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河床砂卵石介质渗透特性的试验研究及应用

作　者: 张明斌
导　师: 樊贵盛
学　校: 太原理工大学
专　业: 环境工程
关键词: 砂卵石介质渗透系数粒径特征参数预报模型人工滤床
分类号: TV139.1
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

黄河取水含沙量高是影响区域地表水资源开发利用的一个难题,而采用人工滤床配合渗渠进行取水,可通过人为调节同时满足取水中质和量两方面的需求,是一种很有推广和应用前景的取水手段,在该技术中如何合理地确定滤床的过滤体型式和结构是取水成败的关键。文章试图从柳林县黄河滩地原状砂卵石介质的室内大尺度物理模型试验出发,通过分析不同形状和尺度漂石对砂卵石介质渗透能力的影响,构建漂石存在条件下砂卵石介质的渗透模型；然后基于不同级配砂卵石介质的渗透系数试验,从特征粒径指标的角度分析了影响渗透系数的因素及规律,建立了用特征粒径参数预测渗透系数的线性和非线性预报模型；最后对不同砂卵石组合型式对高含沙水的过滤效果进行试验分析,提出了黄河滩地人工滤床推荐的过滤层和支撑层结构,其研究成果可以为山西省乃至全国傍河取高含沙水的滤床工程建设提供技术参考。论文研究取得的主要成果包括：(1)漂石存在对砂卵石介质渗流特性影响的临界点为0.177,当渗流水力梯度大于该值后,影响效果越来越显著,反之则基本无影响；漂石的形状、截面积和体积均会对砂卵石介质的渗透系数产生不同的影响,过流界面越粗糙,或截面积越大,或体积越大时,产生的渗流阻力越大,渗流速度就越小;而在漂石存在条件下砂卵石介质的渗流模型可用二次多项式来描述。(2)单一粒级组的砂卵石介质,随着粒径的减小其渗透系数逐渐降低,而它受压力水头的影响也越来越小；不同级配组合的砂卵石介质,其渗透系数的变化跟介质的特征粒径参数有关,即有效粒径、限制粒径、不均匀系数和曲率系数,而只有在其他参数给定范围的情况下,才能确定渗透系数随某一个参数的变化规律；最后,通过试验研究筛选出渗透性能最优的砂卵石颗粒级配和结构。(3)通过对大量不同级配砂卵石介质渗透系数的试验数据进行研究,发现可以用特征粒径参数对渗透系数进行预测预报；然后构建了以限制粒径、有效粒径、不均匀系数和曲率系数为自变量的多元线性和非线性回归模型,模型预测值与实测值平均相对误差分别为12.4%和26.2%,说明多元线性回归模型的预测精度较高。(4)在砂卵石介质人工滤床过滤体的技术参数试验中发现,采用0.25～1.Omm细颗粒介质与土工布复合覆盖层作为主过滤层、等粒径介质分层填筑作为支撑层,其水质和水量均能满足取水要求,且又便于淤泥的机械清除和清洗,阻泥、保渗、清洗效果都很好,是一种值得推荐的过滤型式。论文的研究中在漂石对砂卵石介质渗流影响分析、利用特征粒径参数预报渗透系数及黄河滩地人工滤床的过滤体型式等方面有所创新。研究提出的人工滤床过滤取水方式可以更便捷的利用黄河高含沙水,是缓解区域水资源供需矛盾的一种新的有效途径。而研究的主要成果都在试验室内取得的,其在工程中的实用性及模型预测的精度等方面需在以后的实践中进一步完善和提高。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
第一章引言  11-25
  1.1 概述  11-12
    1.1.1 问题的提出  11-12
    1.1.2 研究意义  12
  1.2 饱和多孔介质渗透特性的国内外研究动态  12-20
    1.2.1 饱和多孔介质的渗透机理的研究动态  12-14
    1.2.2 饱和多孔介质的渗透模型的研究进展  14-18
    1.2.3 特殊饱和多孔介质的渗透特性的研究进展  18-19
    1.2.4 饱和多孔介质的渗透特性的研究趋势  19-20
  1.3 黄河取水方式的研究进展  20-21
  1.4 论文的研究内容  21-22
  1.5 研究的技术路线  22-25
第二章试验条件与方案  25-43
  2.1 河床漂石-砂卵石介质  25-27
    2.1.1 供试河床漂石-砂卵石介质概述  25-26
    2.1.2 河床漂石-砂卵石介质质地  26
    2.1.3 河床漂石-砂卵石介质结构  26-27
  2.2 试验方案  27-37
    2.2.1 试验总体设计  27-28
    2.2.2 自然河床漂石——砂卵石介质渗透特性试验方案  28-29
    2.2.3 无特细颗粒河床漂石——砂卵石介质渗透特性试验方案  29
    2.2.4 漂石对砂卵石介质渗透特性影响的试验方案  29-31
    2.2.5 淤泥对砂卵石介质渗透特性影响的试验方案  31
