水库分层取水设计的思考_马洪雁.pdf

LOW CARBON WORLD 2022/12水库分层取水设计的思考马洪雁（黔南州水利水电工程质量安全技术中心，贵州 黔南 558000）【摘要】以具体工程为实例，介绍了水库取水建筑物金属结构设计，对取水建筑物的闸门及启闭设备的设计要点展开了详细的研究，以保证城市供水为水库表层优质水，避免下泄低温水产生的不利影响。对水库下游提供稳定可靠的灌溉水源，促进区域经济发展、社会稳定和自然生态环境的改善。【关键词】水库工程；分层取水；结构设计【中图分类号】TV135【文献标识码】A【文章编号】2095-2066（2022）12-0082-030引言水库供水水质对居民的日常生活和社会经济的发展均有明显影响，水库正常运行水位变幅大，易出现下泄深层矿物质超标及其他水质欠佳的状况，供水品质下降，影响人畜用水、农业生产灌溉、水生物生长等多个方面，切实提高水库供水水质至关重要。分层取水是突破该局限性的重要思路，深入探讨水库分层取水设计要点具有必要性。1工程概况麦况水库正常蓄水位 1 178.00 m，相应库容为229 万 m3，校核洪水位 1 180.58 m，总库容 279 万m3，大坝为常态混凝土重力坝，最大坝高 50.5 m。水库工程规模为小（一）型，工程等别为等，工程主要任务是保障人畜饮水及农田灌溉。水库枢纽由大坝、坝顶溢洪道、取水兼放空建筑物、麦况泵站及输水管道等建筑物组成。大坝坝顶高程 1 181.50 m，坝顶宽 5 m，采用 C15 常态混凝土施工。坝顶溢洪道采用开敞式自由溢流形式，堰顶高程 1 178.00 m，溢流堰进口净宽 10 m，设两个孔。水库枢纽金属结构由引水建筑物的闸门及启闭设备组成，共设 6 套闸门及一套启闭设备，门重 23.3 t，埋件重 16.2 t。2水库枢纽金属结构的设计水库正常运行水头达 33.5 m，为了避免下泄深层低温水对人畜饮水、农田灌溉、水生物的负面影响，水库采用分层取水的方式来提升下泄水的水温。水库分两层取水口，取水高程依次为 1 144.50 m、1 161.00 m。在确定取水口的布置方式后，进行金属结构的设计，在取水口进口处设一套拦污栅、1 144.50 m 和 1 161.00 m 高程处各设一套工作闸门。拦污栅和两孔工作闸门共用一台 QPT-320 kN-4 m的移动式启闭机操作。闸门后接直径 1 000 mm 的钢管，钢管上设两根岔管，岔管管径分别为 400 mm和 200 mm。1 000 mm 钢管上设 1 000 mm 工作阀门供水库放空用，在 400 mm 岔管上设 400 mm的工作阀门供水库灌溉供水用，在 200 mm 岔管上设 200 mm 的工作阀门供水库下泄生态水用。3引水建筑物的闸门及启闭设备的设置3.1拦污栅及启闭设备（取水口进口）拦污栅主要用于拦截污物，防止污物进入压力管道而引起管道堵塞。本工程采用的是孔口尺寸为1.2 m37 m-4 m（宽高-设计水头）的活动式拦污栅，布设位置在取水口工作闸门前 1 144.50 m 高程处。取水流量 14.79 m3/s，拦污栅静水启闭，最大过栅流速 0.5 m3/s，人工提栅清污，设计水位差为 4.0 m，栅体采用活动式平面直立形式。拦污栅总高 37 m，为了方便制造、安装、运输，起吊检修栅体分为 17 节，每节的结构形式一样，顶、底节的拦污栅高 1 999 mm，中间 15 节拦污栅高 2 198 mm，上下节栅体之间用连接装置连接，每节栅体上均设有锁定梁板，检修时采用启闭设备一节一节地提出孔口检修。含拉杆、锁定梁在内的栅体总重为 16.2 t，埋件重 5.3 t。为监测拦污栅拦截污物的状况，配置一套水位差仪以保证拦污栅的安全运行和水库的正常使用，当拦污栅上、下游水位差达 3 m 时，需及时清理拦截的污物，动水关闭栅后工作闸门，静水将栅体一节一节提出清污，待清污完成后，再静水将拦污栅一节一节连接及放入孔口，然后将栅后工作闸门提出孔口并锁定在检修平台的闸槽内1-2。取水口拦污栅、工作闸门、启闭机如图 1 所示。