CN111254880A - 一种平原水库水平防渗层膜下水气分离式外排综合系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种平原水库水平防渗层膜下水气分离式外排综合系统，包括膜下集水集气系统、库内坝脚水气分离系统和坝址排水排气系统，所述的膜下集水集气系统从库内中心向外侧倾斜设置，膜下集水集气系统包括交错分布的集水通道和集气通道；所述的库内坝脚水气分离系统包括沿着坝内脚线设置的蓄气通道和蓄水通道，蓄气通道与集气通道连接，蓄水通道和集水通道连接。本发明结构设计合理，优化了膜下排水排气的方案，使得膜下的气/水通过“集、蓄、排”系统实现分离式排出，解决了平原水库膜下排气砂沟积水影响孔隙气体外排、逆止阀失效无法排气和逆止阀破坏土工膜水平防渗层完整性等诸多难题。

Description

一种平原水库水平防渗层膜下水气分离式外排综合系统

技术领域

本发明属于水气排出系统技术领域，具体地说是一种平原水库水平防渗层膜下水气分离式外排综合系统。

背景技术

在建设平原水库时，当库区没有不透水地层或因不透水层深而难以完全垂直截渗时，往往采用整个库底进行水平防渗的方案，即库盘防渗方案；库盘防渗材料常采用土工膜或复合土工膜。而当库盘面积较大、地下水位埋深适中时，由于库区地下水位升高、土工膜缺陷渗漏等原因，使得膜下非饱和土体中的气体集聚、上升，在膜下形成有压气体而使土工膜产生鼓胀变形，压力过大甚至会出现气爆等破坏，进一步加剧渗漏，影响水库防渗安全。

目前，一般是通过在膜下布置排气砂沟和逆止阀来排出膜下孔隙气体，以防治气胀问题。现场观测和试验研究表明：一方面渗漏水进入膜下砂层后，原设有的排气砂沟不仅是排气通道，还是地下水聚集的场所，渗漏水侵占排气砂沟，产生水阻，渗漏水体封闭气体空间使之难以排出。另一方面水下易产生泥沙颗粒堵塞和生物堵塞，降低了逆止阀使用寿命，并可能导致逆止阀失效；另外逆止阀维修困难，还破坏了水库水平防渗层的完整性等。

另外，通过我们多年的研究发现，平原水库水平防渗层膜下孔隙气体聚集鼓胀的现象较为复杂，不单纯仅是孔隙气体的问题，也存在孔隙气、孔隙水混合体，以往仅从排气的角度解决平原水库水平防渗层膜下气胀的问题是不全面的。为此，提出了平原水库水平防渗层膜下水、气统筹处理的科学方案，并研发了平原水库水平防渗膜下水气分离式外排综合系统。

发明内容

本发明提供一种平原水库水平防渗层膜下水气分离式外排综合系统，用以解决膜下水气通路不顺畅的问题，达到有效排出膜下水气、减小膜下气压和保证防渗系统稳定运行的有益效果。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种平原水库水平防渗层膜下水气分离式外排综合系统，包括膜下集水集气系统、库内坝脚水气分离系统和坝址排水排气系统，所述的膜下集水集气系统从库内中心向外侧倾斜设置，膜下集水集气系统包括交错分布的集水通道和集气通道；所述的库内坝脚水气分离系统包括沿着坝内脚线设置的蓄气通道和蓄水通道，蓄气通道与集气通道连接，蓄水通道和集水通道连接；所述的坝址排水排气系统包括沿库内坝坡坡脚至坡顶倾斜设置的排气通道和从库内坝基由坝内坡坡脚伸向坝外坡坡脚的排水通道，排气通道与蓄气通道连接，排水通道与蓄水通道连接。

进一步的，所述的膜下集水集气系统包括盲沟、集水通道、土工布和砂层,盲沟内设有收集液体的集水通道，盲沟和集水通道均从库中心向四周围坝方向倾斜设置；盲沟内设有土工布，土工布与集水通道之间通过回填粗砂设置砂层。

