新型無壩取水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 欣，潘云文

（1.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，鄭州450046；2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610065）

無壩取水是指在河岸適當(dāng)位置開挖取水口而不攔河筑壩，僅通過布設(shè)閘門來引流取水的工程措施。由于施工簡單、投資省、收益快，無壩取水在長期的工程實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用［1］。然而，現(xiàn)有無壩取水工程受河道水沙要素的影響是極大的：①取水口的選址受制于河道水沙條件［2］；②取水口的修建會破壞岸體原始結(jié)構(gòu)的完整性與穩(wěn)定性［3］；③當(dāng)外部因素導(dǎo)致河床下切，河道水位低于取水口的設(shè)計(jì)水位時(shí)，取水量減少，難于滿足用水需求［4］。此外，在取水的同時(shí)也不可避免地向渠道中引入了泥沙，這部分泥沙的沉積極易造成渠道壅塞［5］。目前，一般通過在水源與首部樞紐之間加設(shè)沉沙池的方式來解決水沙分離問題。沉沙池一般有“湖泊式”、旋流式和平流式等幾種型式?！昂词健背辽吵兀?］多半是利用附近荒灘洼地，因陋就簡地沿洼地邊緣圍堤而成，這種沉沙池省工、容積大，但由于過水?dāng)嗝娲笄也灰?guī)則，水流入池后突然擴(kuò)散，泥沙大量淤積在進(jìn)口附近的局部范圍內(nèi)，形成扇形淤積體，淤積分布極不均勻。旋流式沉沙池［7，8］是一種充分利用彎道環(huán)流不斷將推移質(zhì)泥沙輸向凸岸，再通過沿凸岸布設(shè)的一系列沖沙廊道將泥沙排走的工程結(jié)構(gòu)，但其取水口選址對河道水沙條件要求較高。平流式沉沙池［9］的主體部分實(shí)際上是一個加寬、加深了的明渠，主要由入流渠、沉沙區(qū)、出流渠、沉沙斗以及首尾控水閘門等部分組成。平流式沉沙池因結(jié)構(gòu)簡單、施工方便，其應(yīng)用也最為廣泛，但欲獲得較好的水沙分離效果通常其布設(shè)較長，占地分散。縱觀已有成果，有關(guān)無壩取水工程的研究設(shè)計(jì)尚顯不足，其結(jié)構(gòu)缺陷仍顯而易見，因此有必要立足理論［10，11］，回顧過往，創(chuàng)新思維，對無壩取水系統(tǒng)的新型結(jié)構(gòu)進(jìn)行可行性構(gòu)想。

1 設(shè)計(jì)思路

本系統(tǒng)包括三個單元：水力傳動單元、機(jī)械取水單元與雙螺旋沉沙單元，其平面布置如圖1所示。水力傳動單元布設(shè)于河道主流區(qū)，通過機(jī)械傳動將水流的動能轉(zhuǎn)化為對外驅(qū)動以運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械取水單元。機(jī)械取水單元固定于岸邊，由水力傳動單元驅(qū)動運(yùn)轉(zhuǎn)，可吸取河道中的水體并排入雙螺旋沉沙單元。雙螺旋沉沙單元修建于河岸，用于接納機(jī)械取水單元排出的水體并對其消能沉沙以降低水體中的含沙量，其中雙螺旋渠道內(nèi)布設(shè)有若干沖沙閘門（本文以十道沖沙閘門為例進(jìn)行后續(xù)闡述，由于各沖沙閘門結(jié)構(gòu)與布設(shè)方式相同，故此處僅繪出X 號沖沙閘門，其余以羅馬數(shù)字Ⅰ～Ⅸ標(biāo)示）與一道壅水閘門，各級沖沙閘門通過電學(xué)調(diào)控可實(shí)現(xiàn)逐級蓄水沖沙，壅水閘門通過電學(xué)調(diào)控可實(shí)現(xiàn)壅水沉沙。

