有壓式進水口體形對攔污柵布置和設計的影響分析

【摘要】有壓式進水口為了防止污物及雜物進入引水道內，進口一般設置有攔污柵，以保護機組、閥門及管道等不受損害，保證機組、閥門及管道等設施、設備的安全正常運行。而有壓式進水口體形的選擇很大程度上決定了進水口井筒結構尺寸、攔污柵孔口尺寸、攔污柵吊點數量、啟閉機排架等結構的布置及啟閉機設備的選型。

【關鍵詞】有壓式；進水口體形；攔污柵設計；井筒結構

一、引言

取水輸水建筑物中，攔污柵是不可缺少的設備。在布置和設計攔污柵時影響因素較多，比如工程大小、建筑物的等級及引水方式；進水口的形式、用途、位置及在水下的深度；管道在引用流量及允許過柵流速；水流所挾污物的性質、大小及數量、機組、閘門或閥的類型尺寸；當地氣候條件及水庫水位的變化情況；清污方式、制造、安裝及運輸條件等等。因此在設計攔污柵時盡量要求過柵水流平順，水頭損失??；另外，應考慮清污方便，便于安裝、檢修及更換等因素。在這里重點談談在引用流速小于9m/s時有壓式進水口體形的選擇對攔污柵布置和設計的影響，有壓式進水口體形的布置對進水口井筒結構、攔污柵、啟閉機排架等結構的布置，攔污柵吊點數量及啟閉機設備選型等的影響是非常大的。如果布置不妥當，會在經濟上造成很大的損失；在制作安裝上帶來很大的困難，在運行管理上造成很大的不便。

二、規范對有壓式進水口體形要求

在《水利水電工程進水口設計規范》SL-2003中附錄A（P24）中對進水口體形有如下要求：

A.0.1.高、中水頭有壓式進水口喇叭段體形曲線，宜符合自由射流軌跡。矩形孔口體形曲線以橢圓曲線為宜，常用的橢圓曲線方程為：

1. 矩形喇叭口四面收縮或三面收縮（底板不收縮）時，可采用下式

①式

2. 矩形喇叭口僅頂板收縮，底邊和兩側邊墻不收縮時，可采用下式

②式

上兩式中：X-橢圓曲線沿長軸方向的坐標；

Y-橢圓曲線沿短軸方向的坐標；

D-矩形孔口的高度（垂直收縮時）或寬度（水平收縮時）；

A.0.2當有壓式進水口管道流速小于9m/s時，除可按本規范附錄A.0.1規定采用橢圓曲線外，也可以選用由若干不同半徑的圓弧段、直線段組成的近似橢圓曲線的組合曲線；對于流速很低的進水口（如水電站貫流式機組進水口等）可采用單一半徑的圓曲線。

目前我國設計的水利水電工程中，中、小型水利水電工程占的比例較多，一般進水口的流速小于9m/s，這就要求我們對規范靈活應用，如我們按上面A.0.1和A.0.2這兩種方式來布置進水口體形，其進水口井筒結構尺寸、攔污柵的孔口尺寸及布置差別較大，直接影響的就是投資、制作安裝、運行管理等問題，現舉實例來說明這個問題。

三、實例

某工程引水系統取水口進口矩形孔口尺寸為：2.0m×2.0m（寬×高），其最大取水流量為2.5m3/s ?，F按上述規范中A.0.1有關要求分別來布置有壓式進水口體形，看看對攔污柵的影響有哪些。

