高貢水庫分層取水進(jìn)水口設(shè)計(jì)

劉慎凱

（貴州中水建設(shè)管理股份有限公司，貴州 貴陽 550003）

0 引言

黔東南州森林覆蓋率67.67%，連續(xù)7 年位居貴州省市州第一，由于區(qū)域內(nèi)植被茂密，導(dǎo)致庫底水下腐植物較多。結(jié)合黔東南州地區(qū)已建成的骨干水源運(yùn)行情況，底孔取水基本取的是水庫底層水，水庫底層水流動性差，水下的腐植物較多，水質(zhì)差，沉積的懸移物及泥沙等進(jìn)入到供水管內(nèi)，存在水體變質(zhì)、惡臭等現(xiàn)象，水質(zhì)偏酸，汛期底層泥砂受到擾動導(dǎo)致水體渾濁。水處理后水質(zhì)仍未達(dá)到城鎮(zhèn)居民供水標(biāo)準(zhǔn)，直接影響供水質(zhì)量；同時(shí)目前大部分水庫灌溉采用管道輸水，底層水水溫較低，澆灌后不利農(nóng)作物生長。當(dāng)?shù)卣叭罕妼Τ擎?zhèn)供水水質(zhì)及灌溉水溫反映強(qiáng)烈，希望得到盡快解決，因此本工程由初步設(shè)計(jì)底層取水調(diào)整為分層取水方案十分必要。

1 工程概況

黎平縣高貢水庫位于貴州省黔東南州黎平縣永從鄉(xiāng)高貢村，壩址距鄉(xiāng)政府11 km，距黎平縣城56 km。主要任務(wù)是解決黎平縣永從鄉(xiāng)4 個(gè)村、肇興鎮(zhèn)集鎮(zhèn)及肇興鎮(zhèn)6 個(gè)村20384 人和水庫下游2020 畝農(nóng)田灌溉用水，年供水量194.3 萬m3。壩址以上集水面積4.7 km2，正常蓄水位767.00 m，死水位742.00 m，工程總庫容 137 萬 m3，興利庫容 110.0 萬 m3。大壩為砌石重力壩，壩長145.00 m，最大壩高43.50 m，工程規(guī)模為Ⅳ等小（一）型工程。

初設(shè)階段取水放空工程采用壩身井筒式底孔取水方案，布置在左壩段壩0+064.70 m 處。進(jìn)口底板高程為739.00 m，高于50 年淤沙高程738.61 m。進(jìn)口為三面收縮的喇叭型，孔口尺寸為1.5 m×1.5 m（寬×高）；進(jìn)口設(shè)置攔污柵，攔污柵尺寸為1.5 m×2.0 m，后設(shè)置1 扇檢修閘門，孔口尺寸為1.5 m×1.5 m；閘門后漸變?yōu)橹睆綖?00 mm 圓形孔口，后接DN600 的取水鋼管，鋼管采用0.5 m 厚C20 砼外包，鋼管中心線高程739.75 m，管長30 m，把水引至壩后閘閥室，壩后閘閥室設(shè)置工作閘閥控制取水。

2 分層取水方案設(shè)計(jì)

2.1 分層取水進(jìn)水口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

方案調(diào)整后取水進(jìn)水口采用井筒式分層取水，井筒長7.00 m，寬5.22 m，高32.50 m，整個(gè)井筒采用C25 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，進(jìn)水口平臺厚0.5 mm 范圍內(nèi)為二期C30 鋼筋混凝土[1]。啟閉平臺高程為壩頂高程770.50 m，平臺共設(shè)置3 根主梁用于安裝啟閉設(shè)備，啟閉機(jī)室采用磚混結(jié)構(gòu)，長×寬×高=7.00 m×5.22 m×3.20 m。進(jìn)水口平臺共設(shè)置三層，由下到上分別設(shè)在741.00 m（平臺尺寸2.82 m×2.10 m）、750.50 m（平臺尺寸2.82 m×1.80 m）、760.50 m（平臺尺寸2.82 m×1.80 m）三個(gè)高程，其中底層進(jìn)口高程741.00 m，高于淤沙高程738.61 m。進(jìn)口形式采用豎井式，進(jìn)口設(shè)置檢修閘門，閘門后分別接直徑為800 mm、600 mm、600 mm 的進(jìn)水鋼管，三條進(jìn)水鋼管匯集后由直徑為800 mm 的鋼管漸變?yōu)橹睆綖?00 mm 的壩內(nèi)取水鋼管，取水鋼管穿過壩體時(shí)采用0.50 m 厚C20 砼外包，鋼管中心線高程739.50 m，管長30.00 m，把水引至壩后閘閥室，壩后閘閥室設(shè)置工作閘閥控制取水（見圖1）。

