1、第13章 地表水取水构筑物,分类：按水源种类可分为河流、湖泊、水库及海水取水构筑物；按取水构筑物的构造形式可分为固定式(岸边式、河床式、斗槽式)和活动式(浮船式、缆车式)两种，在山区河流上，有低坝式和底栏栅式取水构筑物。,13.1 江河特征与取水构筑物的关系,江河径流特征主要是指水位、流量和流速等因素的变化特征。设计取水构筑物时应收集的有关资料：(1)河段历年最高水位和最低水位、逐月平均水位和常年水位；(2)河段历年最大流量和最小流量；(3)河段取水点历年的最大流速、最小流速和平均流速。,地表水取水构筑物的设计最高水位，般按百年一遇(设计频率为1)确定。设计枯水位和设计枯水流量的设计频率，应根
2、据水源情况和供水重要性选定。当地表水作为城镇供水水源时其设计枯水位和设计枯水流量的保证率，一般可采用9097；当地表水作为工业企业供水水源时，其设计枯水流量的保证率应按有关部门的规定选取。,江河中的泥沙，按运动状态可分为推移质和悬移质两大类。在水流的作用下，沿河床滚动、滑动或跳跃前进的泥沙、称为推移质(又称底沙)；这类泥沙一般粒径较粗，通常占江河总合沙量的510。悬浮在水中，随水流前进的泥沙，称为悬移质(也称悬沙)。这类泥沙一般颗粒较细。在冲积平原河流中约占总含沙量的9095。,含沙量：单位体积河水内挟带泥沙的重量，以kg/m3表示。江河横断面上各点的水流脉动强度不同，含沙量的分布亦不均匀，一
3、般来说，越靠近河床含沙量越大，泥沙粒径较粗；越靠近水面含沙量越小，泥沙粒径较细；河心的含沙量高于两侧。,河床演变：水流与河床相互作用，使河床形态不断发生变化的过程，水流与河床的相互作用通过泥沙运动体现。挟沙能力：水流能够挟带泥沙的饱和数量。水流条件改变时，挟沙能力也随之改变。如果上游来沙量与本河段水流挟沙能力相适应，河床既不外刷，也不淤积，如果来沙量与本河段水流挟沙能力不相适应，河床将发生冲刷或淤积。,影响河床演变的主要因素：1)河段的来水量 来水量大，河床冲刷，来水量小，河床淤积；2)河段的来沙量、来沙组成 来沙量大、沙粒粗，河床淤积，来沙量少、沙粒细，河床冲刷；3)河段的水面比降 水面比降
4、小，河床淤积；水面比降增大，河床冲刷；4)河床地质情况 疏松土质河床容易冲刷变形，坚硬岩石河床不易变形。,河床变形可分为单向变形和往复变形两种。单向变形是指在长时间内，河床缓慢地不间断地冲则或不间断地淤积，不出现外淤交错。往复变形是指河道周期性往复发展的演变现象。河床变形也可分为纵向变形和横向变形两种。纵向变形是河床沿纵深方向的变化，表现为河床纵剖面上的冲淤变化。横向变形是河床在与水流垂直的方向上，向两侧的变化，表现为河岸的冲刷与淤积，使河床平面位置发生摆动。,河床纵向变形由水流纵向输沙不平衡引起，而纵向输沙不平衡由来沙量随时间变化和沿程变化、河流比降和河床宽度沿程变化导致。河床横向变形由水流
5、横向输沙不平衡引起，而横向输沙不平衡主要由环流造成。,意义：江河取水构筑物位置的选择是否恰当，直接影响取水的水质和水量、取水的安全可靠性、投资、施工、运行管理以及河流的综合利用。要求：深入现场调查研究，根据取水河段的水文、地形、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，进行技术经济比较，从中选择最优的方案。,13.2 江河取水构筑物位置的选择,(1)设在水质较好地点为避免污染，取水构筑物宜位于城镇和工业企业上游的清洁河段，在污水排放口的上游100150m以上；取水构筑物应避开河流中的回流区和死水区，以减少进水中的泥沙和漂浮物；在沿海地区应考虑到咸潮的影响，尽量避免吸入咸
