增设44 784 m3的雨水调蓄池才能满足排涝要求。
4 结 语
(1) 在确定设计雨型时, 当设计涝区有足够的暴雨过程资料时, 可以利用频率法进行同倍比缩放得到典型的该地区的暴雨过程线;当无资料时, 可以利用水文手册的涝区设计标准下的总降雨量, 结合涝区暴雨强度公式, 反算出等效的降雨历时, 然后利用芝加哥过程线法对其进行降雨时程分配, 模拟出设计标准下的降雨过程线。
(2) 利用SWMM模型模拟涝区出口流量过程线, 不仅可以校核雨水管道是否满足水力要求, 而且还可以合理地确定设计排涝标准下配套的调蓄池容积, 文中只考虑了雨水需要全部抽排的情况, 但其他情况也可作同样处理。
(3) 实际雨水径流情况是复杂的, 传统推理算法将其简化, 没有考虑降雨的时程分配、雨型、雨峰等对地面径流的影响, 造成较大的计算偏差。而利用计算机模拟, 可以考虑更多实际因素, 如下垫面情况、地下水参与径流、渗透、回水、倒灌、压力流、甚至雨水蒸发等的影响, 这无疑将更合理高效地为工程设计提供更可靠更准确的依据, 确保设计的安全性。而且运用计算机模拟计算, 可以在提高工作效率和满足设计合理性两个方面都取得良好效果。
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调蓄能力 篇6
关键词：调蓄水塘,运行,管理
一、工程基本情况
引大灌区调蓄水塘工程建设始于2006年, 截止2011年12月已建成各类 (容量500m3~80000m3) 水塘1146座, 容量348.6万m3, 完成投资6875.8万元, 水塘调蓄工程的建设, 初步形成了以水塘为水源设施农业产业发展集群, 主要有上川镇万亩枸杞生产基地、秦川镇保家窑村万头猪生产养殖基地、胜利村野鸡养殖基地、六墩村2000亩露地蔬菜生产基地、中川镇兔墩村千亩红堤葡萄生产示范基地、元山村5000亩露地蔬菜生产示范基地。三镇共发展日光温室8000多亩, 种植玫瑰、旱酥犁、大接杏、苹果等林果业4300多亩。水塘工程的建设利用弃砂坑2728.9亩, 形成水面面积2183亩, 既提高土地利用率又改善周边小气候, 经济、社会、生态效益十分显著。调蓄水塘工程建设涉及引大秦王川主灌区三镇、52个自然行政村, 点多面广, 管理难度大。工程建设为引大灌区增强农业后劲, 实现农业综合开发, 灌区农业种植结构调整, 缓解灌区农业发展长年需水需求矛盾起到了不可替代的作用, 但要水塘发挥长效, 需进一步规范管理、探索研究。
二、水塘调蓄工程管理现状
2006年引大灌区水塘工程建设由灌区群众自发兴建, 灌区农户利用承包地周边废弃砂坑改造成小型调蓄水塘, 发展日光温室和露地蔬菜种植, 水塘建设规模小、容量小, 标准低, 质量无保证, 无统一的设计和建设标准。2007年为满足灌区群众种植各种经济作物发展种植、养殖业调整农业种植结构的需求, 解决引大工程季节性供水与灌区设施农业发展常年需水的矛盾。永登县引大灌区田间工程建设管理处在灌区深入调研的基础上, 向省、市水利主管部门申请立项, 在灌区建设调蓄水塘工程, 争取省、市水利补助资金与受益群众自筹投工投劳的方式, 进行水塘建设。2009年灌区水塘调蓄工程建设列入中央财政小农水重点建设项目序列, 2011年全面完成工程任务。
目前水塘的管理运行主要是农户自筹投工投劳和国家补助建设完成的水塘, 由农户自建、自管、自用和全额国家补助资金投资建设的水塘由用水合作组管理使用两种方式。