2 系統(tǒng)構(gòu)造

2.1 水力傳動單元

水力傳動單元如圖2所示，主要由1 基臺、2 劈頭、3 U 形蓄水器、4升降塞、5杈形撐桿、6蓄水水泵、7排水水泵、8旋座、9旋梁、10水車、11傳動盤、12皮帶、13傳動齒輪、14傳動桿、15轉(zhuǎn)盤組成?；_的迎水面和背水面以流線型物面設(shè)計(jì)為最佳，如此其所受水流的沖擊較小、穩(wěn)定性較強(qiáng)。蓄水水泵用于向U 形蓄水器中蓄水，蓄水水泵的進(jìn)水管口必須布設(shè)至一定水深下以避免河道水位下降使得管口外露而致使蓄水水泵無法蓄水，而蓄水水泵的出水管只需連接至U 形蓄水器端口。排水水泵用于外排U 形蓄水器中的存水，排水水泵的進(jìn)水管口必須連接至U形蓄水器近底部以保證排水水泵可以對U 形蓄水器充分排水，而排水水泵的出水管口只需連接至基臺邊壁。U形蓄水器除豎立于基臺面上部的蓄排水端口段外的其他部分均內(nèi)嵌于基臺，在靠近基臺背水面的端口段內(nèi)部布設(shè)有一升降塞，該升降塞可由U 形蓄水器的蓄水量來調(diào)控其升降，繼而通過杈形撐桿鉸接傳動控制旋桿自由端的升降。

各部分的作用：

1 基臺——為布設(shè)水力取水單元的相關(guān)構(gòu)件提供操作平臺；

2 劈頭——在基臺背水面上端設(shè)計(jì)一斜向劈頭是為了消除基臺背水面頂端邊角對旋梁的阻礙以使其可最大限度地斜伸于河道；

3 U形蓄水器、4 升降塞、5 杈形撐桿——可由蓄水量的多少調(diào)控作用于升降塞的水壓力大小，并通過杈形撐桿的鉸接傳動控制旋桿自由端的升降，從而改變水流對水車的推動力大小，繼而調(diào)節(jié)水車的轉(zhuǎn)速以達(dá)到調(diào)控對外驅(qū)動的目的；

6 蓄水水泵——用于將河道中的水抽取入U(xiǎn) 形蓄水器以增大作用于升降塞的向上水壓力，繼而推動鉸接于升降塞的杈形撐桿以實(shí)現(xiàn)對旋桿自由端的抬升；

7 排水水泵——用于將U 形蓄水器中的存水抽入河道以減小作用于升降塞的水壓力，繼而使旋桿自由端以及安裝于旋桿上的相關(guān)部件在自重的作用下下降。

8 旋座——鉸接固定懸梁的一端與一傳動齒輪；

9 旋梁——用于安裝水車、傳動盤、皮帶與傳動齒輪等部件；

10 水車、11 傳動盤、12 皮帶、13 傳動齒輪、14 傳動桿、15 轉(zhuǎn)盤——通過機(jī)械傳動將水流的動能轉(zhuǎn)化為對外驅(qū)動。

2.2 機(jī)械取水單元

機(jī)械取水單元如圖3所示，主要由16取水腔體、17推拉桿、18推拉塞、19進(jìn)水管、20防倒吸隔板、21出水管、22閉氣隔板組成，其中推拉桿左端必須鉸接于水力傳動單元的轉(zhuǎn)盤邊壁處，而出水管口須連接至雙螺旋沉沙單元的進(jìn)水端口。

各部分的作用：

16 取水腔體、17 推拉桿、18 推拉塞——由于推拉桿左端鉸接于水力傳動單元的轉(zhuǎn)盤邊壁處，從而當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動時(shí)將帶動推拉桿與推拉塞作推拉往復(fù)運(yùn)動。當(dāng)推拉塞作往復(fù)運(yùn)動時(shí)，在取水腔體體積增大的過程中，由于大氣壓的作用，閉氣隔板將閉合，防倒吸隔板將開啟，河道中的水體將由進(jìn)水管被吸入取水腔體；在取水腔體體積減小的過程中，由于腔內(nèi)水壓力的作用，閉氣隔板將開啟，防倒吸隔板將關(guān)閉，推拉塞將推擠取水腔體中的水體使之由出水管流出；