6、水；污水灌溉农田、农作物施加杀虫剂等都可能污染水源，也应予以注意。,(2)具有稳定河床和河岸，靠近主流，有足够的水深在弯曲河段上，取水构筑物位置宜设在河流的凹岸；如果在凸岸的起点，主流尚未偏离时，或在凸岸的起点或终点；主流虽已偏离，但离岸不远有不淤积的深槽时，仍可设置取水构筑物。在顺直河段上，取水构筑物位置宜设在河床稳定、深槽主流近岸处，通常也就是河流较窄、流速较大，水较深的地点，在取水构筑物处的水深一般要求不小于2.53.Om。,(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；取水构筑物不宜设在有宽广河漫滩的地方，以免进水管过长；选择取水构筑物位置时，要尽
7、量考虑到施工条件，除要求交通运输方便，有足够的施工场地外，还要尽量减少土石方量和水下工程量，以节省投资，缩短工期。,(4)靠近主要用水地区取水构筑物位置选择应与工业布局和城市规划相适应，全面考虑整个给水系统的合理布置。在保证取水安全的前提下，取水构筑物应尽可能靠近主要用水地区，以缩短输水管线的长度，减少输水管的投资和输水电费。此外，输水管的敷设应尽量减少穿过天然或人工障碍物。,(5)注意人工构筑物或天然障碍物取水构筑物应避开桥前水流滞缓段和桥后冲刷、落淤段，一般设在桥前0.51.0km或桥后1.0km以外；取水构筑物与丁坝同岸时，应设在丁坝上游，与坝前浅滩起点相距一定距离处，也可设在丁坝的对岸
8、；拦河坝上游流速减缓，泥沙易于淤积，闸坝泄洪或排沙时，下游产生冲刷泥沙增多，取水构筑物宜设在其影响范围以外的地段。,(6)避免冰凌的影响在北方地区的河流上设置取水构筑物时，应避免冰凌的影响。取水构筑物应设在水内冰较少和不受流冰冲击的地点，而不宜设在易于产生水内冰的急流、冰穴、冰洞及支流出口的下游，尽量避免将取水构筑物设在流冰易于堆积的浅滩、沙洲、回流区和桥孔的上游附近。在水内冰较多的河段，取水构筑物不宜设在冰水混杂地段，而宜设在冰水分层地段，以便从冰层下取水。,(7)应与河流的综合利用相适应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。在通航河
9、流上设置取水构筑物时，应不影响航船通行，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。,固定式取水构筑物与活动式取水构筑物相比具有取水可靠，维护管理简单，适应范围广等优点，但投资较大，水下工程量较大，施工期长，在水源水位变幅较大时尤其突出。固定式取水构筑物设计时应考虑远期发展的需要，土建工程一般按远期设计，一次建成，水泵机组设备可分期安装。江河固定式取水构筑物主要分为岸边式和河床式两种，另外还有斗槽式等。,13.3 江河固定式取水构筑物,直接从江河岸边取水的构筑物，称为岸边式取水构筑物，由进水间和泵房两部分组成。适用于
