地表水取水构筑物.doc

低坝斗槽式取水构筑物工艺设计体会
刘 赟 （新疆城乡规划设计研究院有限公司，新疆 830002）
近年来，以地表水作为水源的工程实例日趋增多，具体的取水构筑物方式也多种多样，本人在新疆高寒地区的河流上设计采用低坝斗槽组合式取水构筑物的工艺方面有一些心得体会，同时提出在设计中值得进一步商榷的议题，希望通过本文与给排水专业同行共同探讨。
一、低坝式（固定坝）取水构筑物的适用条件即河流的特点
1、流量和水位变化的幅度很大，水位猛涨猛落，但洪水持续时间不长。在枯水期内流量很小，水层很浅。有时出现多股细流，甚至地面断流。暴雨之后，山洪暴发，洪水流量可为枯水流量的数十、数百倍或更大。
2、水质变化剧烈。枯水期水流清澈见底。暴雨后，水质骤然浑浊，含沙量大，漂浮物多。雨过天晴，水又复清澈。
3、河床常为砂、卵石或岩石。河床坡度陡比降大，洪水期流速大，推移质多，粒径大，有时甚至出现1米以上的大滚石。
4、北部某些山区河流潜冰（水内冰）期较长。
新疆某县城供水工程水源为电站的退水渠即总干渠，总干渠有以下特点：（1）水量：枯水期流量为3立方米/秒，丰水期9立方米/秒；（2）水位：取水段渠宽为6.0米，常年水位1.50米，枯水位0.5米，最高水位2.5米；（3）水质：非洪水期主要水质指标平均值为：PH值8.04（国标6.5-8.5），总硬度144.50mg/L（国标450 mg/L），氟化物0.47 mg/L（国标1.0 mg/L），氯化物3.6 mg/L（国标250 mg/L），硫酸盐61 mg/L（国标250 mg/L），大肠菌群5个/Ｌ（国标3个/Ｌ），由以上水质化验报告可以看出，非洪水季节的水质除总大肠菌群超标外，其余水质指标均能满足《生活饮用水水源水质标准》的控制指标，该水源水属一类水源水。同时依据相关水文站提供的资料，水源常年含沙量如下表：
项目
单位
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
全年
悬移质输沙率
Kg/s
0.0023
0.0013
0.0013
0.0023
0.058
0.242
0.108
0.06
0.0035
0.0028
0.0018
0.0023
0.0405
悬沙率占年
%
0.48
0.25
0.27
0.47
12.1
49.1
22.60
12.6
0.71
0.58
0.36
0.48
100
悬移质
含沙率
Kg/m3
0.026
0.015
0.015
0.022
0.37
2.02
1.29
0.59
0.039
0.027
0.021
0.026
0.405
由上表可知，该水源最高含沙量发生在6月份，浊度较高，含沙量为2020毫克/升，由上述资料可以看出，该水源流量和水位变化的幅度较大，水质变化较为剧烈，采用低坝式（固定坝）取水方式较为合理。
二、工艺设计时需要注意以下几点
1、对于新疆的河流大部分兼有农灌任务，所以在选择水源时还需注意由于山区的河流枯水期流量很小，因此取水量所占比例往往很大，有时达到70%~90%以上。这时需要考虑河流总体的水量分配，即在满足生活用水的同时，必须满足农业用水，这不是简单的最大用水量的叠加，因为农灌用水季节性很强，应分析在枯水期一段时间内，具体的农业用水量，通常枯水期发生在非农灌期，故该问题一般情况下易解决。
2、由于枯水期水层浅薄，因此取水深度往往不足，需要修筑低坝抬高水位，或者采用底部进水等方式解决。具体方式可以采用滚水坝，滚水坝的形式可采用固定式或活动式，其中固定式坝身通常用混凝土或浆砌石建造，坝高0.5-2.0米。坝体通常用混凝土或者浆砌块石建造。为了防止洪水期滚水坝溢流时河床遭受冲刷，在坝的下游一定范围内需用混凝土或者浆砌块石铺筑护坦。护坦上有时设有齿栏，消力墩等辅助消能设施。采用此种方式还需要重点考虑以下3点：1）坝的轴线方向可与水流方向成一定角度，这样有利于收集水流；2）在易沉积泥沙的一端设置排砂闸，以利于排砂；3）为了防止在上下游水位差作用下，从上游经过坝基土壤向下游渗透，上游的河床应用粘土或混凝土做防渗铺盖。