19 進(jìn)水管——在大氣壓的作用下，將河道中的水體引入取水腔體內(nèi)部；

20 防倒吸隔板——防止已經(jīng)吸入取水腔體內(nèi)部的水體倒流；

21 出水管——在推拉塞推擠取水腔體內(nèi)部水體的過程中，將取水腔體中的水體引至雙螺旋沉沙單元；

22 閉氣隔板——在取水腔體體積增大的過程中，利用大氣壓的作用閉合出水管道，繼而使取水腔體內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓以便將河道中的水體吸入取水腔體內(nèi)部。

2.3 雙螺旋沉沙單元

雙螺旋沉沙單元如圖4所示，主要由23 進(jìn)水端口、24 雙螺旋渠道、25 沖沙閘門、26 排沙端口、27 壅水閘門、28 出水端口組成，其中沖沙閘門與壅水閘門的表觀構(gòu)造是完全相同的，所不同的僅僅是部件尺寸與安裝方式，具體結(jié)構(gòu)見圖5。各沖沙閘門從進(jìn)水端口附近開始依次相間布設(shè)于雙螺旋渠道內(nèi)部，其布設(shè)間距與布設(shè)數(shù)目一般須根據(jù)水躍長度及水躍沖沙能力確定，另外還需考慮沖沙耗時(shí)與構(gòu)件成本。雙螺旋沉沙單元出水段結(jié)構(gòu)如圖6所示，壅水閘門安裝于凹槽內(nèi)部，且當(dāng)壅水閘門關(guān)閉時(shí)，其擋水板上端與渠道底部是齊平的。

各部分的作用：

23 進(jìn)水端口——將機(jī)械取水單元抽取的水體引入雙螺旋沉沙單元；

24 雙螺旋渠道——雙螺旋渠道可使渠中流動的水體形成螺旋流，與同樣長度的順直渠道相比將產(chǎn)生更大的水頭損失，從而減緩渠道中的水體流速，繼而使水體中的泥沙更易于沉降。此外，雙螺旋渠道中部渠壁相互共用，可減小工程量，降低修建成本，且占地集中，便于布置；

25 沖沙閘門——可通過電學(xué)調(diào)控（如圖8右邊部分電路所示）以實(shí)現(xiàn)逐級蓄水，逐次開閘，相繼沖沙（在逐級蓄水沖沙的過程中，沖沙閘門僅適當(dāng)開啟，前部渠道中存蓄的水體則從閘門底端開啟處沖出形成水躍，如圖7所示），直至將雙螺旋渠道內(nèi)沉積的泥沙全部由排沙端口沖排入河道；

26 排沙端口——當(dāng)通過電學(xué)調(diào)控對雙螺旋渠道蓄水沖沙時(shí)，排沙端口將把從渠道中沖起的泥沙排入河道；

27 壅水閘門——基于挾沙水流含沙量沿垂線“上小下大”的分布規(guī)律，僅使渠道中水位高于壅水閘門擋水板上端的表層清水才能漫過壅水閘門擋水板上端從出水端口流出，從而極大地降低了所取水體的含沙量；此外，壅水閘門的壅水作用會增加雙螺旋渠道的水深，繼而增大渠道的過流面積，降低水體流速，這也使得水體中的泥沙更易于沉降；

28 出水端口——將由壅水閘門擋水板上端漫出的表層清水引入取水管線，繼而輸送至用水處；

29 凹槽——用于安裝壅水閘門；

30 裝機(jī)臺——為電動機(jī)的布設(shè)與安裝提供操作平臺；

31 承重支板——支撐裝機(jī)臺，使其承重平衡；

32 電動機(jī)——將電能轉(zhuǎn)化為動能以調(diào)控壅水閘門與沖沙閘門的啟閉；

33 傳動斜齒輪、34 控閘斜齒輪、35 螺紋升降桿（控閘斜齒輪中部螺紋孔的螺紋與升降桿外部的螺紋是相互嚙合的）、36擋水板——通過機(jī)械傳動實(shí)現(xiàn)閘門的啟閉；