10、岸边较陡，主流近岸，岸边有足够水深，水质和地质条件较好，水位变幅不大的情况。按照进水间与泵房的合建与分建，岸边式取水构筑物的基本型式可分为合建式和分建式。,岸边式取水构筑物,（1）合建式岸边取水构筑物合建式岸边取水构筑物进水间与泵房合建，水经进水孔进入进水室，再经格网进入吸水室，然后由水泵抽送至水厂或用户。进水孔上的格栅用以拦截水中粗大的漂浮物。进水间中的格网用以拦截水中细小的漂浮物。合建式的优点是布置紧凑，占地面积小，水泵吸水管路短，运行管理方便；但土建结构复杂，施工较困难。,当地基条件较好时，进水间与泵房的基础可以建在不同的标高上，呈阶梯式布置，以利用水泵吸水高度减小泵房深度，有利于施工和
11、降低造价，但水泵启动时需要抽真空。当地基条件较差时，为避免产生不均匀沉降，或者水泵需要自灌启动时，宜将进水间与泵房的基础建在相同标高上，泵房较深，土建费用增加，通风及防潮条件差，操作管理不甚方便。,为缩小泵房面积，减小泵房深度，降低泵房造价，可采用立式泵或轴流泵取水。这种布置电机设在泵房上层，操作方便，通风条件较好。但立式泵安装较困难，检修不方便。在水位变化较大的河流上，水中漂浮物不多，取水量不大时，也可采用潜水泵取水。潜水泵和潜水电机可以设在岸边进水间内，亦可设在岸边斜坡上。这种取水方式结构简单，造价低。但水泵电机检修较困难。,（2）分建式岸边取水构筑物当岸边地质条件较差，进水间不宜与泵房合
12、建时，或者分建对结构和施工有利时，宜采用分建式。分建式进水间设于岸边，泵房建于岸内地质条件较好的地点，但不宜距进水间太远，以免吸水管过长。分建式土建结构简单，施工较容易，但操作管理不便，吸水管路较长，增加了水头损失，运行安全性不如合建式。,岸边式取水构筑物的构造和计算1)进水间进水间由进水室和吸水室两部分组成，可与泵房分建或合建。分建时平面形状有圆形、矩形、椭圆形等。圆形结构性能较好，水流阻力较小，便于沉井施工，但不便于布置设备。矩形则相反。进水间深度不大，用大开槽施工时可采用矩形。深度较大时宜采用圆形。椭圆形兼有两者优点，可用于大型取水。,河流水位变幅在6m以上时，一般设置两层进水孔，上层进
13、水孔的上缘应在洪水位以下1.0m，下层进水孔的下缘至少应高出河底0.5m，其上缘至少应在设计量低水位以下0.3m。进水孔的高宽比，宜尽量配合格栅和闸门的标准尺寸。进水间上部的操作平台设有格栅、格网、闸门等设备的起吊装置和冲洗系统。,进水间通常用横向隔墙分成几个能独立工作的分格。当分格数较少时，设连通管互相连通。分格数应根据安全供水要求、水泵台数及容量、清洗排泥周期、运行检修时间、格栅类型等因素确定。一般不少于两格。大型取水工程最好一台泵一个分格。吸水室用于安装水泵吸水管，其设计要求与泵房吸水井基本相同。吸水室的平面尺寸按水泵吸水管的直径、数量和布置要求确定。,合建式进水间为非淹没式，分建式进水
14、间既可是非淹没式，也可是半淹没式。非淹没式进水间的操作平台在设计洪水位时仍露出水面，操作管理方便；半淹没式进水间的操作平台当水位超过设计水位时被淹没，淹没期间格网无法清洗，积泥无法排除，只适用于高水位历时不长，泥沙及漂浮物不多的情况，但投资较省。,进水间附属设备(1)格栅、格网及冲洗设备格栅设于进水口(或取水头部)的进水孔上，以拦截水中粗大的漂浮物及鱼类，栅条厚度或直径一般采用10mm，净距通常采用30120mm。栅条可以直接固定在进水孔上，也可放在进水孔外侧的导槽中，清洗和检修时便于拆卸。,格栅面积：,格网设在进水间内，用以拦截水中细小的漂浮物。格网分为旋转格网和平板格网两种。旋转格网构造复