进一步的，所述的集水通道包括不透气的集水管和塑料排水带,盲沟内下部设有集水管，集水管外侧与倾斜设置的塑料排水带一端密封连接，塑料排水带另一端置于周边土体内，土工布与集水管外侧之间通过回填粗砂设置砂层。

进一步的，所述的集水通道外侧设有一层土工布，该处土工布与集水通道外侧的土工布之间通过回填粗砂设置砂层。

进一步的，可替换方案的，所述的集水通道为软式透水管，盲沟内下部设有软式透水管，软式透水管外周包裹有作为滤膜使用的土工布。

进一步的，可替换方案的，所述的集水通道为对称式葫芦型的集水管，集水管上设有通孔且其外侧包裹有土工布。

进一步的，可替换方案的，所述的集水通道为能够透水透气的矩形塑料排水沟,盲沟内设有竖立矩形状的矩形塑料排水沟，矩形塑料排水沟外侧设有土工布。

进一步的，所述的库内坝脚水气分离系统设置沿坝内脚线布置水气分离箱和蓄水管，蓄水通道为管道直径大于集水通道管道直径的蓄水管，所述的水气分离箱两侧连接蓄水管，蓄气通道一侧通过透气网格与前端集气通道连接，其另一侧与后端排气通道连接，蓄水通道一侧与前端集水通道连接，其另一侧与后端排水通道连接。

进一步的，所述的排水通道包括排水管、截渗沟、竖井、抽水泵、阀门井和球阀，排水管设置在坝体底部，排水管均倾斜设置，排水管与蓄水通道连接；所述的通向坝后的排水管一端设置截渗沟，截渗沟下方的竖井内设置抽水泵，排水管出口位于截渗沟内正常水位之上，排水管靠近出口处设置阀门井，阀门井内设有球阀。

本发明的优点是：

本发明结构设计合理，优化了膜下排水排气的方案，使得膜下的气/水通过“集、蓄、排”系统实现排出，解决了平原水库膜下排气砂沟积水影响孔隙气体外排、逆止阀失效无法排气和逆止阀破坏土工膜水平防渗层完整性等诸多难题，减小膜下气压，保证防渗系统的稳定运行；膜下集水集气系统由库内中心向外侧倾斜设置，通过倾斜设置的方式，使水流在重力作用下自由流动，库内坝脚水气分离系统根据气/水密度不同，实现气在上水在下的蓄积和分离功能，水/气分别通过不同的管道排出，提高排出的顺畅性，避免气体受水阻影响，且排水时利用气压、水流自重及虹吸原理，多种因素作用下自动实现水流的基本排出，使用更加有效和方便。

本发明的集水通道采用倾斜设置的毛细排水带进行集水，将土体中的水通过毛细作用导入集水管中，其自身的结构设计能够防止土体中的颗粒进入，避免淤堵现象；利用毛细力、虹吸力、重力、表面张力等四种作用力，模拟大自然生态机制进行使用，具有防堵塞、低成本、易施工的特点。

本发明通过设置矩形塑料排水沟或者对称式葫芦形的集水管，砂层与集水通道内上侧均能够实现集气，增加了集气通道的面积；设置了透气网格，在不影响气体/液体流通的前提下，防止粗砂进入水气分离箱内。

本发明设置了抽水泵，在排水压力较大时实现机械抽排的功能，持续进行排水工作；还设置了球阀，正常排水时球阀处于开启状态，特殊时期可关闭阀门，即在截渗沟、竖井处水位高时，防止水流倒灌，提高使用的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图一；

图2为本发明的结构示意图二；

图3为沿图2中A-A线剖视图的放大图；

图4为水气分离箱的结构示意图；

图5为沿图4中C-C线的剖视图一的放大图；

图6为沿图4中C-C线的剖视图二的放大图；

图7为水气分离箱的俯视图；

图8为实施例一中膜下集水集气系统的结构示意图；

图9为实施例二中膜下集水集气系统的结构示意图；

图10为实施例三中膜下集水集气系统的结构示意图；

图11为实施例四中膜下集水集气系统的结构示意图；

图12为塑料排水带的剖视图。

图中，1.膜下集水集气系统；11.集水通道；12.集气通道；2.库内坝脚水气分离系统；21.蓄气通道；22.蓄水通道；3.坝址排水排气系统；31.排气通道；32.排水通道；41.盲沟；42.土工布；43.砂层；5.集水管；6.塑料排水带；71.水气分离箱；72.蓄水管；73.透气网格；81.排水管；82.截渗沟；83.竖井；84.抽水泵；85.阀门井；86.球阀；9.矩形塑料排水盲沟；10.防浪墙；a.库区范围；b.坝体范围；c.库内纵向中心线；d.膜下集水集气系统；e.库内坝脚水气分离系统；f.坝址排水排气系统。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例1