按①式矩形喇叭口三面收縮（底板不收縮）來布置，橢圓曲線沿短軸的值為2000mm/3=667mm，按650mm來取值，其有壓式進水口體形橢圓曲線為：

。根據常規的布置攔污柵在橢圓曲線喇叭口的前面，此時按①式來布置，其攔污柵的孔口尺寸為3.3m（寬）×2.65m（高），過柵流速約0.41m/s。

按②式矩形喇叭口僅頂板收縮，底邊和兩側邊墻不收縮來布置，其有壓式進水口體形橢圓曲線為：

。按②式來布置，其攔污柵的孔口尺寸為2.0m×3.0m（寬×高），過柵流速約0.6m/s。

按照寬高比B/L>1時，宜采用雙吊點；B/L≤1時，寬度絕對值較小時，宜采用單吊點。根據寬高比的要求，如果采用①式來布置攔污柵應采用雙吊點，設置2套拉桿，雙吊點啟閉機來控制攔污柵；如果采用②式來布置攔污柵應采用單吊點，設置1套拉桿，單吊點啟閉機來控制攔污柵。通過這樣對比，采用②式來布置攔污柵明顯要優化于①式來布置攔污柵，首先，從水工金屬結構專業來說，減少1套拉桿的工程量，井筒結構越高其工程量越明顯，同時，又減少啟閉機吊頭，更方便布置啟閉機，啟閉機造價也會有所降低，也不用考慮雙吊點的同步性；其次，從水工專業來說，①式來布置攔污柵井筒結構寬度要大于②式，②式來布置攔污柵井筒結構順水流方向的長度要大于①式，井筒結構的工程量大致相當，②式的優勢在于啟閉機房的布置，②式來布置攔污柵采用單吊點啟閉機來控制攔污柵，需要的啟閉機房的空間較小，排架柱之間的間距也較小，布置方便，啟閉機房的投資減少較多，①式來布置則反之；再次，從施工方面來說，按①式矩形喇叭口三面收縮，底板不收縮，按②式矩形喇叭口僅頂板收縮，底邊和兩側邊墻不收縮，按②式在施工過程中模板的制作簡單，更能保證工程結構和構件的形狀、尺寸和相互位置的準確、標準，并便于實際操作和安裝，表面平整、光潔、整齊，拼接縫嚴密不漏漿，支模工作難度不大， 裝拆方便。最后，從運行管理方面來說，①式來布置攔污柵采用雙吊點，設置2套拉桿，在后期的維護檢修及更換時，需要卸裝2套拉桿，增加工作量，增加人工成本，帶來了運行管理上的不便。

現按上述規范中A.0.2有關要求來布置有壓式進水口體形，在與規范中A.0.1對比看看對攔污柵的影響又有哪些。

根據《水利水電工程鋼閘門設計規范》SL74-2013第3.1.5條兩閘門之間或閘門與攔污柵之間的最小間距應滿足門槽混凝土強度與抗滲、啟閉機布置與運行、閘門安裝與維護和水力學條件等因素的要求，且不宜小于1.50m。

根據A.0.2當有壓式進水口管道流速小于9m/s時，除可按本規范附錄A.0.1規定采用橢圓曲線外，也可以選用由若干不同半徑的圓弧段、直線段組成的近似橢圓曲線的組合曲線。

按照以上規范2點要求，在滿足攔污柵與閘門之間的最小間距1.50m情況下，有壓式進水口喇叭段體形可由若干不同半徑的圓弧段、直線段組成的近似橢圓曲線的組合曲線，這樣我們就可以在②式上進行優化，按②式橢圓曲線沿長軸方向的值應為3000mm，現取1500mm，則有壓式進水口體形橢圓曲線為：

。

按這樣來布置，其攔污柵的孔口尺寸未變化為2.0m×3.0m（寬×高），過柵流速約0.6m/s，但攔污柵井筒結構橢圓曲線沿長軸方向的值由3m縮小到1.5m，井筒結構工程量有所減少，其井筒結構越高其工程量減少越明顯。

通過以上3種有壓式進水口喇叭段體形曲線選擇，對攔污柵布置和設計的影響較大，經過分析最后一種的布置在滿足規范的前提下是最合理的。

四、結論

攔污柵的布置得當與否，對建筑物和攔污柵自身的經濟性影響是很大的。如果布置不妥當，會在經濟、施工、運行管理上造成很大的損失和不便。這要求水工設計人員和金屬結構設計人員在布置有壓式進水口喇叭段體形曲線時應密切配合，在滿足規范的前提下選擇最優的方案進行布置。對工程的投資，設計是控制的關鍵。據國外一些專家分析指出：設計費雖然只占工程全壽命費用的1%還不到，但對工程項目投資的影響程度達75%以上。顯然，設計水平高低和質量好壞是影響工程項目投資的關鍵環節。

參考文獻：

[1]鄧麥，水工建筑物攔污柵設計關鍵技術，《科技傳播》，2012（19）

[2]《水利水電工程進水口設計規范》SL285-2003。中國人民共和國水利部 發布.北京：中國水利水電出版社，2003.

[3]《水利水電工程鋼閘門設計規范》SL74-2013。中國人民共和國水利部 發布.北京：中國水利水電出版社，2013.

作者簡介：作者簡介：何偉，男，1982年1月18日出生，貴州省德江縣人，學士學位，工程師，從事水工金屬結構設計與研究；楊陽，男，1988年3月1日出生，貴州省德江縣人，助理工程師，從事水利水電工程管理；黃臣勇，男，1983年2月21日出生，四川省資陽市人，學士學位，助理工程師，從事水工金屬結構設計。