15、杂，所占面积大，但冲洗方便，拦污效果好，适用于水中漂浮物较多，取水量较大的取水构筑物。,旋转格网面积：,平板格网构造简单，所占位置小，可减小进水间尺寸，但网眼不能太小，因而不能拦截较细小漂浮物，且冲洗麻烦，每次冲洗都有部分杂质进入吸水室，适用于中小取水量、漂浮物不多的情况。,平板格网面积：,(2)排泥、启闭及起吊设备河水进入进水间后流速减小，会有泥沙沉积，需及时排除。常用的排泥设备有排沙泵、排污泵、射流泵、压缩空气提升器等。在进水间的进水孔、格网和横向连通孔上都须设置闸阀、闸板等启闭设备，常用的有平板闸门、滑阀及蝶阀等。为便于格网、格栅的清洗和检修及闸门的启闭和检修，需在操作平台上设置起吊设备
16、。常用的起吊设备有电动卷扬机、电动和手动单轨吊车等。,(3)防冰、防草措施在有冰冻的河流上取水时，必须采取防冰措加。常用的防冰措施有降低进水孔流速；利用电、热水或蒸汽加热格栅；在进水孔前引入废热水，在进水孔上游设置挡冰木排；利用渠道引水使水内冰在渠道上浮。防止水草堵塞，可采用机械或水力方法及时清理格栅；在进水孔前设置挡草木排；在压力管中设置除草器等措施。,岸边式取水泵房的设计特点(1)水泵选择水泵选择包括水泵型号选择和水泵台数确定。水泵台数过多，将增大泵房面积和土建造价；水泵台数过少，不利于运行调度，一般采用34台。水泵型号应尽量相同，以便互为备用。当供水量或扬程变化较大时，可考虑大小水泵搭配
17、，以利调节。选泵时应以近期水量为主，适当考虑远期发展。,(2)泵房布置泵房的平面形状有圆形、矩形、椭圆形、半圆形等。矩形便于布置水泵、管路和起吊设备，而圆形受力条件好，当泵房深度较大时，土建费用较低。水泵机组、管路及附属设备布置，既要满足安装、操作、检修的方便，为远期发展留有余地，又要尽量减小泵房面积、减低造价。,(3)泵房地面层的设计标高岸边式取水构筑物的泵房地面层(又称泵房顶层进口平台)的设计标高，应分别按下列情况确定：当泵房位于渠道边时，采用设计最高水位加0.5m；当泵房位于江河边时，采用设计最高水位加浪高再加0.5m；当泵房位于湖泊、水库或海边时，采用设计最高水位加浪高再加0.5m，并
18、应设有防止风浪爬高的措施。,(4)泵房的通风采暖及附属设备泵房应有通风设施，深度不大时采取自然通风；深度较大时可采用机械通风。寒冷地区，泵房应考虑采暖。为便于泵房内设备的安装、检修，需要设置起吊设备。当水泵启动时不能自灌时，应采用真空泵和水射器引水。地下式或半地下式取水泵房须设置集水沟和排水泵，及时排除漏水及渗水。为便于调度，泵房内还应设置通讯、遥控等自动化设施。,(5)泵房的防渗和抗浮取水泵房的侧壁及底部，要求在水压作用下不产生渗漏，因此必须注意混凝土的级配及施工质量。取水泵房在岸边时，将会受到河水和地下水的浮力作用，因此在设计时必须考虑抗浮。具体方式可以依靠自重或增加重物抗浮，也可将泵房底
19、板与基岩嵌出或锚固在一起抗浮。,利用伸入江河中心的进水管和固定在河床上的取水头部取水的构筑物，称为河床式取水构筑物。河床式取水构筑物由取水头部、进水管、集水间和泵房等部分组成。当河床稳定，河岸较平坦，枯水期主流远离岸边，岸边水深不够或水质不好，而河中心具有足够的水深或水质较好时，宜采用河床式取水构筑物。,河床式取水构筑物,河床式取水构筑物的类型1)自流管取水,自流管淹没在水中，河水靠重力进入集水间，集水间可与泵房合建或分建。自流管取水工作可靠，但敷设自流管时开挖土石方量较大，适用于自流管埋深不大或河岸可以开挖敷设自流管时。在河流水位变幅较大，洪水期历时较长，水中含沙量较高时，可在集水间壁上开设
