第三节　地表水取水构筑物

一、取水构筑物位置的选择

取水构筑物位置选择的恰当与否,直接影响取水的水质、水量和安全可靠性,以及工程投资、施工、运行管理等。因此,正确选择取水口位置是给水工程设计中十分重要的问题。选择取水口时应当深入现场,调查研究,全面掌握河流的特性,根据取水河段的水文、地质、卫生等条件,全面分析,综合考虑,提出几个可能的取水位置方案,然后进行技术经济比较确定最终的取水位置。选择取水构筑物位置时,应考虑以下基本要求:

(1)设在水质较好的地点。为了减少生活、生产污水的污染,取水口宜放在城镇的上游河段。设在污水排放口上游100~150m以上,若只能设在下游,应设在排放口下游1000m以外。对潮汐河段,应考虑涨潮回水时污水的污染,应通过调查确定回流污染的范围和程度,确定取水口位置。

(2)具有稳定的河床和河岸,靠近主流,有足够的水深。为避免河段冲淤影响取水构筑物,取水口应尽可能选在顺直的河段,且宜设在河床稳定、深槽主流近岸处,此河段通常也是河流较窄、流速较大、水深较大处。取水构筑物处最小水深要求为2.5~3.0m。

在弯曲河段,由于横向环流作用,凸岸易淤积,岸坡平缓,主流远岸,不宜设取水口。取水口宜选在水深岸陡、泥沙量少的凹岸,并在顶冲点下游15~20m处。

在有支流汇入干流的河段,取水构筑物应离开支流入口一定距离;在有边滩、沙洲的河段,应了解边滩、沙洲的发展趋势,取水构筑物应离开一定的距离。

(3)具有良好的地质、地形及施工条件。取水构筑物应设在地质构造稳定、承载力高的地基上,以节省工程造价,减小施工难度,提高取水构筑物的结构安全性。

(4)靠近主要用水区。取水构筑物位置应与整个用水区相适应。当用水区用水较均匀时,取水构筑物宜设在用水区的中部;当存在用水大户时,取水构筑物尽可能靠近主要用水区。这样做有利于提高配水均匀性,并减小大流量输水管长度和输水电费。

(5)应注意河流上人工构筑物或天然障碍物。人工构筑物,如桥梁、码头、丁坝、拦河坝等,会对河流特性产生影响。因此,取水构筑物位置选择要考虑它们的影响范围,如应设在桥梁上游0.5~1.0km、下游1.0km以外;应距码头边缘100m以外等。

(6)应与河流的综合利用相适应。在选择取水构筑物位置时,应结合河流的综合利用,如航运、灌溉、排洪、水力发电等,全面考虑,统筹安排。在通航的河流上设置取水构筑物时,应不影响航船的通行,必要时应按照航道部门的要求设置航标,应注意了解河流上下游近远期内拟建的各种水工构筑物和整治规划对取水构筑物可能产生的影响。

二、取水构筑物的形式

按照取水构筑物的构造不同可分为固定式取水构筑物、移动式取水构筑物和山区浅水河流取水构筑物。固定式取水构筑物按照取水位置不同分为岸边式、河床式和斗槽式。移动式取水构筑物主要包括浮船式和缆车式。山区浅水河流取水构筑物主要有低坝式和底栏栅式。低坝式分为固定式低坝式和活动式低坝式,活动式低坝如橡胶坝、水力自动翻板闸、浮体闸等。

(一)固定式取水构筑物

1.岸边式取水构筑物

直接从岸边进水口取水的构筑物称为岸边式取水构筑物,它由集水井和泵房两部分组成。岸边式取水构筑物无需在江河上建坝,适用于当河岸较陡,主流近岸,岸边水深足够,水质和地质条件都较好,且水位变幅稳定的情况,但水下施工工程量较大,且须在枯水期或冰冻期施工完毕。根据集水井与泵房是否合建,岸边式取水构筑物可分为合建式和分建式两种。

(1)合建式取水构筑物。合建式岸边取水构筑物是由集水井和取水泵站联合构成的整体构筑物,直接设于岸边,一般有阶梯式(图3-1)和水平式(图3-2)两种布置方式。河水经进水孔进入进水间,再经过吸水间进水孔进入吸水间,然后由水泵吸水管从吸水间抽水送至水处理厂或用户。进水间和吸水间统称为集水井,进水间和吸水间的进水孔上分别设有格栅和格网,用以拦截水中粗大和细小的杂质。

(2)分建式岸边取水构筑物。当岸边地质条件差,泵房不宜建在岸边,或者分建对结构和施工有利时,宜采用分建式,即集水井设在岸边集水,泵房远离岸边一定距离,水泵通过较长的吸水管伸入吸水间吸水,如图3-3所示。