一种平原水库水平防渗层膜下水气分离式外排综合系统，如图1和图2所示，包括膜下集水集气系统1、库内坝脚水气分离系统2和坝址排水排气系统3，所述的膜下集水集气系统1从库内中心向外侧倾斜设置，库内中心处为高点，该结构便于液体的收集和排出；膜下集水集气系统1包括交错分布的集水通道11和集气通道12，集水通道11和集气通道12分别用于收集土体内的气体和液体，并将之进行排出；所述的库内坝脚水气分离系统2包括沿着坝脚线设置的蓄气通道21和蓄水通道22，利用气/水密度不同的原理，进行分通道积蓄，蓄气通道21与集气通道12连接，蓄水通道22和集水通道11连接；所述的坝址排水排气系统3包括沿库内坝坡坡脚至坡顶倾斜设置的排气通道31和从库内坝基由坝内坡坡脚伸向坝外坡坡脚的排水通道32，排气通道31与蓄气通道21连接，排水通道32与蓄水通道22连接，以此通过两个不同的通道将水/气分别排出，且互不影响。

如图2和图8所示，所述的膜下集水集气系统1包括盲沟41、集水通道11、土工布42和砂层43,盲沟41内设有收集液体的集水通道11，盲沟41和集水通道11均从库中心向四周围坝方向倾斜设置，利用液体的自重使得液体便于流动；盲沟41内设有土工布42，土工布42与集水通道11之间通过回填粗砂设置砂层43，土工布42在起到隔离作用的同时实现透水透气的功能。

如图8和图12所示，所述的集水通道42包括不透气的集水管5和塑料排水带6,盲沟41内下部设有集水管5，集水管5采用PVC材质制成，集水管5外侧与倾斜设置的塑料排水带6一端通过密封胶密封连接，塑料排水带6为毛细排水带，毛细排水带能够吸收土体中的液体并将之移动至集水管5内，其倾斜设置的方式有利于使用效果，塑料排水带6另一端置于周边土体内，即塑料排水带6与集水管5构成集水通道11，土工布42与集水管5外侧之间通过回填粗砂设置砂层43，土工布42与砂层43构成集气通道12。

如图4所示，所述的库内坝脚水气分离系统2设置沿坝脚轴线布置水气分离箱71和蓄水管72，蓄水通道22为管道直径大于集水通道42管道直径的蓄水管72，蓄积水流的同时降低水气分离箱71内的水位，所述的水气分离箱71两侧连接蓄水管72，蓄气通道21一侧通过透气网格73与集气通道12连接，其另一侧与排气通道31连接，蓄水通道22一侧与集水通道11连接，其另一侧与排水通道32连接。

如图1-图3所示，所述的排水通道32包括排水管81、截渗沟82、竖井83、抽水泵84、阀门井85和球阀86，排水管81设置在坝体底部，排水管81均倾斜设置，便于液体流动，排水管81与蓄水通道22连接；所述的通向坝后的排水管81一端设置截渗沟82，截渗沟82下方的竖井83内设置抽水泵84，在水压大时仍能够确保排水工作的进行；排水管81出口位于截渗沟82内正常水位之上，便于使用时液体的流动排出，排水管83靠近出口处设置阀门井85，阀门井85内设有球阀86，球阀86用于防止水流逆流。