拦污栅栅体钢板、型钢均采用 Q235B 的钢材，主梁、边梁均采用 I32b 的工字钢，设 3 根主横梁，主横梁间距为 700 mm（顶、底层）、800 mm（中层），支承跨低碳技术82DOI:10.16844/10-1007/tk.2022.12.031LOW CARBON WORLD 2022/12度为 1 500 mm 的简支梁。栅片间距 100 mm，栅片净距 90 mm。栅体边柱上、下游侧分别设有 4 个滑块，滑块采用 Q235B 材料。拦污栅尺寸比较小，需提前在工厂加工，安装并编号，检验合格后再运往工地进行组装。进口拦污栅结构和零部件计算应力均小于规范的容许应力，刚度及整体稳定性验算也均满足规范要求，其主要结构计算结果如表 1 所示。对比分析计算结果与规范允许值可知，拦污栅设计选型布置合理，结构稳定可靠，配置的启闭机型式在工程中具有可行性，容量达到要求。3.2工作闸门及启闭设备（取水口进口）工作闸门共两套，均为潜孔式平面定轮钢闸门，分别设置在 1 144.50 m、1 161.00 m 处，闸门孔口尺寸 1.2 m1.2 m，设计水头分别为 36 m、20 m。考虑到闸门孔口尺寸较小，若闸门结构分别按 36 m、20 m水头进行结构设计，门体重量增加幅度不大，对工程投资影响极小。将门体设计为相同的结构形式，便于闸门的制作、加工、安装和运行管理，能避免在安装或检修时由于误将闸门放错孔口，致使运行时门体结构破坏的安全隐患。为保证工程的安全性，取水口两孔工作闸门均按照最大水头 36 m 进行结构设计。门叶结构多采用多主横梁形式布置，采用 3 根主梁、两条纵隔板的结构布置，纵隔板间距为 600 mm，边梁采用单腹板型式，主支承采用悬臂轮形式，侧向支承采用悬臂式侧轮装置，底止水设置在偏上游面，闸门面板及顶、侧止水规划设置在下游面。主悬臂轮的材料选用 ZG310-570 铸钢，轮轴采用优质 45#钢制作而成，用 GS-2 钢背复合材料加工轴套。底止水向上游上移 190 mm，门体利用水柱闭门，在门体上游侧边梁设 4 个悬臂式侧轮，目的在于控制闸门的侧向位移。工作钢闸门结构布置如图 2 所示。水库日常运行状态下，取水口工作闸门保持挡水状态，2#闸门在水位超过 1 163.00 m 时开启，1#、2#闸门在水位为 1 146.001 163.00 m 时同步开启。闸门不工作时，提起并锁定在闸孔内。每扇门体由拉杆与启闭机连接启吊，以减小启闭机扬程。启闭机两侧为走道，启闭机平台下游端设启闭机停放和维修平台。经过验算分析，1.2 m1.2 m-36 m 工作闸门结构和零部件计算应力均小于规范的容许应力，刚度及整体稳定性验算也均满足规范要求。计算闸门启门力 FQ=208 kN，闸门闭门力 FW=-47.1 kN0，启闭设备选用 QPT-320 kN-4 m 移动式卷扬式启闭机，启闭机容量为 320 kN，扬程 4 m，启闭机容量满足设计要求，闸门利用水柱能闭门。取水口进口工作闸门的主要结构计算结果如表 2 所示。经过计算结果与规范允许值的对比分析可知，取水口事故闸门选型布置合理，配置的启闭机型式在工程中具有可行性，容量和扬程均达到要求3。3.3灌溉取水管工作阀门的设计为满足灌溉取水要求，在 400 mm 岔管上布置400 mm 多功能活塞阀（工作阀门），设计水头 36 m，阀门的公称通径 400 mm、中心高程 1 145.10 m，公称压力 0.6 MPa，操作运行条件为动水启闭，操作方序号项目材料或型号 计算结果 规范允许值1栅条最大弯曲应力Q235B19.2 MPa160 MPa2栅条稳定验算Q235B29.423主梁最大弯曲应力Q235B12.4 MPa160 MPa4主梁最大计算挠度Q235B0.3 mm4.2 mm5边梁最大弯曲应力Q235B20 MPa160 MPa6边梁最大计算挠度Q235B0.3 mm4 mm7轨道底板混凝土承压应力C253.8 MPa9 MPa8轨道横断面弯曲应力Q235B24 MPa150 MPa9轨道底板的弯曲应力Q235B33.9 MPa100 MPa10启门力250 kN320 kN表1进口拦污栅（1.2 m37 m-4 m）主要结构计算结果图1取水口拦污栅、工作闸门、启闭机QPT-320 kN-4 m拦污栅锁定梁栏杆校核洪水位（P=0.5%）1 180.58 mm设计洪水位（P=3.3%）1 179.99 mm正常蓄水位1 178.00 mm启闭机室1 185.50 mm坝轴线工作闸门锁定梁1 182.70 mm坝顶高程1 181.50 mm低碳技术83LOW CARBON WORLD 2022/12式为手电两用。