2.河床式取水构筑物

河床式取水构筑物与岸边式基本相同,它是用伸入江河中的进水管来代替岸边式进水间的进水孔。常用的河床式取水构筑物由取水头部、进水管、集水井和泵房四部分组成。

河床式取水构筑物按照集水井可与泵房是否合建,也可分为合建式和分建式两种,其适用条件和优缺点同岸边式。按照进水管引水方式不同,河床式取水构筑物有自流管式、虹吸管式、水泵直接吸水式等形式。

(1)自流管式。河水进入取水头部后经自流管靠重力流入集水井,这种取水构筑物称为自流管式取水构筑物,如图3-4所示。河水靠重力自流,管道埋设在最低设计水位以下,因此运行可靠。自流管一般不宜少于两条,当一条停止工作时,其余管道能通过70%的设计流量。进水管末端应设检修阀门。自流管式适用于河滩平缓、自流管埋深不大的场合。随着顶管技术的日趋成熟,自流管式取水构筑物得到越来越广泛的应用,特别在供水可靠性要求较高的场合,一般都采用此形式。

(2)虹吸管式。当河滩高出最低水位的高度较大,埋设自流管开挖量大,或河滩为坚硬岩石,或自流管要穿越防洪堤时,可采用虹吸管引水,如图3-5所示。虹吸管最大虹吸高度不超过7m。为保证虹吸管运行可靠,其进出口应淹没在最低进出水位以下1.0m。虹吸管式与自流管式相比,减少了土石方量,缩短了工期,节约了投资。但启动要抽真空,对进水管材及施工质量要求高。

(3)水泵直接吸水式。在小型取水工程中,不设集水井,水泵吸水管直接伸入河中取水,如图3-6所示。在吸水口安装取水头部,再在其周围做简易的格栅拦污设施。水泵直接吸水式可利用水泵吸水高度抬高泵房底板高程,减小泵房深度,又省去进水间,故结构简单,造价较低。但此形式拦污不彻底,头部易堵塞,吸水管路多,运行可靠性差。因此,该形式适用于水中漂浮物不多、吸水管不长、安全要求不高的中小型取水构筑物。

取水头部设在进水管最前端,用以拦截河流漂浮物,调整进水方向和流态,使进水管引到水质较好的水。常见的取水头部有喇叭口式、蘑菇式、鱼形罩式、箱式等形式(图3-7~图3-10)。取水头部上设有进水格栅,根据水中所含漂浮物的种类、流速确定进水孔的朝向。进水孔应淹没在最低水位以下一定深度,并高出河床面一定高度。

(4)潜水泵取水构筑物。在水位变化较大的河流上,可用潜水泵直接取水,如图3-11所示。它不需要泵房,只需要建配电间,对大型潜水泵需建吸水井。因此结构简单,节约土建费用,减少占地面积,当水位变幅大时优点尤为突出;它安装维护方便,机泵整体安装,省去了繁琐的机泵对中安装,机泵潜于水中,平时基本不需维护。但一旦发生故障时检修困难,小型潜水泵效率较低。

3.斗槽式取水构筑物

斗槽式取水构筑物由进水斗槽和岸边式取水构筑物组成,即在岸边式取水构筑物取水处的河流岸边用堤坝围成斗槽,利用斗槽中流速较小、水中泥沙易于沉淀、潜冰易于上浮的特点,减少泥沙和冰凌进入取水口,从而进一步改善水质。当河流含沙量大、冰凌严重时,宜采用斗槽式取水构筑物。斗槽的类型按其水流补给的方向可分为顺流式斗槽、逆流式斗槽、侧坝进水逆流式斗槽和双向式斗槽。

(1)顺流式斗槽。斗槽中水流方向与河流流向基本一致,如图3-12(a)所示。这种形式取水时在斗槽进口处形成壅水和横向环流,使大量的表层水进入斗槽,大部分悬移质泥沙由于流速减小而下沉,河底推移质泥沙随底层水流出斗槽,故进入斗槽的泥沙较少,但潜冰较多,适用于含沙量较高但冰凌不严重的河流。

(2)逆流式斗槽。逆流式斗槽中水流方向与河流流向相反,如图3-12(b)所示。这种形式取水时在斗槽进水口处产生抽吸作用,使斗槽进口处水位低于河流水位,于是河流的底层水大量进入斗槽,故能防止漂浮物及冰凌进入槽内,并能使进入斗槽中的泥沙下沉、潜冰上浮,适用于冰凌情况严重、含沙量较少的河流。

(3)侧坝进水逆流式斗槽。在逆流式斗槽渠道的进口端建两个斜向的堤坝,伸向河心,如图3-12(c)所示。斜向外侧堤坝能被洪水淹没,内侧堤坝不能被洪水淹没。在有洪水时,洪水流过外侧堤坝,在斗槽内产生顺时针方向旋转的环流,将淤积于斗槽内的泥沙带出槽外,另一部分河水顺着斗槽流向取水构筑物。这种形式的斗槽适用于含沙量较高的河流。