现行水塘管理方式, 虽然明确了水塘的管理主体、水塘管理权和使用权, 但不利于水塘效益最大化和长期发挥效益。一是由于灌区已建的1146座水塘产权尚未明晰, 1111座是由单个农户投工和国家补助资金完成的由农户管理作用, 国补资金完成的仅35座由用水合作组织统一管理使用, 农户兴建的水塘周边承包地大多数有二三亩, 水塘富余水量大, 而周边其它农户又无水塘, 其它农户用水由水塘业主自行确定水价 (灌区尚未确定水塘用水统一的水价政策) , 水价的不合理, 制约了水塘效益的发挥。二是水塘受自然因素和人为因素的损毁, 修复无资金保障;三是水塘用途改变, 个别水塘由水塘业主用于建筑洗砂生产, 只顾眼前利益, 在灌区耕地内采砂, 既毁坏农田, 又破坏了周边生态环境, 直接影响灌区可持续发展。
三、水塘管理措施和办法
㈠建立水塘工程长效运行管理机制 坚持责、权、利相统一, 实行“谁投资、谁所有、谁受益、谁负担”的原则, 建立县、镇、村或用水合作组织, 农户“四位一体”的管护运行机制。县水利主管部门作为水塘工程建设主体, 对已建水塘要建档立卡, 确定年度巡检和考评考核制度, 及时发现工程运行隐患, 制定修复方案, 并筹措一定的资金作为水塘运行维修基金, 检查工程维修质量, 审核工程维修资金使用, 镇政府负责协调各方面关系解决水事纠纷, 严厉打击各种破坏工程设施, 坚决纠正杜绝改变水塘使用用途, 干扰正常水塘运行的行为, 确保水塘工程正常有序运行, 发挥效益。受益村政府或用水合作组织, 对已建水塘全面进行管理, 要实行计划用水, 节约用水, 在有富余水量的水塘周边引导、支持、鼓励农户大力发展设施农业, 调剂用水余缺, 壮大集体经济, 并通过“一事一议”的方式解决部分水塘进行管护费用。农户做为水塘业主。全面负责水塘安全管护、运行。
㈡明晰产权、落实管护责任 根据国家小农水管理体制改革要求, 永登县小型农田水利工程现状和特点, 尽快制定出台永登县小型农田水利工程管理体制改革方案, 明晰产权, 落实管护责任, 发放水塘产权使用证, 充分调动灌区群众的积极性, 确保水塘效益最大限度发挥。
确立农户自建的水塘设施, 实行“自建自有、自用自管”的管理办法, 其产权归个人所有;农户投工投劳筹资与国家补助部分资金共同建成的水塘, 农户投资部分产权属农户所有, 国家投资部分归项目法人单位所有, 项目法人单位与农户签订水塘管理运行合同, 由农户管理使用;受益农户较多的水塘, 产权归用水合作组织所有, 由用水合作组织管理使用;全部由政府投资建成的水塘, 产权归项目法人单位所有, 由项目法人单位负责, 采用承包、租赁、拍卖或股份合作等方式进行经营管理。
㈢确定水塘用水水价 根据现行引大灌区灌溉水价, 由灌区水务主管部门和乡镇, 在充分调研、征求各方面意见和建议的基础上, 确定水塘用水水价, 并报经物价部门批准, 做到水塘用水收费合理、合法, 保障农用权益。
㈣划定水塘保护范围, 确保水塘工程设施安全运行 根据《水法》和国家相关小型农田水利工程设施保护范围的界定和要求, 尽快划定水塘设施的保护范围, 明确管护范围和责任, 坚持制止擅自改变水塘用途, 依法规追究损坏水塘设施的行为。
㈤加强日常管护, 确保水塘发挥长效 水塘受益乡镇水管单位要确定专人, 负责水塘管理的检查、监督, 要定期不定期组织相关人员对辖区的水塘全面进行检查, 发现问题及时处理。
四、建议
调蓄能力 篇7
关键词：调蓄池,结构施工,基坑围护,土体加固,基坑降水,开挖支撑
1 工程概况
上海苏州河沿岸市政泵站雨天排江量削减工程主要包括雨水排放口、万航渡后路改建、调蓄池和泵站主体结构等。调蓄池位于新改建万航渡后路以南,江苏北路以西。调蓄池为全地下式池体,基坑长48.7 m,宽36.7 m,调蓄池底板底标高为-11.50 m,顶板面标高为2.60 m;调蓄池集水井位于主体结构西南角,底板底标高为-13.5 m。