37 閘槽——限制擋水板使其只能沿著閘槽升降滑動。

2.4 調(diào)控電路

無壩取水系統(tǒng)調(diào)控電路如圖8所示，分為左右兩部分，左邊電路由37 電源、38 和39 單控開關(guān)、6 蓄水水泵、7 排水水泵以及若干導(dǎo)線組成，主要用于控制蓄水水泵向U 形蓄水器中蓄水，排水水泵往U 形蓄水器外排水；右邊電路由40 和41 雙控開關(guān)、32電動機(jī)以及若干導(dǎo)線組成，主要用于調(diào)控沖沙閘門與壅水閘門的啟閉，由于各沖沙閘門與壅水閘門的調(diào)控電路相同，此處僅以一獨(dú)立支路示意，實(shí)際上各沖沙閘門與壅水閘門各自擁有如右邊電路所示的獨(dú)立調(diào)控電路，且各調(diào)控電路均并聯(lián)于電源。

各部分的作用：

37 電源——為電路提供電能；

38 和39 單控開關(guān)——控制蓄水水泵與排水水泵的休停與運(yùn)轉(zhuǎn)；

40 和41 雙控開關(guān)——當(dāng)雙控開關(guān)同時(shí)與上端導(dǎo)通時(shí)（如圖8紅圈所示），電動機(jī)正向轉(zhuǎn)動，繼而使相應(yīng)于調(diào)控電路的沖沙閘門或壅水閘門開啟；當(dāng)雙控開關(guān)同時(shí)與下端導(dǎo)通時(shí)（如圖8藍(lán)圈所示），電動機(jī)反向轉(zhuǎn)動，繼而使相應(yīng)的沖沙閘門或壅水閘門關(guān)閉。

3 工作過程

（1）先操作如圖8右邊部分所示的各沖沙閘門與壅水閘門的調(diào)控電路，使最靠近排沙端口的X 號沖沙閘門完全關(guān)閉，Ⅰ～Ⅸ號沖沙閘門（如圖1閘位標(biāo)記所示）完全開啟，壅水閘門適當(dāng)開啟。

（2）再操作如圖8左邊部分所示的蓄排水調(diào)控電路，通過改變U 形蓄水器中的存水量來控制旋桿自由端的升降，從而改變河道水流對水車的推動力大小，繼而調(diào)節(jié)水車轉(zhuǎn)速，最終達(dá)到調(diào)控對外動力輸出的目的。

（3）水力傳動單元運(yùn)轉(zhuǎn)后，將驅(qū)動機(jī)械取水單元運(yùn)轉(zhuǎn)，繼而將河道中的水體吸入取水腔體內(nèi)并最終排入雙螺旋沉沙單元中。

（4）由于壅水閘門的壅水作用，進(jìn)入雙螺旋渠道的水體暫時(shí)積蓄，水體中含帶的泥沙也將開始沉淀。待渠道中的蓄水水位高于壅水閘門擋水板上端時(shí)，雙螺旋渠道中的表層清水才將漫過壅水閘門擋水板上端從出水端口流出。

（5）當(dāng)雙螺旋沉沙單元運(yùn)行一段時(shí)間后，其渠道底部將沉積大量泥沙。操作如圖8左邊部分所示的調(diào)控電路使蓄水水泵向U 形蓄水器蓄水直至旋桿自由端完全抬起。此時(shí)水車將脫離與河道水流的接觸，繼而停止水力傳動單元與機(jī)械取水單元的運(yùn)轉(zhuǎn)，暫停取水。

