黃河中游干流取水口設(shè)計(jì)討論

張 琳，徐 輝，裴旭陽(yáng)

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)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(zhǎng)距離引水工程，取水口位于延川縣延水關(guān)鎮(zhèn)黃河右岸，取水口采用雙向斗槽取水方式，工程主要任務(wù)為城鎮(zhèn)生活和工業(yè)用水，設(shè)計(jì)取水保證率為P=95%，延水關(guān)斗槽取水口作為黃河中游地區(qū)干流取水口代表性工程，具有很高的研究?jī)r(jià)值。

1 取水口特點(diǎn)

干流取水口最大特點(diǎn)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(nèi)分配不均、水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)，以及復(fù)雜的冰情、污物等特點(diǎn)，也是干流取水口設(shè)計(jì)難度的主要原因。

黃河徑流主要由降水補(bǔ)給，黃河延水關(guān)取水樞紐河段河川徑流與降水量有著共同特點(diǎn)，即年際變化大，年內(nèi)分配不均、洪枯流量相差懸殊等特點(diǎn)。且取水口上游水庫(kù)全年為高水頭運(yùn)行，隨時(shí)存在泄洪工況，也給取水口的設(shè)計(jì)增加了難度。

黃河是多泥沙河流，黃河中游主要流經(jīng)黃土丘陵溝壑區(qū)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(lái)源區(qū)。就延安黃河引水工程取水口來(lái)說(shuō)，取水口處河段多年平均懸移質(zhì)輸沙量約5.82 億t，多年平均含沙量為23.5 kg/m3，實(shí)測(cè)最大含沙量1040 kg/m3，取水口處泥沙呈現(xiàn)出年際變化大、年內(nèi)分配不均等特點(diǎn)。

取水口處極端最低氣溫-22.5℃，河道冰期最長(zhǎng)天數(shù)134 天，最短天數(shù)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(xiàn)象，冬季冰情復(fù)雜。

取水口處徑流量、泥沙、污物、冰情等難點(diǎn)在取水口處不是單一存在的，更多的是疊加或同時(shí)存在的，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮周全。取水口設(shè)計(jì)應(yīng)將取水口布置與金屬結(jié)構(gòu)布置緊密結(jié)合在一起，配合防沙、防冰、防污等措施確保取水口運(yùn)行可靠。

2 設(shè)計(jì)思路

取水口的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)取水口的特點(diǎn)，從取水口選址、選型、布置、防冰、防沙等著手進(jìn)行，并且應(yīng)將施工措施及施工周期對(duì)取水口的影響以及后期運(yùn)行必備的極端工況下的防治措施考慮在內(nèi)。

2.1 防沙設(shè)計(jì)

對(duì)于黃河中游這種多泥沙河流取水口，防沙設(shè)計(jì)是重中之重。取水口防沙設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)取水口水工布置結(jié)合金屬結(jié)構(gòu)布置綜合考慮。延水關(guān)取水樞紐根據(jù)延水關(guān)地形、河勢(shì)等特點(diǎn)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(kāi)布置，取水斗槽有利于泥沙導(dǎo)排。上下游取水口處均設(shè)有疊梁擋沙閘門和取水工作閘門，在泥沙含量超過(guò)60 kg/m3時(shí)關(guān)閉取水口工作閘門，防止斗槽淤積。

考慮到取水口設(shè)計(jì)取水保證率較高，取水口底板高程提高受到限制。因此結(jié)合取水口底板高程和取水口前緣的淤積高程設(shè)置疊梁閘門擋沙，且在斗槽流道上不應(yīng)再出現(xiàn)其它阻水構(gòu)件（攔污柵除外），延水關(guān)取水口在上下游取水口分別設(shè)置1扇7 m×2 m 潛孔式取水閘門，在后期運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)潛孔式孔口不利于斗槽防沙，取水工作閘門胸墻阻水嚴(yán)重，不利于泥沙導(dǎo)排，導(dǎo)致斗槽在運(yùn)行階段淤積嚴(yán)重，影響取水。

