河床式取水构筑物

1. 工程资料 1.1 河流自然条件 （1）河流水位

取P=1 %的设计洪水位为35.40m，取水保证率为97%的设计最低水位

为20.50m。 （2）河流流量 最大流量：27000 m3/s 最小流量：320 m3/s。 （3）河流流速 最大流速：2．48 m/s； 最小流速：0．32 m/s。 （4）含砂量

最大含砂量：0.47kg/m3； 最小含砂量；0015kg/m3。

（5）水中其他悬浮物有一定效量的水草及青苔，无冰絮。 （6）河流主流及河床情况

河流岸坡平缓，主流离岸边约90m处，最小水深为3.80m。 （7）水泵所需扬程26m。 1.2 设计任务

（1） 取水头部 其要求是： ① 避免吸入泥沙； ② 不引起附近河床的冲刷； ③ 避免其进水口被水内冰堵塞； ④ 不被船只、木排及流冰撞击； ⑤ 便于清洗。 其设计要求： ① 具有合理的外形；

② 取水头部进水口的位置适当，其上缘在最低水位以下0.5~1.0，

冰盖底面以下0.2~0.5m，其下缘高出河底1.0~1.5m； ③ 进口水流速度适当。

其类型有：喇叭管、蘑菇型、鱼型罩、箱式、墩式、斜板式、活动式。设计中采用箱式取水头部。

箱式取水头部由周边开设进水孔的钢筋砼箱和设在箱内的喇叭管组成。进水孔总面积较大，能减少冰渍和泥沙进入量。适用于冬季冰凌较多或含沙量不大，水深较小的河流上采用，中小型取水工程用得较多。中南地区含沙量较小的河流上箱的平面形状：圆形、矩形、棱形。

（2） 进水管

进水管有自流管与虹吸管之分，其自流管取水：自流管淹没在水

中， 河水靠重力自流，工作较可靠，水中含沙量较高时，为取得含沙少的水可在集水间壁上开设进水孔，可设置高位自流管。适用于自流管埋深不大，或可以开挖隧道；而当河水位高于虹吸管顶时，无需抽真空即可自流进水；当河水位低于虹吸管顶，需先将虹吸管抽真空可进水。虹吸高度2—6m。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可采用虹吸管。优点：减少水下土石方量，缩短工期，节约投资。缺点：对管材、施工质量要较高，运行管理要求严，要装置真空设备，严密不漏气，可靠性不如自流管。 设计中采用的是自流管进水。 （3） 吸水间 其作用：

（1）沉淀一部分泥沙及杂质； （2）便于安设格网；

（3）可以根据吸水井中的水位变化判断取水系统的工作情况； （4）可以减少水泵吸水管的长度及埋深； （5）便于清洗自流管。 3.1 取水构筑物形式的选择

因河流河岸较缓，主流远离岸边，宜采用固定式河床取水构筑物。河心处用箱式取水头部，经自流管流入集水井，再经格栅、格网截留杂质后，用离心泵送出。 3.2 设计水量 01.?05 Q?4500?

3.3 取水头部设计计算 34m725d0?/31m968.h?753/m s0.7/ 取水头部平剖面取为菱形，整体为箱式，?角取900侧面进水。 3.3.1 进水孔（格栅）计算

其计算公式与岸边式取水构筑物进水孔面积计算公式一致。 F0?bQ k1? b?sk1k2v0 式中 F0：进水孔或格栅的面积，m2； Q ：进水孔的设计流量，m3/s；

v0 ：进水孔设计流速，有冰絮时：v0?0.1?0.3m/s ；无冰絮时： v0?0.2 /?0.m6s

k1 ：栅条引起的面积减少系数，k1?b；b为栅条净距， b?s 30—120mm， s为栅条厚度（直径），10mm； k2 ：格栅阻塞系数，采用0.75。

设计中取进水孔流速v0=0.4m/s；栅条采用圆钢，其直径s=10mm；取栅条净距 b=50mm，取格栅阻塞系数k2=0.75，则： k1?500.7?0.833， F0??2.188m2 50?100.833?0.75?0.4进水孔数量采用4个，设在两侧，则每个面积：F? 进水孔尺寸采用：B1?H1?900mm?700mm

格栅尺寸采用： B?H?1000mm?800mm

实际进水孔面积：F'?0.63?4?2.52m2 实际过孔流速：v0'?F02.188??0.55m2 44Q0.7??0.35m/s k1k2F'0.833?0.75?2.52