（6）待雙螺旋渠道中的水體沉積一段時(shí)間后，操作如圖8右邊部分所示的壅水閘門的調(diào)控電路，使壅水閘門間歇式緩慢關(guān)閉，使渠道中存蓄的水體漸次從壅水閘門擋水板上端漫出，并經(jīng)出水端口流至取水管線，繼而輸送至用水處，此過程將持續(xù)至雙螺旋渠道中存蓄的水體完全排盡。

（7）再次操作如圖8右邊部分所示的各沖沙閘門與壅水閘門的調(diào)控電路，完全開啟壅水閘門，使雙螺旋沉沙單元的出水段封閉，然后關(guān)閉Ⅰ號沖沙閘門，開啟Ⅱ～X號沖沙閘門，使Ⅰ號沖沙閘門前段的渠道處于待蓄水狀態(tài)。

（8）再操作如圖8左邊部分所示的調(diào)控電路，利用排水水泵將U 形蓄水器中的水抽排至河道。當(dāng)旋桿自由端安放的水車與河道水流充分接觸時(shí)，斷開排水水泵的調(diào)控電路，使排水水泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)。此時(shí)河道中的水流將推動水車轉(zhuǎn)動，繼而使水力傳動單元與機(jī)械取水單元再次工作，重啟取水過程。

（9）當(dāng)取水過程重啟后，由河道中抽取的水體將暫時(shí)蓄積于Ⅰ號沖沙閘門前段的渠道中，待該段渠道蓄滿后，適當(dāng)開啟Ⅰ號沖沙閘門使其前段渠道中蓄存的水體則從Ⅰ號沖沙閘門底端開啟處沖出形成水躍以實(shí)現(xiàn)沖沙。待Ⅰ號沖沙閘門與Ⅱ號沖沙閘門之間的雙螺旋渠道底部沉積的泥沙沖盡，則完全開啟Ⅰ號沖沙閘門并關(guān)閉Ⅱ號沖沙閘門，使Ⅱ號沖沙閘門前段的渠道處于待蓄水狀態(tài)，待Ⅱ號沖沙閘門前段的渠道蓄滿后，再適當(dāng)開啟Ⅱ號沖沙閘門使Ⅱ號沖沙閘門前段渠道中蓄存的水體從Ⅱ號沖沙閘門底端開啟處沖出形成水躍以實(shí)現(xiàn)沖沙，以此類推，逐級蓄水，逐次沖沙，直至將雙螺旋渠道中沉積的泥沙完全沖盡并經(jīng)排沙端口排入河道，最終由河道水流沖挾帶而走。

（10）待雙螺旋渠道中沉積的泥沙完全沖盡后，再次操作如圖8右邊部分所示的各沖沙閘門與壅水閘門的調(diào)控電路，使最靠近排沙端口的X 號沖沙閘門完全關(guān)閉，Ⅰ～Ⅸ號沖沙閘門完全開啟，壅水閘門適當(dāng)開啟，重啟壅水沉沙過程。

4 結(jié) 語

基于力學(xué)、機(jī)械與電學(xué)原理設(shè)計(jì)了取水速度可控的新型沉沙取水系統(tǒng)，降低了取水口選址對河道水沙條件的要求，避免了取水口修建對岸體原始結(jié)構(gòu)完整性與穩(wěn)定性的破壞；通過雙螺旋渠道中部渠壁的相互共用，減小了沉沙池的修建成本，且使其占地集中，便于布置；根據(jù)雙螺旋幾何特點(diǎn)、彎道水流運(yùn)動特性和泥沙沉降規(guī)律，利用螺旋流消能沉沙，提高了沉沙效率。所述設(shè)計(jì)構(gòu)思科學(xué)，物理概念清晰，實(shí)施簡易，普遍適用于天然河道的引流取水。此外，其水力傳動單元可作為常規(guī)水力裝置的動力驅(qū)動；其雙螺旋沉沙單元可用于自來水廠的初步凈水沉淀以及城市污水處理；若將該系統(tǒng)的水力傳動單元與機(jī)械取水單元組合還可用于農(nóng)業(yè)取水灌溉。