2.2 閘門形式的選用

隨著水利水電工程項(xiàng)目的建設(shè)，水利閘門是不可缺少的設(shè)備。現(xiàn)有技術(shù)中的閘門多為啟閉式閘門，在開啟和閉合時(shí)都需要?jiǎng)恿︱?qū)動，磨損大，使用一段時(shí)間后由于閘門的磨損會導(dǎo)致閉合不緊，產(chǎn)生縫隙，水溢出。閘門在閉合的時(shí)候閉合力比較大，對閘門的各個(gè)部件要求較高，不僅導(dǎo)致設(shè)備龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給檢修維護(hù)帶來困難，且還要在庫內(nèi)設(shè)置大體積砼的啟閉設(shè)施。為避免上述不利運(yùn)行狀況，同時(shí)為了簡化設(shè)備和建筑構(gòu)件，本次設(shè)計(jì)采用新型的自吸閘門作為取水進(jìn)水口的檢修閘門[2]。

圖1 壩后閘閥室設(shè)置工作閘閥控制取水

自吸閘門針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種在閉合時(shí)不需驅(qū)動力、符合流體力學(xué)、磨損小使用壽命長，結(jié)構(gòu)簡單，檢修方便的自吸式閘門。自吸閘門包括用于導(dǎo)向的導(dǎo)桿和用于分水的門板，門板鉸接在導(dǎo)桿的端部，導(dǎo)桿的另一端設(shè)置有動滑輪。在頂板上設(shè)置有纜繩，纜繩纏繞在動滑輪后經(jīng)設(shè)置在頂板頂部的防水套穿出，防水的密封箱包圍在導(dǎo)桿與滑輪的外側(cè)，在導(dǎo)桿與密封箱之間設(shè)置有導(dǎo)套，在導(dǎo)套內(nèi)側(cè)設(shè)置有密封圈。門板為球面，底板設(shè)置有與門板配合的球面孔。采用該技術(shù)方案的自吸閘門，閉合時(shí)在其自身重力及水壓的作用下下降，球面門板與圓錐孔配合，不需驅(qū)動力、符合流體力學(xué)理論、磨損小使用壽命長、結(jié)構(gòu)簡單、檢修方便[3]。

本次采用的新型自吸閘門與現(xiàn)有的平板閘門技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)有：

1）自吸閘門在閉合的時(shí)候通過其自身重力及水的壓力下降，在導(dǎo)桿與導(dǎo)套的作用下，自由下落，球面門板與球面孔配合，在水壓的作用下閉合門板，實(shí)現(xiàn)封水；

2）門板與導(dǎo)柱鉸接，自動調(diào)整角度，使門板緊密的配合在球面孔內(nèi)；

3）導(dǎo)柱的一端設(shè)置有動滑輪，在纜繩的作用下提升閘門，減小了1/2 的驅(qū)動力，結(jié)構(gòu)更加合理；

4）門板設(shè)置有擋板，用于二次密封，保證了閘門封水的穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)合理，擋板采用橡膠材料，具有一定彈性，可以在水壓的作用下彌補(bǔ)縫隙；