    2.2.6 砂卵石介质最优渗透系数配比的试验方案  31-32
    2.2.7 人工滤床最佳剖面组合试验方案  32-35
    2.2.8 人工滤床淤积层冲洗技术的试验方案  35-37
  2.3 试验仪器  37-39
    2.3.1 漂石和砂卵石渗流试验装置  37-39
    2.3.2 其它仪器设备  39
  2.4 试验方法  39-43
    2.4.1 试验过程  39-40
    2.4.2 渗流水力梯度测定方法  40-41
    2.4.3 渗透系数测定方法  41
    2.4.4 给水度测定方法  41
    2.4.5 浊度测定方法  41-43
第三章河床漂石对砂卵石介质渗透特性的影响  43-57
  3.1 河床漂石形状对砂卵石介质渗透性的影响  43-50
    3.1.1 球体漂石对砂卵石介质渗透性的影响  43-46
    3.1.2 柱体漂石对砂卵石介质渗透性的影响  46-48
    3.1.3 板砖漂石对砂卵石介质渗透性的影响  48-49
    3.1.4 多形状漂石共存条件下砂卵石介质渗透特性  49-50
  3.2 河床漂石尺度对砂卵石介质渗透性的影响  50-54
    3.2.1 渗透系数与漂石截面面积比的关系  50-51
    3.2.2 渗透系数与漂石体积间的关系  51-52
    3.2.3 水力梯度与漂石截面面积的关系  52-53
    3.2.4 水力梯度与漂石体积的关系  53-54
  3.3 河床漂石存在条件下的渗流模型  54
  3.4 小结  54-57
第四章层状砂卵石介质剖面结构条件下的渗流特性  57-85
  4.1 单一粒级组砂卵石介质剖面结构条件下的渗流特性  57-64
    4.1.1 各粒级组砂卵石介质在不同水头情况下的渗透系数  58-60
    4.1.2 不同水头下砂卵石介质粒径与渗透系数之间的关系  60-62
    4.1.3 层状砂卵石介质整体的渗透系数之间的关系  62-64
  4.2 最佳单一粒级组颗粒砂卵石介质剖面结构的筛选  64-72
  4.3 不同级配砂卵石介质剖面结构条件下的渗流特性  72-77
    4.3.1 砂卵石介质限制粒径与渗透系数之间的关系  72-73
    4.3.2 砂卵石介质有效粒径与渗透系数之间的关系  73-74
    4.3.3 砂卵石介质不均匀系数与渗透系数之间的关系  74-75
    4.3.4 砂卵石介质曲率系数与渗透系数之间的关系  75-77
  4.4 最佳渗透性能砂卵石介质配比的筛选  77-82
  4.5 小结  82-85
第五章砂卵石介质渗透系数的预报模型  85-91
  5.1 饱和砂卵石介质渗透系数线性预报模型  85-88
    5.1.1 模型结构  85
    5.1.2 模型变量  85-86
    5.1.3 模型参数估计  86-87
    5.1.4 预报方法与实例  87-88
  5.2 饱和砂卵石介质渗透系数非线性预报模型  88-90
    5.2.1 非线性模型结构  88
    5.2.2 模型变量  88
    5.2.3 模型参数估计  88-89
    5.2.4 预报方法与实例  89-90
  5.3 小结  90-91
第六章高含沙黄河水人工滤床最佳滤料及结构  91-111
  6.1 人工滤床过滤水水质和流量概述  91-97
    6.1.1 人工滤床过滤水水质  91-93
    6.1.2 人工滤床过滤水流量  93-97
  6.2 主滤层技术参数  97-107
    6.2.1 无砂混凝土板拦泥过滤层技术参数试验与分析  98-100
    6.2.2 细颗粒介质与土工布复合覆盖层拦泥过滤层技术参数试验与分析  100-106
    6.2.3 大粒径卵石覆盖层拦泥过滤层技术参数试验与分析  106-107
  6.3 支撑层技术参数  107-108
  6.4 集水层结构  108-109
  6.5 小结  109-111
第七章河滩漂石--砂卵石介质自然与人工结合滤床结构  111-115
  7.1 供水系统  111-112
  7.2 清水收集系统  112-113
  7.3 人工滤床反冲洗技术  113-114
  7.4 其它技术问题  114
  7.5 小结  114-115
第八章结论与建议  115-121
  8.1 研究结论  115-118
  8.2 创新点  118
  8.3 研究展望  118-121
参考文献  121-129
致谢  129-131
博士期间所获得的成果  131

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