20、进水孔，或设置高位自流管取上层含沙量较少的水。,2)虹吸管取水,河水通过虹吸管进入集水井中，然后由水泵抽走。河水高于虹吸管顶时可自流进水；河水低于虹吸管顶时需抽真空。适用于河滩宽阔，河岸较高，且为坚硬岩石，埋设自流管需开挖大量土石方，或管道需要穿越防洪堤时。虹吸管取水可减少水下土石方量，缩短工期，节约投资。但对管材及施工质量要求较高，运行管理要求严格，需装置真空设备，工作可靠性不如自流管。,3)水泵直接吸水,不设集水间，水泵吸水管直接伸入河中取水。水泵直接吸水可利用水泵吸水高度减小泵房深度，省去集水间，结构简单，施工方便，造价较低。适用于水中漂浮物不多，吸水管不长的中小型取水泵房。在不影响航运
21、时，水泵吸水管可以架空敷设在桩架或支墩上。,4)桥墩式取水,整个取水构筑物建在水中，在进水间的壁上设置进水孔。桥墩式取水构筑物建在河中，缩小了水流过水断面，容易造成附近河床冲刷，基础埋深大，水下工程量大，施工复杂，需要设置较长的引桥与岸边连接，影响航运，只适用于江河断面宽、含沙量高、取水量大、岸边平缓、岸边无条件建泵房的情况。,1)取水头部取水头部型式很多，常用的有喇叭管、蘑菇形、鱼形罩、箱式、桥墩式等。喇叭管取水头部是将设有格栅的金属喇叭管用桩架或支墩固定在河床上。这种头部构造简单，造价较低，施工方便，适宜在中小取水量时采用。喇叭管的布置可以朝向下游、水平式、垂直向上和垂直向下布置。,河床式
22、取水构筑物的构造和计算,蘑菇形取水头部是在向上的喇叭管上加金属帽盖。河水由帽盖底部流入，带入的泥沙及漂浮物较少；但头部高度较大，所以要求设置在枯水期时仍有一定水深，适用于中小型取水构筑物。,鱼形罩取水头部是一个两端带有圆锥头部的圆筒，在圆筒表面和背水圆锥面上开设圆形进水孔。外形趋于流线型，进水面积大，进水孔流速小，水流阻力小，漂浮物难于吸附在罩上，可减轻水草堵塞，适宜于水泵直接从河中取水时采用。,箱式取水头部由周边开设进水孔的钢筋混凝土箱和设在箱内的喇叭管组成。由于进水孔总面积较大，能减少冰凌和泥沙进入量。适宜在冬季冰凌较多或含沙量不大，水深较小的河流上采用。中小型取水工程中用得较多。,斜板取
23、水头部在取水头部安设斜板，河水经过斜板时，粗颗粒泥沙沉淀在斜板上，沿斜板滑落至河底，除沙效果好，适用于粗颗粒泥沙较多的河流。但要求河流具有足够的水深和流速。,取水头部应设在稳定河床的深槽主流有足够的水深处。侧面进水孔下缘应高出河底不小于0.5m，顶部进水孔应高出河底1.01.5m以上。取水头部进水孔的上缘在设计最低水位以下的淹没深度，当顶部进水时不小于0.5m，侧面进水时不小于0.3m，有冰凌时应从冰凌下缘算起。虹吸管和吸水管进水时，其上缘的淹没深度不小于1.0m。从顶部进水时，应考虑进水流速大产生漩涡而影响淹没深度。,取水头部进水孔的流速要选择恰当，流速过大，易带入泥沙、杂草和冰凌；流速过小