5）支架的外側(cè)設(shè)置有濾網(wǎng)，防止雜物落入球面孔口影響閘門密封效果。

2.3 金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

取水進(jìn)水口為分層式井筒結(jié)構(gòu)，由下至上分別在741.0 m、750.5 m、760.5 m 高程設(shè)置分層取水口平臺。

在取水口進(jìn)口741.00 m 處設(shè)置1 扇DN800 吸閘門，設(shè)計(jì)水頭29.00 m，操作運(yùn)行條件動水啟閉，配置1 套QL-200-SD螺桿式啟閉機(jī)，啟門力200 kN，閉門力100 kN，電機(jī)功率3.0 kW，安裝在壩頂770.5 m 高程閘閥室內(nèi)，手電兩用操作。

在取水口進(jìn)口750.5 m 處設(shè)置1 扇DN600 吸閘門，設(shè)計(jì)水頭19.50 m，操作運(yùn)行條件動水啟閉，配置1 套QL-150-SD 螺桿式啟閉機(jī)，啟門力150 kN，閉門力75 kN，電機(jī)功率3.0 kW，安裝在壩頂770.50 m 高程閘閥室內(nèi)，手電兩用操作。

在取水口進(jìn)口760.5 m 處設(shè)置1 扇DN600 吸閘門，設(shè)計(jì)水頭9.50 m，操作運(yùn)行條件動水啟閉，配置1 套QL-100-SD 螺桿式啟閉機(jī)，啟門力100 kN，閉門力50 kN，電機(jī)功率2.2 kW，安裝在壩頂770.5 m 高程閘閥室內(nèi)，手電兩用操作[4]。

2.4 取水流量復(fù)核

依照簡單管道自由出流計(jì)算公式，假設(shè)水庫在運(yùn)行到死水位后依然需要向下游側(cè)不斷供水，此時(shí)要通過復(fù)核確定取水流量能否達(dá)到要求，其相關(guān)計(jì)算公式為：

式中：μc為管道流量系數(shù)，可采用以下公式計(jì)算確定；H0為作用水頭。

式中：L 為管長，取 30 m；為管徑，取 0.6 m；λ 為沿程水頭損失系數(shù)，可采用以下公式計(jì)算確定；∑ζ 為管道局部損失系數(shù)和[5]。

式中：C 采用以下公式計(jì)算確定：

式中：n 為糙率，取 0.012。

在水庫運(yùn)行到死水位后，作用水頭H0為1.0 m，鋼管引水流量值為2.11 m3/s，遠(yuǎn)大于最大一日引水流量（一般情況下的最大一日引水流量為0.216 m3/s，2.11 m3/s＞0.216 m3/s），可滿足取水基本要求。

2.5 取水口調(diào)整對工程帶來的影響

取水口兼放空建筑物調(diào)整為分層取水后，施工過程中，對施工單位的操作難度基本沒有不利影響，而且因工程量有所減少，所以能有效加快實(shí)際的施工進(jìn)度。通過投資對比可知，對取水口進(jìn)行調(diào)整以后，能減少約73.5 萬元的總投資（在初設(shè)階段中，取水口的總投資在122.80 萬元左右，而在施工階段，投資在49.30 萬元）。在正式運(yùn)行過程中，根據(jù)水庫內(nèi)水位的變化情況，選擇開啟合適高程的閘門進(jìn)水，以有效改善取水水質(zhì)；另外，還能防止只有一個(gè)底層進(jìn)水口進(jìn)水導(dǎo)致水溫較低對本工程灌區(qū)內(nèi)農(nóng)作物造成的不利影響。由此可見，取水口兼放空建筑物調(diào)整為分層取水后，無論是施工、運(yùn)行還是投資，都對工程沒有不利影響，反而會帶來很多有利影響。

3 結(jié)論

（1）施工現(xiàn)場已按設(shè)計(jì)方案實(shí)施完成，本項(xiàng)目將于近期下閘蓄水。

（2）采用分層取水進(jìn)水口方案的主要目的是改善取水水質(zhì)，避免只有一個(gè)底層進(jìn)水口進(jìn)水時(shí)水溫低對農(nóng)作物的不利影響，方案調(diào)整后工程量的減少使施工工期縮減，同時(shí)節(jié)約了工程投資。