首先，当膜下渗水及气压增加时，气/水在压力和重力作用下，沿着膜下纵横分布的集水通道11向库内坝脚水气分离系统2汇集，其中，气从砂层43中利用压力往前行进走；非饱和土体中水流由塑料排水带6通过毛细力进入集水管5内，水从具有一定坡度的集水管5中依靠重力往前流动，即当土体内饱含水分时,由于毛细排水带的结构特点，其圆孔直径远大于进水沟槽宽度,因而产生毛细现象,使水流自行由下向上吸入毛细导管内，水流趋向阻力最小处流动,被水流夹带的土体颗粒会受重力作用产生沉淀过滤,不会在进水沟槽附近产生淤积,同时利用表面张力现象在进水沟槽上自动形成封闭水膜，防止水流回漏；当水分开始进入毛细排水带内时,毛细现象会对水分产生抽吸作用直至毛细排水带灌满封闭水流后，才开始朝集水管5内排放，且因毛细排水带倾斜设置，埋设落差使其产生虹吸现象,并进一步对土体内部产生抽吸负压,大幅度增加吸排水的效率。

接着，气体透过透气网格73进入水气分离箱71，水流通过集水管5进入蓄水通道22内，水流向两侧蓄水管72及下游排水管81扩散以降低水位，并越蓄越多；且气体集聚在蓄气通道21内，气压随气体汇集逐渐增加。

最后，当水气分离箱71的气/水蓄积量较大，超过系统容量时，由于箱内气体压力存在，气体往上通过坝脚向坝顶的排气通道31往外排出，气体通过排气管道向上游前进，并最终在坝顶防浪墙排气出口排出；气体出口置于坝顶防浪墙10内，为半“回”字型管道，排气口朝向库内，既方便气体排出，又防止雨水及其他灰尘堵塞管道，还便于维修观察；水流通过坝脚向坝后的有一定坡度的排水管71向下游截渗沟72或竖井83内自动排出。

实施例2

在实施例1的基础上，如图4-图7和图9所示，所述的集水通道42外侧设有一层同样的土工布42，该处土工布42与集水通道11外侧的土工布42之间通过回填粗砂设置砂层43。所述的集水通道11为软式透水管，所述的软式透水管包括外敷塑料111和用于支撑外敷塑料111的弹簧钢丝112，盲沟41内下部设有软式透水管，软式透水管外周包裹有作为滤膜使用的土工布42，软式透水管和其外侧的土工布42构成集水通道11。

如图2所示，所述的排气通道31的出口处设置防浪墙10，排气通道31的出口位于防浪墙10内。当膜下渗水及气压增加时，气/水通过“集、蓄、排”系统逐渐往前行进和排出，气/水由于压力和重力作用沿着纵横分布的膜下集水集气系统1向库内坝脚水气分离系统2汇集，气从上层的砂层43中利用压力往前行进走，水从下层有一定坡度的软式透水管中依靠重力往前流动；气体透过透气网格进入水气分离箱71，水流通过软式透水管进入水气分离箱71，水流向两侧蓄水管72及下游排水管81扩散以降低水位，气体集聚上方，水体存于下方。当库内坝脚水气分离系统2中水气分离箱71的气/水蓄积量较大时，由于箱内气体压力存在，气体往上通过坝脚向坝顶的排气通道31排出，水流通过坝脚向坝后的有一定坡度的排水通道32自动排出。

实施例3

在实施例2的基础上，如图10所示，所述的集水通道42可替换为对称式葫芦型的集水管5，集水管5采用PVC材质制成，集水管5上设有通孔且其外侧包裹有土工布。

水气收集空间由对称式葫芦型的集水管5构成，其上层收集气体，下层收集水流，砂层43与集水管5内上部构成集气通道12，集水管5内下部为集水通道11，气体和水流通过对称式葫芦型管道/砂层43进入水气分离箱71，水流向两侧蓄水管72及下游排水管81扩散以降低水位，气体集聚上方，由于腔体压力存在使得气体沿斜上方排气通道31排出，水流沿排水通道32向下游自然排出水流。

实施例4

在实施例2的基础上，如图11所示，所述的集水通道11可替换为能够透水透气的矩形塑料排水沟,盲沟41内设有竖立矩形状的矩形塑料排水沟9，矩形塑料排水沟9外侧设有土工布42。