在下游需要取水时该工作阀门开启放水，主要功能是消能减压、调节流量。该阀门长期处于开启状态，当下游管道需要检修时关闭阀门，当阀门需要检修或更换时关闭取水口闸门即可。为便于闸阀的安装、拆卸及检修，在工作阀门前设置一套法兰式管道伸缩节4。3.4放空管工作阀门的设计为满足水库放空的要求，在钢管上设置一套1 000 mm 的偏心半球阀。阀门中心高程 1 145.10 m，设计水头 36 m，公称通径 1 000 mm，公称压力为0.6 MPa，动水启闭，操作方式为手电两用。考虑到放空管工作阀门装拆、检维修的便捷性要求，放空偏心半球阀下游侧钢管上设置法兰式管道伸缩节。阀门需要检修或更换时关闭上游取水口闸门即可5。3.5生态工作阀门的设计在 200 mm 钢岔管上设置一套直径 200 mm的生态水工作闸阀，阀门为软密封闸阀，公称压力为0.6 MPa，公称通径为 200 mm，阀门中心高程为 1145.100 m，设计水头为 36 m。阀门的操作运行条件为动水启闭，操作方式为手电两用。阀门处于长开的状态，为水库下泄生态水，阀门需要检修或更换时关闭上游取水口闸门即可。4结语水库是重要的水利设施，兼具灌溉、供水等多项功能。在水库分层取水的设计方式下，从不同深度的水层中取水，提供满足特定需求的水，将供水水质和水温维持在合理范围内，农业生产、人畜生活用水等方面的用水需求均得到满足。经过相关水库工程实例的分析，提出分层取水设计的思路与方法，针对关键配套装置进行深化设计，达到水库分层取水的效果，保证水量的稳定性和水质的可靠性，在提高水资源利用价值和保护下游生态环境等多个方面均有较好的应用效果。参考文献1 牛利敏，高大水，严晶.水库卧管涵管进水口现状分析及改造型式研究J.山西建筑，2019，45（14）：164-166.2 唐聪聪.某弯道式渠首中分层取水建筑物水力特性研究D.大连：大连理工大学，2016.3 王月，马骑龙.引兰入汤溢流堰工程设计及效益分析J.东北水利水电，2015，33（10）：19-20.4 黄朝兵.宽坪乡香树林烟水配套工程蓄水池设计与施工要点分析J.水利科技与经济，2015（1）：42-43，46.5 曹畑，杨鹏，张高.分层取水在力刀水库中的应用J.陕西水利，2022（1）：146-148，155.作者简介：马洪雁（1972），女，苗族，河南通许人，本科，高级工程师，主要从事水利水电工程设计、质量与安全监督工作。序号项目材料或型号计算结果 规范允许值1面板Q235B13.7 mm20 mm（实际厚度）2主梁最大弯应力Q235B59 MPa135 MPa3主梁最大剪切应力Q235B30.2 MPa81 MPa4面板 A 点折算应力Q235B123.7 MPa 222.8 MPa5主梁刚度Q235B0.3 mm2 mm6主梁稳定验算Q235B30807轨道底板混凝土承压应力C252.4 MPa9 MPa8轨道横断面弯曲应力 Q235B 第二组别 27.6 MPa100 MPa9轨道颈部局部承压应力Q235B 第二组别102.8 MPa 150 MPa10轨道底板弯曲应力Q235B 第二组别 53.8 MPa100 MPa11闭门力-47.1 kN012启门力208 kN320 kN表2进口工作闸门（1.2 m1.2 m-36 m）主要结构计算结果图2工作钢闸门结构布置半下游视图1:10BB半上游视图120 mm170 mm1:10650 mm300 mm1 300 mm1 390 mm1 480 mm350 mm10 mm1 400 mm4120（=480）mm主轮中心距 1 500 mm1 660 mm低碳技术84