黃河中游干流取水口設計討論

張 琳，徐 輝，裴旭陽

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710000）

延安黃河引水工程是以黃河為水源的長距離引水工程，取水口位于延川縣延水關鎮黃河右岸，取水口采用雙向斗槽取水方式，工程主要任務為城鎮生活和工業用水，設計取水保證率為P=95%，延水關斗槽取水口作為黃河中游地區干流取水口代表性工程，具有很高的研究價值。

1 取水口特點

干流取水口最大特點為直接從黃河主河道取水，因此必須面臨河道徑流年際變化大，年內分配不均、水沙關系不協調，以及復雜的冰情、污物等特點，也是干流取水口設計難度的主要原因。

黃河徑流主要由降水補給，黃河延水關取水樞紐河段河川徑流與降水量有著共同特點，即年際變化大，年內分配不均、洪枯流量相差懸殊等特點。且取水口上游水庫全年為高水頭運行，隨時存在泄洪工況，也給取水口的設計增加了難度。

黃河是多泥沙河流，黃河中游主要流經黃土丘陵溝壑區的晉、陜峽谷地帶，兩岸支流眾多，暴雨頻繁，是黃河泥沙的主要（泥沙占98%）來源區。就延安黃河引水工程取水口來說，取水口處河段多年平均懸移質輸沙量約5.82 億t，多年平均含沙量為23.5 kg/m3，實測最大含沙量1040 kg/m3，取水口處泥沙呈現出年際變化大、年內分配不均等特點。

取水口處極端最低氣溫-22.5℃，河道冰期最長天數134 天，最短天數52 天，冬季最大流冰量39.4 m3/s，春季最大冰流量24.3 m3/s，最大冰速2 m/s，最大冰花密度0.91 t/m3，河心最大冰厚或冰花厚0.22 m，最大岸冰厚度0.49 m。冬季流冰量大，流速快，岸冰存在擠壓、攀爬現象，冬季冰情復雜。

取水口處徑流量、泥沙、污物、冰情等難點在取水口處不是單一存在的，更多的是疊加或同時存在的，設計時必須考慮周全。取水口設計應將取水口布置與金屬結構布置緊密結合在一起，配合防沙、防冰、防污等措施確保取水口運行可靠。

2 設計思路

取水口的設計應根據取水口的特點，從取水口選址、選型、布置、防冰、防沙等著手進行，并且應將施工措施及施工周期對取水口的影響以及后期運行必備的極端工況下的防治措施考慮在內。

2.1 防沙設計

對于黃河中游這種多泥沙河流取水口，防沙設計是重中之重。取水口防沙設計應根據取水口水工布置結合金屬結構布置綜合考慮。延水關取水樞紐根據延水關地形、河勢等特點選用雙向斗槽取水方式，且斗槽取水流道與泵站吸水池分開布置，取水斗槽有利于泥沙導排。上下游取水口處均設有疊梁擋沙閘門和取水工作閘門，在泥沙含量超過60 kg/m3時關閉取水口工作閘門，防止斗槽淤積。

考慮到取水口設計取水保證率較高，取水口底板高程提高受到限制。因此結合取水口底板高程和取水口前緣的淤積高程設置疊梁閘門擋沙，且在斗槽流道上不應再出現其它阻水構件（攔污柵除外），延水關取水口在上下游取水口分別設置1扇7 m×2 m 潛孔式取水閘門，在后期運行中發現潛孔式孔口不利于斗槽防沙，取水工作閘門胸墻阻水嚴重，不利于泥沙導排，導致斗槽在運行階段淤積嚴重，影響取水。

雙向斗槽取水口有利于高水位時沖沙，為確保斗槽在低水位時亦能起到很好的防淤排沙作用，在斗槽上游至下游底板兩側布置沖沙裝置，利用4 臺沖沙泵對斗槽全斷面進行擾動沖沙，防止泥沙淤積。

取水口在運行階段針對斗槽極端工況下的泥沙淤積進行清淤設計，在上游至下游斗槽內增設6 臺潛水排污泵，通過6臺移動式電動葫蘆進行移動抽沙、排沙。

2.2 防冰凍設計

延水關樞紐取水口針對防冰凍設計成立了防冰凍研究科技項目，在上游取水口對不同的防冰凍方案進行試驗，通過試驗制定符合延水關取水口的防冰凍方案。

延水關取水斗槽為封閉箱體式混凝土結構，冬季斗槽內不會結冰，因此對于延水關取水口防冰凍的主要任務為攔截河道流冰和防止取水口處結冰。

取水口防冰凍還應該考慮徑流變化及泥沙對防冰凍的影響，冬季黃河干流水庫存在高水頭運行情況，隨時可能泄洪，泄洪導致河道水位突長、泥沙含量陡增等情況，增加防冰凍難度。

延水關樞紐在上游取水口設置一道導冰排用來攔截、導運河道流冰是很有必要的，導冰排設置在取水口最上游，在結構設計上不宜采用實覆式結構，實覆式結構阻水嚴重，不利于斗槽防沙，在防冰凍后期將上游取水口處導冰排更換為不阻水的攔冰網。