水气蓄积空间由透水透气的矩形塑料排水盲沟构成，其位于砂层43内，矩形塑料排水沟9与砂层43的上部构成集气通道12以蓄积气体，其下部构成集水通道11以蓄积水流；气体和水流通过矩形塑料排水沟9/砂层44进入水气分离箱71，水流向两侧蓄水管72及下游排水管81扩散以降低水位，气体集聚上方，由于腔体压力存在使得气体沿斜上方排气通道31排出，水流沿排水通道32向下游自然排出水流。

尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种平原水库水平防渗层膜下水气分离式外排综合系统，包括膜下集水集气系统、库内坝脚水气分离系统和坝址排水排气系统，其特征在于:所述的膜下集水集气系统从库内中心向外侧倾斜设置，膜下集水集气系统包括交错分布的集水通道和集气通道；所述的库内坝脚水气分离系统包括沿着坝内脚线设置的蓄气通道和蓄水通道，蓄气通道与集气通道连接，蓄水通道和集水通道连接；所述的坝址排水排气系统包括沿库内坝坡坡脚至坡顶倾斜设置的排气通道和从库内坝基由坝内坡坡脚伸向坝外坡坡脚的排水通道，排气通道与蓄气通道连接，排水通道与蓄水通道连接。

2.根据权利要求1所述的一种平原水库水平防渗层膜下水气分离式外排综合系统，其特征在于：所述的膜下集水集气系统包括盲沟、集水通道、土工布和砂层,盲沟内设有收集液体的集水通道，盲沟和集水通道均从库中心向四周围坝方向倾斜设置；盲沟周围包裹土工布，土工布与集水通道之间通过回填粗砂设置砂层。

3.根据权利要求2所述的一种平原水库水平防渗层膜下水气分离式外排综合系统，其特征在于：所述的集水通道包括不透气的集水管和塑料排水带,盲沟内下部设有集水管，集水管外侧与倾斜设置的塑料排水带一端密封连接，塑料排水带另一端置于周边土体内，土工布与集水管外侧之间通过回填粗砂设置砂层。

4.根据权利要求2所述的一种平原水库水平防渗层膜下水气分离式外排综合系统，其特征在于：所述的集水通道外侧设有一层土工布，该处土工布与集水通道外侧的土工布之间通过回填粗砂设置砂层。

5.根据权利要求4所述的一种平原水库水平防渗层膜下水气分离式外排综合系统，其特征在于：可替换方案的，所述的集水通道为软式透水管，盲沟内下部设有软式透水管，软式透水管外周包裹有作为滤膜使用的土工布。

6.根据权利要求4所述的一种平原水库水平防渗层膜下水气分离式外排综合系统，其特征在于：可替换方案的，所述的集水通道为对称式葫芦型的集水管，集水管管壁上设有通孔且其外侧包裹有土工布。

7.根据权利要求4所述的一种平原水库水平防渗层膜下水气分离式外排综合系统，其特征在于：可替换方案的，所述的集水通道为能够透水透气的矩形塑料排水沟,盲沟内设有竖立矩形状的矩形塑料排水沟，矩形塑料排水沟外侧设有土工布。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种平原水库水平防渗层膜下水气分离式外排综合系统，其特征在于：所述的库内坝脚水气分离系统设置沿坝内脚线布置水气分离箱和蓄水管，蓄水通道为管道直径大于集水通道管道直径的蓄水管，所述的水气分离箱两侧连接蓄水管，蓄气通道一侧通过透气网格与集气通道连接，其另一侧与排气通道连接，蓄水通道一侧与集水通道连接，其另一侧与排水通道连接。

9.根据权利要求8所述的一种平原水库水平防渗层膜下水气分离式外排综合系统，其特征在于：所述的排水通道包括排水管、截渗沟、竖井、抽水泵、阀门井和球阀，排水管设置在坝体底部，排水管均倾斜设置，排水管与蓄水通道连接；所述的通向坝后的排水管一端设置截渗沟，截渗沟下方的竖井内设置抽水泵，排水管出口位于截渗沟内正常水位之上，排水管靠近出口处设置阀门井，阀门井内设有球阀。

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