基坑施工范围内分布的地下管线有:准300 mm、准600 mm雨水管道,电力电缆,准300 mm上水铸铁管道,3孔上话通信电缆及需废除的江苏路泵站进水闸门井准1 650 mm雨水管。在基坑北侧万航渡后路上,还有大量新排管线需保护。
2 工程地质
根据《岩土工程详细勘察报告》,本工程的地质土层特性见表1。
根据地质勘探资料,本场地的地下水类型可分为施工区域浅部地下潜水含水层和第(7)层承压含水层2类。潜水的地下水位主要受降雨、潮汐、地表水等影响而变化,年平均地下水位深度一般在-1.0~-1.25 m,承压含水层主要由第(7)层黄色粉砂层构成,为上海地区第1承压含水层,根据现场承压水测试试验,测得承压水水位埋深为-7.26 m。
3 调蓄池基坑施工
3.1 基坑围护结构
1)围护采用φ1000 mm SMW工法水泥搅拌桩,桩心距为750 mm,密插850 mm×300 mm×14 mm×25 mm H型钢;桩底标高为-26.9 m,内插H型钢底标高为-26.4 m;集水井位置的水泥搅拌桩底标高为-26.9 m,H型钢底标高为-26.4 m。
2)在基坑φ1000 mm SMW工法水泥搅拌桩外侧采用φ650 mm水泥搅拌桩作为止水帷幕,桩底标高为-16.0 m,桩心距为450 mm。
在基坑主体围护西北角止水帷幕φ650mm水泥搅拌桩施工时,遇到地下障碍物,2幅桩未达到设计深度(18.8 m),仅施工深至9.7 m(桩底标高为-6.9 m)。为防止围护体出现渗水、渗泥现象,对9.7 m深度以上土体采用高压旋喷桩加固;并在基坑围护体内侧增加钢板内衬,即在工法桩H型钢之间采用10 mm厚钢板分层封堵,下端插入开挖面以下50 cm,且在每块钢板上布置φ15 mm引流管及注浆孔,注入水泥浆和聚氨酯等,以防止渗漏。
3)使用三轴搅拌桩机及跳槽式双孔全套复搅式进行φ1000 mm SMW工法水泥搅拌桩施工,采用一喷一搅工艺。喷浆搅拌时,钻头的下沉速度为0.5~1.0 m/min,提升速度为1.0~2.0 m/min。
4)调蓄池围护结构水泥搅拌桩以万航渡路为界,分3个区域施工:
(1)先在万航渡路南侧区域进行φ1000 mmSMW工法围护结构施工,周长69.7 m;φ650 mm水泥搅拌桩止水帷幕已在DN1600玻璃钢夹砂管的施工阶段中完成。
(2)万航渡路北侧区域进行φ1000 mmSMW工法围护结构施工,周长75.7 m;φ650 mm水泥搅拌桩止水帷幕施工,周长85.7 m。
(3)原万航渡路及φ1650 mm雨水管废除区域进行φ1000 mmSMW工法围护结构施工,周长32.6 m;φ650 mm水泥搅拌桩止水帷幕施工,周长32.6 m。
3.2 基坑加固
在基坑围护施工完成后,坑底采用高压旋喷桩进行加固。加固区域为基坑及其周边5 m宽度范围,深4.5 m。高压旋喷桩桩径为1 200 mm,相邻桩搭接≥200 mm,桩间距1 000 mm,排间距930 mm,梅花形布孔。加固28 d后,无侧限抗压强度≥1.2 MPa。在围护墙与加固体间坑底进行压密注浆。
3.3 基坑降水
1)通过基坑底板稳定性验算,即使基坑开挖至设计底板深度-11.5 m、-13.5 m处,基坑底板下覆土重量仍能够抵抗承压水的顶托力,故无需进行承压水降水。
2)基坑开挖面积为1 788 m2。因坑内有720 m2采用三轴搅拌桩加固,加固深度为-1.30~-15.80 m,故拟定基坑内共布置6口降水井(井号为J1~J6),降水井井深为20 m。