根據防冰凍試驗確定上游取水口防冰凍方案，在進口設置一道攔冰網用于攔截河道流冰，攔冰網頂部閘墩上設鋼桁架橋，桁架橋上布置起吊攔冰網用電動葫蘆，并在桁架梁上設置破冰錘，用來破除攔冰網前凍冰，確保攔冰網前浮冰能導運順暢。在攔冰網至攔污粗柵三角區域內布置兩套壓縮空氣擾動裝置，確保三角區域不結冰。每套擾動裝置分別采用兩套固定卷揚式啟閉機起吊，在不工作時將擾動裝置提出水面。壓縮空氣擾動裝置采用自動化控制，擾動裝置可根據水溫自動調整噴氣壓力和脈沖噴氣頻率。

2.3 金屬結構布置

取水口金屬結構在水工布置基礎上結合防冰、防沙、防污等進行金屬結構布置。金屬結構布置是解決取水口設計難點的關鍵。

延水關樞紐取水斗槽設有上下游兩個取水口，兩個取水口金屬結構對稱布置，取水斗槽總長度160 m，斗槽為封閉式箱體結構。上游取水口與黃河主河道順水流布置，進口處傾斜布置一道25.3 m×0.8 m（寬×高）浮箱式導冰排（下游取水口未設導冰排），取水口從上游至下游依次設有1 扇7 m×8.55 m（寬×高）露頂式攔污粗柵，1 扇7 m×2 m（單節門葉高1 m，共兩節）露頂式疊梁擋沙閘門，1 扇7 m×15.75 m（寬×高）露頂式攔污細柵，1 扇7 m×2 m（寬×高）潛孔式取水工作閘門，取水口閘頂設置1 臺單向門式啟閉機配合吊桿進行攔污柵清污和各閘門啟閉。

取水口在防冰凍設計后期將取水口導冰排更換為攔冰網，閘頂增設鋼桁架橋，鋼桁架橋上設有啟閉機攔冰網用啟閉設備以及破冰錘。

金屬結構在設計時應充分考慮泥沙、污物、流冰對取水口的影響，在攔污柵、擋沙閘門、沖沙裝置、防冰凍裝置設計時，應對各種不利工況進行模擬，確保各種設備在運行、啟閉及檢修等工況下均能安全可靠。

2.4 取水口布置

取水口的選址、取水型式選擇、取水口布置等是取水口設計的關鍵。取水口布置是所有后續精細化設計的基礎，因此在前期設計階段的水工模型實驗是至關重要的，且取水口布置必須將工程施工對取水口的影響考慮在內。

考慮到黃河中游干流河道特征，因此在取水口設計時建議對取水口處一定范圍內的河床進行測量，在工程建設期嚴格控制施工范圍，盡量縮短施工周期，減小施工對河道走勢及流態的影響。在施工導流方式上盡量采用隧洞導流，使上游圍堰盡量遠離取水口，避免河道改道影響后期取水。在圍堰距取水口較近時，施工完成后對圍堰的拆除必須徹底，盡可能恢復原河道形貌。在工程完工、取水口運行階段應根據取水斗槽流態情況，在干流河道上采取一些工程措施確保取水斗槽流態滿足取水條件。

延安引黃取水口采用雙向斗槽取水方式，取水口在取水方式上更靈活，更有利于斗槽防冰、防沙。取水口采用潛孔式取水工作閘門進行上下游取水口的控制，對斗槽防沙是不利的。

3 結語

取水口直面黃河干流，取水口設計關乎整個工程的成敗。如何有效解決進水口處泥沙、污物、冰凍等問題成為取水口設計的關鍵。

就延安引黃取水口建設至運行期間觀測來看，取水口處的泥沙、污物及冰凍并不是單獨存在的，設計時必須同時考慮，這也是取水口設計難度高的主要原因。

對于黃河中游干流取水口進行防沙設計時應該以疏導、轉運為主，因此取水斗槽布置、流態以及流速必須有利于泥沙的導運。在進行防冰凍設計時，首先確保冰凌不能進入取水斗槽內，再考慮進水口處的防凍以及冰凌擁堵、攀爬等問題。

綜上所述，本文認為黃河中游干流取水口設計必須從工程建設的全過程為出發點，針對取水口的難點進行統籌和精細化設計。