(4)双向式斗槽。双向式斗槽是顺流式和逆流式的组合,兼有两者的特点,如图3-12(d)所示。当夏秋汛期河水含沙量大时,可打开上游端闸门,利用顺流式斗槽进水;当冬春季冰凌严重时,可打开下游端闸门,利用逆流式斗槽进水。这种形式的斗槽适用于冰凌严重且泥沙含量高的河流。

(二)移动式取水构筑物

1.浮船式取水构筑物

浮船式取水构筑物是将水泵安装在浮船上,以适应水位涨落。它由装有水泵的浮船、敷设在岸坡上的输水管及连接输水管与浮船的活动联络管组成,如图3-13所示。

2.缆车式取水构筑物

缆车式取水构筑物是将水泵安装在可沿坡道上下移动的缆车上以适应水位的变化。它由泵车、坡道、输水管、牵引设备组成,如图3-14所示。与浮船式相比,缆车受风浪影响小,比浮船稳定,但投资大,适用于水位变幅大、涨落速度不大(≤2m/h)、无冰凌和漂浮物较少的河段。

(三)山区浅水河流取水构筑物

1.固定式低坝

固定式低坝取水构筑物通常由拦河低坝、冲沙闸、进水闸或取水泵房等部分组成,其布置如图3-15所示。固定式低坝用混凝土或浆砌块石做成溢流坝式,坝高应能满足设计取水深度的要求,通常为1~2m。由于筑低坝抬高了上游水位,使水流速度变小,泥沙易沉积,因此在靠近取水口进水闸处设置冲沙闸,并根据河道情况,修建导流整治设施,其作用是利用上下游的水位差,将坝上游沉积的泥沙排至下游,以保证取水构筑物附近不淤积。进水闸的轴线宜与冲沙闸轴线成较小的夹角(30°~60°),使含沙量较少的表层水从正面进入进水闸,含泥沙较多的底层水从侧面由冲沙闸排至下游,从而取得水质较好的水。当河流水质常年清澈时,可不设冲沙闸。为了防止河床受冲刷,保证坝基安全稳定,一般在溢流坝、冲沙闸下游一定范围内需用混凝土或块石铺砌护坦,护坦上设消力墩、齿槛等消能设施。

2.活动式低坝

活动式低坝是新型的水工构筑物,枯水期能挡水和抬高上游的水位,洪水期可以开启,故能减少上游淹没的面积,并能冲走坝前沉积的泥沙,因此采用较多,但维护管理较复杂。近些年来广泛采用的新型活动坝有橡胶坝、水力自控翻板闸门、浮体闸等。

橡胶坝有袋形和片形。袋形橡胶坝(图3-16)是用合成纤维织成的帆布,布面塑以橡胶,粘合成坝袋,锚固在坝基和边墙上,坝内充以空气或水,形成坝体挡水,洪水时排出袋中水或气体以落坝泄水。橡胶坝施工快,造价省,运行管理方便,但易磨损老化。

3.底栏栅式取水构筑物

在河床较窄、水深较浅、河床纵坡降较大(一般i≥0.02)、大粒径推移质较多、取水百分比较大的山区河流取水,宜采用底栏栅式取水构筑物。这种构筑物通过坝顶带栏栅的引水廊道取水,由拦河低坝、底栏栅、引水廊道、沉沙池、取水泵站等部分组成,其布置如图3-17所示。拦河低坝用以抬高水位,坝与水流方向垂直,坝身一般用混凝土或浆砌块石筑成。在拦河低坝的一段筑有引水廊道。廊道顶盖有栏栅。栏栅用于拦截水流中大颗粒推移质及树枝、冰凌等漂浮物,引水廊道则汇集流进栏栅的水并引至岸边引水渠或沉沙池。栏栅堰顶一般高于河床0.5m,如需抬高水位,可建1.2~2.5m高的壅水坝。在河流水力坡降大、推移质泥沙多、河坡变缓处的上游,栏栅的堰顶可高出河床1.0~1.5m,河水流经坝顶时,一部分通过栏栅流入引水廊道,其余河水经坝顶溢流。为了在枯水期及一般平水季节使水流全部从底栏栅上通过,坝身的其他部分可高于栏栅坝段0.3~0.5m。沉沙池的作用是去除粒径大于0.25mm的泥沙。进水闸用以在栏栅及引水廊道检修时或冬季河水较清时进水。当取水量较大、推移质较多时,可在底栏栅一侧设冲沙室,用以排泄坝上游沉积的泥沙。为了防止冲刷,应在坝的下游用浆砌块石、混凝土等砌筑陡坡、护坦及消能设施。若河床有透水性好的砂卵石时,应清基或修筑铺盖做防渗处理。