水流通过格栅的水头损失一般为0.05—0.1m，设计取0.1m。

根据航道要求，取水头部上缘距最枯水位深取1m，进水孔下缘距河床底 高1.5m，进水箱底部埋深1.5m。取水头部设于河床主流深槽处，以保证 有足够的取水深度，其最小水深为3.8m，此处与进水间距离90m。取水 头部形式与尺寸见图1，用隔墙分为两格，以便于清洗与检修。为防止头 部被水流冲刷，其底部基础设在河床以下1.5m处，在冲刷范围头部周围 抛石锚固。具体见下图：

图1.取水头部示意图 3.3.2 自流管设计计算

（1）自流管设计为两条，每条设计流量为： q自=

Q0.7??0.27m335s /22

初选自流管流速：v?0.9m/s 初步计算直径为： D? 35

，选D?650mm ??0.62m2 .9

自流管实际流速为： 4q自4?0.2735

??0.82m/s v自? ?D23.14?0.652

考虑到使用后自流管道淤积与结垢的情况，粗糙系数取n?0.016，自流

管长L?90m。

自流管水力半径：R?D0.65??0.1625 44

1111?(0.1625)6?46.17 流速系数：C?R6?n0.016 v自20.822

水力坡度：i?2??0.00194 CR46.172?0.1625 自流管沿程水头损失： hf?iL?0.0019?49?0m 10.

自流管上设喇叭管进口一个、焊接900弯头一个、阀门一个、出口一个，

其局部阻力损失分别为：?1?0.2、?2?0.96、?3?0.1、?4?1.0。 自流管局部损失： 2v自0.822

hj?(?1??2??3??4)?(0.2?0.96?0.1?1.0)??0.078m 2g2?9.8 正常工作时，自流管水头损失为： h?hf?hj?0.1552?0.078?0.2526m

自流管采用在河流高水位时单根重力流正向冲洗的方式。 （2）自流管校核

当一根自流管故障时，另一根自流管应能通过设计流量的70%， 即：Q?0.7Q?0.7?0.7?0.3829m/s，此时管中流速为： '3 4Q'4?0.3829?1.1m5s/ v? 2?D3.1?40.65' 故障时产生的水头损失为：h?hf?hj ''' 1.125?90?0.34m h?iL 4246.1?70.1625'

f v21.152

h????2.26??0.152 2g2?9.8' j

此时，水头损失为：h'?h' f?h'

j?0.344?0.152?0.496m 3.3.3 集水间计算

集水间用隔墙分为进水室和吸水室，为便于清洗与维修，进水室和吸水室

用隔墙分别分成两格，隔墙上设连通管，管上设阀门。 （ 1）格网计算

采用平板格网，过网流速v1?0.3m/s，网眼尺寸采用5mm?5mm，网丝直径d?2mm，设计取?=0.8。

b2Q F1? k1? k1k2?v1(b?d)2 式中：F1—平板格网的面积，m2； Q—通过格网的流量，m3/s；

v1—通过格网的流速，v1=0.2—0.4m/s； b2

k1—网丝引起的面积减少系数，k1?2(b?d) b—为网眼尺寸，mm； d—为金属丝直径，mm；

k2—格网阻塞面积减少系数，k2=0.5； ?—水流收缩系数，0.—0.80。 52

?0.5，1 则： k2?2(5?2) 格网所需面积：F1?0.7?8.94m2 0.51?0.5?0.8?0.3 设置4个格网，每个格网所需面积为： F1'?8.94?2.235m2。 4

进水孔尺寸采用：B1?H1?1750mm?1500mm mm?163m0 m 格网尺寸采用： B?H?1880 则：实际进水孔面积：F'?1.75?1.5?4?10.5m2

Q0.7??0.26m/s k1k2?F'0.51?0.5?0.8?10.5 实际过网流速：v1'?

通过平板格网的水头损失一般为0.1—0.2m，设计取0.2m。 （2） 集水间标高计算 ① 顶面标高

当采用非淹没式时，集水间顶面标高=1%洪水位+浪高+0.5m，即： Ha?35.?4 60.?4?0.5m3 ② 进水间最低动水位

进水间最低动水位=97%枯水位-取水头部到进水间的管段水头损失-格 栅损失=20.5-0.2526-0.1=20.15m ③ 吸水间最低动水位

吸水间最低动水位标高=进水间最低动水位标高-进水间到吸水

间的平 板格网水头损失=20.15-0.2=19.95m ④ 集水间底部标高

平板格网净高为1.63m，其上缘淹没在吸水间动水位以下，取为0.1m； 其下缘应高于底面，取为0.3m；则集水间底面标高为： 19.95-0.1-1.63-0.4=17.82m

