東江水源工程西枝江取水口改造設計與研究

龔玉鋒

（深圳市廣匯源環(huán)境水務有限公司，廣東 深圳518001）

在河流上修建引水工程時， 要綜合考慮取水口的水位、泥沙淤積、水流流態(tài)等問題。 由于各種客觀條件的限制， 某些忽略的因素會困擾引水工程的安全運行，或者由于取水邊界條件變化，也會導致相關水利問題。因此在總結(jié)運行經(jīng)驗的基礎上，對取水口進行適應性的改造是必要的［1，2］。

本工程以東江水源工程西枝江取水口為例，分析取水口河床沖淤、附近局部流態(tài)等變化規(guī)律，提出了取水口改造方案， 為后續(xù)的安全運行和便利檢修提供了必要的工程條件。

1 工程概況

西枝江取水口是深圳市東江引水工程的兩個取水點之一，位于惠州市惠城區(qū)西枝江左岸老二山處。通過泵站加壓將西枝江的原水輸向深圳， 為深圳的社會經(jīng)濟發(fā)展提供可靠的水源保證。

取水口位于外江灘地， 原設計常水位為8.36m（珠江高程系，下同），取水口底板高程為5.5m，頂高程為10.8m。 西枝江泵站設有一用一備兩臺機組，單機額定流量為3.75m3/s。 2008年惠州東江水利樞紐建成后，使西枝江泵站取水口處水位壅高，取水構(gòu)筑物內(nèi)的泥沙及沼蛤等生物附著嚴重， 由于無法進行常規(guī)檢修和清淤，使得取水首部結(jié)構(gòu)長期處于“帶病”工作狀態(tài)，存在運行安全隱患及對水質(zhì)的不利影響，因此必須采取合適的方案進行改造。

2 取水口問題分析

2.1 泥沙淤積

2008年惠州劍潭水利樞紐工程建成投入運行，取水口位于工程回水范圍內(nèi)，使水流速度變緩，泥沙流動性變?nèi)酢?根據(jù)實測的淤積資料，近3年來取水口淤積量變化呈緩慢增長趨勢，變化幅度不大，且年內(nèi)變化呈現(xiàn)基本沖淤平衡的狀態(tài)。由于前段的取水暗涵無檢修條件，每年泵站前池內(nèi)的淤積在20cm以上，根據(jù)其水流特性分析，取水暗涵的淤積問題較前池嚴重。

2.2 沼蛤附著

清華大學水利系研究團隊對西枝江泵站進行水生物調(diào)查研究，完成了“輸水工程中沼蛤入侵的生態(tài)防治試驗研究”。 課題研究成果表明：西枝江泵站水體中幼蟲密度可達5000個/m3以上。并且沼蛤附著會逐年積累，如果不治理，會對取水口后的水工構(gòu)筑物過流及抗腐蝕造成不利影響，給工程運行帶來潛在安全隱患。基于上述研究，相應提出了防沼蛤附著的改性材料研發(fā)和基于高頻脈動的沼蛤幼蟲滅殺裝置。

2.3 無干場檢修條件

西枝江取水口建于2001年， 采用無閘閥自流取水，設計水位為8.36m，管道利用枯水期水位較低時進入檢修。 由于劍潭水利樞紐正常蓄水位10.5m，西枝江取水口回水水位達10.60～10.89m， 使得泵站前引水管道長期處于水下，且無閘閥控制，無法進行干場地的檢修和維護， 需要時才依靠潛水員水下進行探查。

3 工程區(qū)沖淤演變研究

綜合考慮本工程所在河段的河勢、 工程影響范圍等因素， 選取了取水口上下游約300m的河段進行沖淤二維數(shù)模計算。根據(jù)數(shù)值模擬研究，可得到以下基本規(guī)律：

在豐水年（2009年）水流量較大，泥沙流動性增強，沖走的泥沙較多，則淤積呈現(xiàn)減少趨勢；在枯水年（2006年），水流變緩，雨季泥沙易被阻在取水口段，形成較多淤積。

對于取水口淤積量年內(nèi)變化， 汛期洪水夾帶泥沙在取水口淤積， 旱季和枯水期上游河床沖刷匯入的泥沙較少，淤積量逐漸減少。

西枝江2006～2017年取水口泥沙淤積量變化曲線，如圖1。

圖1 西枝江2006～2017年取水口泥沙淤積量變化曲線

從圖1可看出， 2008 年惠州劍潭水利樞紐工程建成投入運行后，水位升高，水流速度變緩，泥沙流動性變?nèi)酰昴嗌秤俜e變化較原來平緩。

4 取水口改造方案

4.1 沉砂池改造研究

根據(jù)文獻［3］，在泥沙特性及其他建筑物體型參數(shù)已定情況下， 取水口門前實現(xiàn)沖淤平衡的平均長度Lb如式（1）：

式中 v為斷面平均流速（m/s）；h為取水口前水深（m）；g為重力加速度，取9.8m/s2。

經(jīng)量綱分析，得到無量綱方程：

4.2 沉砂池局部水頭損失分析

局部水頭損失是由于幾何邊界條件改變而引起的水流的能量損失，其能量方程如式（3）：

式中 i，j分別為i斷面和j斷面序號。

計算中取動能修正系數(shù)αi=αj=1，式（3）可近似地表示為：

式中 ξij分別為i，j斷面間的局部水頭損失系數(shù)；Vi，Vj分別為斷面的平均流速。

西枝江泵站設計流量條件時（即Q=1.35萬m3/h），改造前后的水頭損失值進行了計算分析。

表1 改造前后典型斷面處局部水頭損失值

原設計取水水位為8.36m， 劍潭水利樞紐工程建成后，取水口水位壅高到10.73m，由計算結(jié)果可看出改造后水頭損失0.059m＜2.37m（壅高水頭），改造后水頭損失不影響設計取水要求。

4.3 沉砂池改造設計

本次改造結(jié)合生態(tài)治蛤需求， 起點樁號距取水口24m，在沉砂池前布設兩孔2.0m×2.0m的檢修閘門，池體采用雙層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)型式［4］，過水斷面尺寸均為16.0m×6.3m（寬×高），工程總平面布置如圖2，縱剖面如圖3。

圖2 西枝江取水口改造工程總平面布置

圖3 西枝江取水口改造工程縱剖面

沉沙池內(nèi)分14個尺寸相同的小箱涵如圖4，內(nèi)部安裝各種除蛤裝置和監(jiān)控措施， 箱涵底板采用底坡采用1%放坡，并設置兩個60cm×60cm的收集井，便于清淤。

圖4 西枝江取水口生態(tài)除蛤沉沙池橫斷面

5 結(jié)語

（1）根據(jù)清華大學的專題研究，通過生態(tài)水力學的方法抑制沼蛤幼蟲的生長［5-6］，從而改善供水水質(zhì)及水工構(gòu)筑物的過流， 取水口改造后除蛤率可達到95%以上。工程建設完成后，通過取水頭部閘門及后端的生態(tài)沉砂池，改善了水流流態(tài)和水力特性。后續(xù)檢修維護成本亦隨之降低，具有明顯的社會經(jīng)濟和生態(tài)效益。

（2）西枝江取水口改造提供了閘門控制進水條件，為常年淹沒于水下的取水口到泵站管道提供可行的干場檢修條件，可靈活安排檢修時間，也大大減小了檢修難度。同時，取水口改造也有利于改善泥沙淤積。

（3）由于工程處于建設期，其實際效果尚需要通過運行來檢驗， 但其設計理念及改造思路已在諸多工程得到有益驗證［3-4］。 可為其他類似工程的建設方案提供重要的參考和借鑒。