3)在基坑底板混凝土浇筑完成后到池顶尚未覆土前,因施工要求,必须割除深井降水井点,并需采取有效的泄水措施,使坑内地下水水头标高不高于基坑底板下1 m。故在基坑底板上设置5个泄水孔((2)、(3)轴之间布置2只,(7)、(8)轴之间布置2只,底板中部设1只),采用φ400 mm×φ10 mm钢管预埋在底板;钢管中部设止水片,止水片为厚6 mm、宽100 mm的钢板。
3.4 基坑开挖及支撑
1)在基坑开挖前,先布置好测量网点,放出各轴线位置及地面标高,以保证支撑的及时安装和控制挖土标高。
2)由于施工现场场地狭小,无法形成环通的交通便道,故在基坑工程第6轴线上布置施工栈桥,作为挖掘机和土方车辆通行要道。施工栈桥顶面标高为+3.90 m,施工栈桥桥面宽度设计为6 m,由10根钢格构柱(490 mm×490 mm)作为承重柱(在钻孔灌注桩施工时已安装就绪)。
3)基坑支撑体系采用钢筋混凝土支撑与钢支撑相结合,共设4道。第1、3道为钢筋混凝土支撑,第2、4道为钢支撑。为了提高支撑体系的稳定性,采用双榀700 mm×300 mm H型钢进行拼接,型钢端面采用钢板满焊连接,并且在每根支撑处设置钢板加固肋板,肋板中间空隙采用细石混凝土填充。
4)基坑采用盆式开挖,利用“时空效应”随挖随撑。开挖时必须分段、分区、分层对称进行。基坑第1层土体开挖,标高+3.60 m~+2.90 m;浇筑第1道钢筋混凝土支撑,中心标高为+2.20 m。第2层土体开挖,标高+2.90 m~-1.05 m;安装第2道钢支撑,中心标高为-1.70 m。第3层土体开挖,标高-1.05 m~-6.30 m;浇筑第3道钢筋混凝土支撑时,中心标高为-5.90 m。第4层土体开挖,标高-6.30 m~-8.50 m;安装第4道钢支撑,中心标高为-9.10 m。第5层土体开挖,标高-8.50 m~-11.20 m。
5)基坑土体每层开挖分为3个区域。先在6轴到9轴之间开挖,再在3轴到6轴之间开挖,最后在1轴到3轴之间开挖。基坑边上留一定宽度的土体作为挡体,按1∶1比例放坡开挖。为了保证不破坏基坑原状土,基坑底的30 cm厚土体采用人工开挖。
基坑支撑及加固剖面图见图1。
4 调蓄池主体结构施工
4.1 底板混凝土施工
1)底板混凝土浇筑前,基坑内布置30根钢格构柱,在钢格构柱上设置100 mm×100 mm×8 mm钢板止水片。
2)在底板中间设置2 m宽的十字形加强带(混凝土掺防渗微膨胀型外加剂),用钢丝网将其与周围的混凝土隔离。
3)底板混凝土浇筑水平方向以加强带为界,分为4个区域浇筑、一次性完成浇捣。
4.2 侧墙及框架结构混凝土施工
1)调蓄池墙身、框架结构及泵站结构一起制作,混凝土浇筑至顶板。
2)本工程第4道钢支撑底标高为-9.45 m,底板面标高为-10.5 m,净空为1.05 m。底板混凝土浇筑时,墙体浇筑高度控制在50 cm,施工缝标高为-10.00 m。
3)墙身、内部结构及顶板分4次浇筑。每道施工缝的标高分别为-7.65 m、-6.60 m、-2.40 m、+1.00 m。
(1)第1次墙身混凝土浇筑标高为-10.5~-7.65 m。混凝土浇筑完成后,根据现场混凝土试块养护强度到设计强度70%时,进行支撑换撑工序。在换撑前先将墙身与围护体之间空隙采用中粗砂回填密实。
(2)拆模、填砂后再进行底层框架结构混凝土浇筑。换撑混凝土与框架梁混凝土一次浇筑。然后,凿除第3道混凝土支撑。
(3)第2次施工墙身及框架结构,包括泵站墙身结构,混凝土浇筑标高为-6.60~-2.40 m。第2次墙身及框架结构混凝土浇筑完成后,根据现场混凝土试块养护强度到设计强度80%时,进行支撑换撑工序。在换撑前,先将墙身与围护体之间空隙采用中粗砂回填密实,再浇筑换撑混凝土。最后拆除第2道钢支撑。