24、，会增大进水孔和取水头部尺寸，增加造价和水流阻力。进水孔流速可根据河中泥沙及漂浮物的数量、有无冰凌、取水点的水流速度、取水量的大小等确定。一般有冰凌时取0.10.3m/s；无冰凌时取0.20.6m/s。,2)进水管进水管有自流管、进水暗渠、虹吸管等。自流管一般采用钢管、铸铁管和钢筋混凝土管。虹吸管要求严密不漏气，宜采用钢管，但埋在地下的亦可采用铸铁管。进水暗渠一般用钢筋混凝土。为了提高进水的安全可靠性和便于清洗检修，进水管一般不应少于两条。当一条进水管停止工作时，其余进水管通过的流量应满足事故用水要求。,进水管的管径应按正常供水时的设计水量和流速决定。管中流速不应低于泥沙颗粒的不淤流速，以免泥
25、沙沉积；但也不宜过大，以免水头损失过大；增加集水间和泵房深度。进水管流速一般不小于0.60m/s，水量较大、含沙量较大、进水管短时，流速可适当增大。一条管线冲洗或检修时，管中流速允许达到1.52.0m/s。,自流管一般埋设在河床下0.51.Om，如需敷设在河床上时，须用块石或支墩固定。自流管的坡度和坡向应视具体条件而定，可以坡向河心、坡向集水间或水平敷设。虹吸管的虹吸高度一般不大于46m，虹吸管末端至少应伸入集水井最低动水位以下1.0m；虹吸管应朝集水间方向上升，最小坡度为0.0030.005；每条虹吸管宜设置单独的真空管路，以免互相影响。,在岸边式或河床式取水构筑物之前，在河流岸边用堤坝围成
26、，或在岸内开挖形成进水斗槽。水流进入斗槽后，流速减小，便于泥沙沉淀和水内冰上浮，可减少泥沙和冰凌进入进水孔，适用于取水量大、河流含沙量高、漂浮物较多、冰絮较严重且有适合地形的情况。,斗槽式取水构筑物,按水流进入方向，斗槽式取水构筑物可分为顺流式、逆流式和双流式。,顺流式斗槽水流方向与河流一致，但斗槽中流速小于河水流速，一部分动能转化位能，在进口形成壅水和横向环流，进入斗槽的水流主要是河流表层水，适用于含泥沙多，冰凌不严重的河流。逆流式斗槽水流方向与河流相反，河水在斗槽进口受到抽吸，形成水位跌落，产生横向环流，进入斗槽的水流主要是河流底层的水，适用于冰凌严重，而泥沙较少的河流。,双流式斗槽适用于
27、河流含沙量和冰凌含量季节性变化的情况。当洪水季节含沙量大时，打开上游端闸门，顺流进水。当冬季冰凌严重时，打开下游端闸门，逆流进水。 斗槽式取水构筑物的位置应设在凹岸靠近主流的岸边处，以便利用水力冲洗沉积在斗槽内的泥沙。斗槽式取水构筑物施工量大，造价较高，排泥困难，并且要有良好的地质条件，采用较少。,固定式取水构筑物施工方法1)大开槽施工法在开挖的基槽中施工，适合于土质好、构筑物埋深不大，或有岩层、砾石层而不宜采用沉井施工的情况。2)围堰施工法用堤坝(围堰)将施工区域与水体隔开，将围堰内的水抽干后进行施工，施工技术和设备较简单，但土石方量较大。目前常用的围堰有土围堰、草土混合围堰、钢板桩围堰和橡
28、胶坝活动围堰等。,3)沉井施工法沉井为开口无底井筒，施工时在井内挖土，井筒在自重或外加荷重下克服四周土壤的摩阻力而下沉至设计标高，最后进行封底，适用于松散土质地层。4)浮运下沉法预先在河滩上将构筑物装配好，并加以密封，然后移入水中，用船只浮运至安装地点，定位后灌水下沉至预先挖好的基槽中。不需大型起吊设备，施工较简单，但河水流速大时不易定位。,5)气压沉箱法将沉井构筑物下部切土挖土部分作成密闭的气压工作室，室内通以压缩空气，气压略大于室外水压，以阻止河水进入工作室内，在工作室内挖土使沉箱下沉，如遇障碍物则可直接排除。适宜在含有大的漂石、卵石或透水性很强的土层中采用，但需要一套特殊的施工设备和专门的技术工人，施工费用甚高。,