集水间深度为：顶部标高-底面标高=36.3-17.82=18.48m。 （4） 集水间深度校核：

当自流管用一根管输送Q'?0.7Q?0.7?0.7?0.3829m3/s，其流速

4Q'4?0.3829v???1.15m/s时，水头损失为h'?0.496，此时，吸2?D3.14?0.65'

水间最低动水位为：20.5-0.1-0.496-0.2=19.704m，则吸水间最低水位为：19.704-17.82=1.884m，可满足水泵吸水要求。 3.3.4 集水间平面图

为便于清洗与检修，进水室用隔墙分成两部分，吸水室用隔墙分为4部 分，具体布置如下图： 图2.集水间平面图 3.3.5 格网起吊设备 （1）平板格网起吊重量 W?(G?PfF)K

式中：W：平板格网起吊重量； G：平板格网与钢绳的重量G?1.47KN

P：由格栅、格网或闸板两侧水位差而产生的压力，P?1.96KPa F：每个格网的面积，F?2.625m2

f：摩擦系数，视设备与导向槽的材料而定，f?0.44 K：安全系数，K?1.5

则： W?(1.47?1.96?2.625?0.44)?1.5?5.6KN （2）吊架高度的计算与起吊设备选择

平板格网高2.13m，格网吊环高0.25m，电动葫芦吊钩至工字梁下缘最小 距离为0.78m，格网吊至平台以上的距离取0.2m，操作平台高为36.3m， 则起吊架工字梁下缘的标高为：36.3+0.2+2.13+0.25+0.78=39.66m。

格网起吊高度=起吊架工字梁下缘标高—电动葫芦吊钩至工字梁下缘最 小距离—集水间底部标高—平板格网下缘与集水间底部高差—平板格网 高度—平板格网吊环高

=39.66-0.78-17.52-0.2-2.13-0.25=18.78m 选用CD1型电动葫芦，起吊重量为9.8kn，起吊最大高度为24m。 3.3.6排泥冲洗设备 因河水泥砂量不大，故只设冲洗给水栓，不设排泥设备，定期放空，人工 挖泥清洗。 3.3.7 取水泵房的设计 （1）水泵选择

水泵选4台，3用1备，有流量Q?0.7m3/s,扬程H?26m，选卧 式离心水泵300S32A，其性能为：Q?537 H?29.5 379m0h；/扬程

2m2；.8转速：n?1450r/min；泵轴功率：N?58.168kw； 电动机功率N?75kw，型号Y280S?4，效率??80%78%；水泵允许吸上真空高度Hs?4.6m。 （2）机组基础面积 表1.水泵基本尺寸

表2.300s32A泵不带底座安装尺寸

由以上可知：不带带底座的泵机基础尺寸为： 基础长度L=L3+L2+B+（0.40-0.50）m=450+683+419+450=2002mm

基础宽度B＝A＋（0.40-0.50）m=457+450=907mm 机组尺寸：L?B?2002mm?907mm （3）吸水管与出水管

吸水管路3条，其流量为：Q吸=Q=0.182m3/s，选钢筋混DN450，流速3

v?1.10m/s，1000i?3.56,管路设有Z491T-10型电动明杆楔式闸阀，其规格为：DN450，L=510mm；偏心渐缩管DN450×300，L=450mm。 压水管路2条，其流量Q压=Q=0.274m3/s，选钢筋DN600，管路上有2

Z495T-10型电动暗杆楔式闸阀，其规格：DN600，L=600；H44T-10型旋启式单瓣止回阀DN600,，长L为1300m，流速v?0.94m/s，1000i?1.87

（5）泵房平面布置如下图：

（6）泵房地面层的设计标高

泵房地面层的设计标高，又称泵房顶层进口平台，与进水间平台一致，为36.3m，室内地面标高36.5m。 （7）泵房的起吊、通风、交通和自控设计

泵房深度在20m内，采用一级起吊，最大设备起重机重3.6吨，选用DL型电动单梁桥式起重机，起重量5t，地面操作。起重机运行速度60m/min，

电机型号ZDR12-4型，功率2×1.5kw，转速1380r/min。因泵房深度较大，采用自然进风、机械排风方式。

泵站内交通采用楼梯上下维护与检修、上层设走道板，楼梯至下层设走道板，再以小梯子到泵间底面。取水泵房在地面层设自控室、值班室、高低压配电室、生活间等，设计中未画出。

泵房井壁及底应进行防水处理，防止渗透。泵房受河水及地下水的浮力很大，设计中应采用相应的抗浮措施：加大泵房自重，将泵房底部打入锚桩与基岩锚固；在运行中不应在高水位时对进水间排泥冲洗。