雙向斗槽取水口有利于高水位時(shí)沖沙，為確保斗槽在低水位時(shí)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(cè)布置沖沙裝置，利用4 臺(tái)沖沙泵對(duì)斗槽全斷面進(jìn)行擾動(dòng)沖沙，防止泥沙淤積。

取水口在運(yùn)行階段針對(duì)斗槽極端工況下的泥沙淤積進(jìn)行清淤設(shè)計(jì)，在上游至下游斗槽內(nèi)增設(shè)6 臺(tái)潛水排污泵，通過(guò)6臺(tái)移動(dòng)式電動(dòng)葫蘆進(jìn)行移動(dòng)抽沙、排沙。

2.2 防冰凍設(shè)計(jì)

延水關(guān)樞紐取水口針對(duì)防冰凍設(shè)計(jì)成立了防冰凍研究科技項(xiàng)目，在上游取水口對(duì)不同的防冰凍方案進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)制定符合延水關(guān)取水口的防冰凍方案。

延水關(guān)取水斗槽為封閉箱體式混凝土結(jié)構(gòu)，冬季斗槽內(nèi)不會(huì)結(jié)冰，因此對(duì)于延水關(guān)取水口防冰凍的主要任務(wù)為攔截河道流冰和防止取水口處結(jié)冰。

取水口防冰凍還應(yīng)該考慮徑流變化及泥沙對(duì)防冰凍的影響，冬季黃河干流水庫(kù)存在高水頭運(yùn)行情況，隨時(shí)可能泄洪，泄洪導(dǎo)致河道水位突長(zhǎng)、泥沙含量陡增等情況，增加防冰凍難度。

延水關(guān)樞紐在上游取水口設(shè)置一道導(dǎo)冰排用來(lái)攔截、導(dǎo)運(yùn)河道流冰是很有必要的，導(dǎo)冰排設(shè)置在取水口最上游，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上不宜采用實(shí)覆式結(jié)構(gòu)，實(shí)覆式結(jié)構(gòu)阻水嚴(yán)重，不利于斗槽防沙，在防冰凍后期將上游取水口處導(dǎo)冰排更換為不阻水的攔冰網(wǎng)。

根據(jù)防冰凍試驗(yàn)確定上游取水口防冰凍方案，在進(jìn)口設(shè)置一道攔冰網(wǎng)用于攔截河道流冰，攔冰網(wǎng)頂部閘墩上設(shè)鋼桁架橋，桁架橋上布置起吊攔冰網(wǎng)用電動(dòng)葫蘆，并在桁架梁上設(shè)置破冰錘，用來(lái)破除攔冰網(wǎng)前凍冰，確保攔冰網(wǎng)前浮冰能導(dǎo)運(yùn)順暢。在攔冰網(wǎng)至攔污粗柵三角區(qū)域內(nèi)布置兩套壓縮空氣擾動(dòng)裝置，確保三角區(qū)域不結(jié)冰。每套擾動(dòng)裝置分別采用兩套固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)起吊，在不工作時(shí)將擾動(dòng)裝置提出水面。壓縮空氣擾動(dòng)裝置采用自動(dòng)化控制，擾動(dòng)裝置可根據(jù)水溫自動(dòng)調(diào)整噴氣壓力和脈沖噴氣頻率。

2.3 金屬結(jié)構(gòu)布置

取水口金屬結(jié)構(gòu)在水工布置基礎(chǔ)上結(jié)合防冰、防沙、防污等進(jìn)行金屬結(jié)構(gòu)布置。金屬結(jié)構(gòu)布置是解決取水口設(shè)計(jì)難點(diǎn)的關(guān)鍵。