3、由于洪水期推移质多，粒径大，因此修筑取水构筑物时，要考虑能使推移质顺利排除，不至于造成淤塞或冲击。冲砂闸设在溢流坝的一端，与进水闸或取水口邻接，其主要作用是利用坝上下游的水位差，将坝上游沉积的泥砂排至下游。进水闸的轴线与冲砂闸轴线的夹角为30°~60°，以便在取水的同时进行排砂，使含砂较少的表层从正面进入进水闸，而含沙较多的底层则从侧面由冲砂闸泄至下游。冲砂闸的冲砂时间约20分钟，冲砂时将取水闸关闭，同时输水管线起端蝶阀关闭，以防止空气进入管道。
三、除冰方法与措施
从目前各种除冰方法来看，多用取水排冰之法。此法是使其冰水分层，先取其水，冰渣随河道水流排走。采用此法时，除满足所取水量外，还应有足够的流量将分离出来的冰渣能随河道水流带走，排往取水口的下游。
防冰害的具体方法和措施如下：
1、修建斗槽式取水构筑物进行除冰
这类斗槽预沉池的深度、宽度和长度除满足预沉泥沙的要求外，还要根据冬季流冰期，河水低水位时，使进入斗槽的水中冰花上浮于冰盖或水面，且将冰花截流在取水泵房之前。斗槽计算一般使用前苏联沙夫诺夫的经验公式计算斗槽预沉池的长度。
L=Khυ/ω （1-1）
式中 L—除冰的斗槽预沉池长度（m）；
h—当河水为计算水位时斗槽预沉池中的水深（m）；
ω—冰渣（冰花）上浮速度，冰渣平均上浮速度为0.002～0.005（ m/s）；
K—考虑到流冰期长短，斗槽内紊流的影响以及冰渣上浮至冰盖下均需占有一定的斗槽容积等因素而采取的安全系数一般采用2～3；
υ—斗槽内最不利情况下的水平平均流速（m/s）。
举例：黄河上游某水厂在计算斗槽尺寸时，采用h=2.15m，ω＝0.003 m/s，K=3，υ=0.086 m/s，因此斗槽预沉池下游段长度为L= K·h·υ/ω=3×2.15×0.086/0.003=184.9m设计采用190m。
2、用引水渠道输冰排冰
引水渠道输冰排冰，是修筑引水渠道使其具有冰水分层的条件，使冰渣在引水渠道内上浮至水面，待冰渣上浮到水面后用导凌筏引导冰渣和一部分排冰水，由排水道排走。排冰道口门处设有潜水叠梁闸，以防河水漏失。由导凌筏底部分离出来的水，流入水泵房吸水井内。青海某电厂采用此法除冰效果显著。
为保障冰水在渠道内分层，渠内流速可保持在0.8～1.0 m/s左右，但渠内流速小于0.5 m/s时，渠内将冻结形成冰盖。
3、利用低坝冲砂闸、导凌筏引水渠综合排冰
在修建低坝取水的条件下除冰，首先冬季在冲砂闸口，用潜水叠梁闸板调整闸前水位使河流流速减缓以利于冰渣顺利上浮，大量浮于水面的冰渣，从潜水叠梁闸板上面溢流至下游河道；其次为使冰渣少经进水闸进入引水渠道，在进水闸前设导凌筏，将冰渣导向冲砂闸处排至下游河道；最后将进入引水渠的少量冰渣，在引水渠内减缓流速，使冰渣上浮于水面，同时，用潜水叠梁溢流的方法，将浮于水面的冰渣，溢流至下游河道，不含有冰渣的河水则流入取水泵房的吸水井内。使用这种方法排除冰渣，由于冰渣可以及时排走，无须考虑冰渣占有引水渠道的容积，因此，公式（1-1）中K值可以采用小些，如某工程中采用K=3降为K=2时其引水渠道的计算长度，可由184.9米降为123.3米，节约建设资金。
四、防杂草和漂浮物的有效措施
为防杂草及漂浮物，进水口都应设有进水格栅。严寒地区进水口流速不宜过多大，否则容易吸进冰凌，过栅流速过小会增加取水口外形尺寸，增加基建投资。一般小型取水构筑物间隙宽度为30～50mm。大中型取水构筑物为80～120mm。根据上述情况，过栅流速控制在有冰絮时，岸边非淹没式取水构筑物，为0.2～0.6m/s，河水淹没式取水构筑物为0.1～0.3m/s。上述数值均为无冰絮时过栅流速的50%左右。计算栅格面积时，另加25%堵塞系数。