(4)调蓄池墙身第3次施工包括框架结构、泵站墙身结构,浇筑标高为-2.40~+1.00 m。混凝土浇筑完成后,根据现场混凝土试块养护强度到设计强度70%时,进行换撑施工。在换撑前,先将墙身与围护体之间空隙采用中粗砂回填密实。然后,凿除第1道混凝土支撑。
(5)在凿除第1道混凝土支撑后,浇筑顶板混凝土,标高+1.00 m~+2.60 m。
4.3 集水井施工
集水井位于基坑西南角,西侧与江苏路泵站相距3.8 m,南侧与华联创意广场相距7 m。
为保证基坑土体开挖过程中围护体不产生突变,需在江苏路调蓄池素混凝土垫层浇筑后,再开挖集水井的土体。
集水井设计底板底标高-13.5 m,开挖深度为2 m。在其四周增设1道C25钢筋混凝土加强圈梁,圈梁东西侧长8.76 m,南北侧长7.35 m。圈梁尺寸为1 550 mm×500 mm,主筋为5φ25 mm,网架主筋为7φ12 mm,箍筋为φ10@100 mm。在集水井东侧圈梁中内插2根6 m长的H型钢(500 mm×300 mm×11 mm×18 mm)。
5 周边环境保护
1)施工时,在基坑北侧规划红线的3.3 m处,打设了1排φ650 mm水泥搅拌桩,桩顶标高为+2.90 m,桩底标高为-14.50 m。隔桩内插500 mm×300 mm H型钢,型钢顶标高为+3.4 m。加固区周长42.95 m。此加固区北侧边线离最近的煤气管线中线约30 cm。为保证水泥搅拌桩的整体受力情况,在标高+2.3 m顶部设1道0.9 m×0.6 m的围檩。
2)基坑西侧与江苏路泵站裙房相距3.8 m。为保护泵站裙房,在其外墙线1 m处打设1排φ600 mm的钻孔灌注桩,共36根,桩中心距为700 mm,桩与桩之间间隔为100 mm。由于集水井位置的开挖深度为17.1 m,故此处9根钻孔灌注桩桩长为19.80 m,桩底标高为-16.50 m,桩顶标高为+3.30 m;其余27根钻孔灌注桩桩长为17.80 m,桩底标高为-14.50 m,桩顶标高为+3.30 m。
3)在江苏路泵站裙房、基坑围护体与钻孔灌注桩之间布置2排40只压密注浆孔,孔距1.2 m。为保证压密注浆的效果,压密注浆孔深度为14 m,桩底标高为-10.7 m,桩顶标高为+3.3 m。
4)因深基坑开挖产生土体扰动,为减少位于基坑西侧的新建雨水排放口结构基础向深基坑方向挤压,故需对雨水排放口结构以南的深基坑外侧进行加固。在新建基坑西侧设置长8.5 m的φ650 mm水泥搅拌桩,桩顶标高为+3.4 m,桩底标高为-16.0 m。
6 结语
1)本工程周边环境比较复杂,针对万航渡后路上的地下管线、江苏路泵站裙房、新建雨水排放口等构筑物,分别采用水泥搅拌桩、钻孔灌注桩、压密注浆等方法进行保护,取得了良好的效果。
2)基坑内采用高压旋喷桩进行加固,围护结构与加固体间进行压密注浆,提高了基坑土体抗力,稳定下卧土层,改善了支撑受力条件,有效地防止围护结构产生过量水平变形。
3)通过基坑底板稳定性验算,本工程基坑开挖不需设降压井,并根据基坑内土体加固情况,合理设置降水疏干井的数量和位置,有效地降低了工程施工成本。
4)基坑土体进行分层、分区域开挖,减少了围护结构无支撑的暴露时间,确保了基坑开挖过程中的施工安全。
5)主体结构墙身混凝土浇筑时,在结构墙身的外圈梁上表面设置混凝土施工缝,以便换撑施工。
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