延水關(guān)樞紐取水斗槽設(shè)有上下游兩個(gè)取水口，兩個(gè)取水口金屬結(jié)構(gòu)對(duì)稱布置，取水斗槽總長(zhǎng)度160 m，斗槽為封閉式箱體結(jié)構(gòu)。上游取水口與黃河主河道順?biāo)鞑贾茫M(jìn)口處傾斜布置一道25.3 m×0.8 m（寬×高）浮箱式導(dǎo)冰排（下游取水口未設(shè)導(dǎo)冰排），取水口從上游至下游依次設(shè)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(jié)門葉高1 m，共兩節(jié)）露頂式疊梁擋沙閘門，1 扇7 m×15.75 m（寬×高）露頂式攔污細(xì)柵，1 扇7 m×2 m（寬×高）潛孔式取水工作閘門，取水口閘頂設(shè)置1 臺(tái)單向門式啟閉機(jī)配合吊桿進(jìn)行攔污柵清污和各閘門啟閉。

取水口在防冰凍設(shè)計(jì)后期將取水口導(dǎo)冰排更換為攔冰網(wǎng)，閘頂增設(shè)鋼桁架橋，鋼桁架橋上設(shè)有啟閉機(jī)攔冰網(wǎng)用啟閉設(shè)備以及破冰錘。

金屬結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮泥沙、污物、流冰對(duì)取水口的影響，在攔污柵、擋沙閘門、沖沙裝置、防冰凍裝置設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)各種不利工況進(jìn)行模擬，確保各種設(shè)備在運(yùn)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(shè)計(jì)的關(guān)鍵。取水口布置是所有后續(xù)精細(xì)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，因此在前期設(shè)計(jì)階段的水工模型實(shí)驗(yàn)是至關(guān)重要的，且取水口布置必須將工程施工對(duì)取水口的影響考慮在內(nèi)。

考慮到黃河中游干流河道特征，因此在取水口設(shè)計(jì)時(shí)建議對(duì)取水口處一定范圍內(nèi)的河床進(jìn)行測(cè)量，在工程建設(shè)期嚴(yán)格控制施工范圍，盡量縮短施工周期，減小施工對(duì)河道走勢(shì)及流態(tài)的影響。在施工導(dǎo)流方式上盡量采用隧洞導(dǎo)流，使上游圍堰盡量遠(yuǎn)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(shí)，施工完成后對(duì)圍堰的拆除必須徹底，盡可能恢復(fù)原河道形貌。在工程完工、取水口運(yùn)行階段應(yīng)根據(jù)取水斗槽流態(tài)情況，在干流河道上采取一些工程措施確保取水斗槽流態(tài)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(jìn)行上下游取水口的控制，對(duì)斗槽防沙是不利的。

3 結(jié)語(yǔ)

取水口直面黃河干流，取水口設(shè)計(jì)關(guān)乎整個(gè)工程的成敗。如何有效解決進(jìn)水口處泥沙、污物、冰凍等問(wèn)題成為取水口設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

就延安引黃取水口建設(shè)至運(yùn)行期間觀測(cè)來(lái)看，取水口處的泥沙、污物及冰凍并不是單獨(dú)存在的，設(shè)計(jì)時(shí)必須同時(shí)考慮，這也是取水口設(shè)計(jì)難度高的主要原因。

對(duì)于黃河中游干流取水口進(jìn)行防沙設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該以疏導(dǎo)、轉(zhuǎn)運(yùn)為主，因此取水斗槽布置、流態(tài)以及流速必須有利于泥沙的導(dǎo)運(yùn)。在進(jìn)行防冰凍設(shè)計(jì)時(shí)，首先確保冰凌不能進(jìn)入取水斗槽內(nèi)，再考慮進(jìn)水口處的防凍以及冰凌擁堵、攀爬等問(wèn)題。

綜上所述，本文認(rèn)為黃河中游干流取水口設(shè)計(jì)必須從工程建設(shè)的全過(guò)程為出發(fā)點(diǎn)，針對(duì)取水口的難點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)籌和精細(xì)化設(shè)計(jì)。