黄河中游干流取水口设计讨论

张 琳，徐 辉，裴旭阳

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710000）

延安黄河引水工程是以黄河为水源的长距离引水工程，取水口位于延川县延水关镇黄河右岸，取水口采用双向斗槽取水方式，工程主要任务为城镇生活和工业用水，设计取水保证率为P=95%，延水关斗槽取水口作为黄河中游地区干流取水口代表性工程，具有很高的研究价值。

1 取水口特点

干流取水口最大特点为直接从黄河主河道取水，因此必须面临河道径流年际变化大，年内分配不均、水沙关系不协调，以及复杂的冰情、污物等特点，也是干流取水口设计难度的主要原因。

黄河径流主要由降水补给，黄河延水关取水枢纽河段河川径流与降水量有着共同特点，即年际变化大，年内分配不均、洪枯流量相差悬殊等特点。且取水口上游水库全年为高水头运行，随时存在泄洪工况，也给取水口的设计增加了难度。

黄河是多泥沙河流，黄河中游主要流经黄土丘陵沟壑区的晋、陕峡谷地带，两岸支流众多，暴雨频繁，是黄河泥沙的主要（泥沙占98%）来源区。就延安黄河引水工程取水口来说，取水口处河段多年平均悬移质输沙量约5.82 亿t，多年平均含沙量为23.5 kg/m3，实测最大含沙量1040 kg/m3，取水口处泥沙呈现出年际变化大、年内分配不均等特点。

取水口处极端最低气温-22.5℃，河道冰期最长天数134 天，最短天数52 天，冬季最大流冰量39.4 m3/s，春季最大冰流量24.3 m3/s，最大冰速2 m/s，最大冰花密度0.91 t/m3，河心最大冰厚或冰花厚0.22 m，最大岸冰厚度0.49 m。冬季流冰量大，流速快，岸冰存在挤压、攀爬现象，冬季冰情复杂。

取水口处径流量、泥沙、污物、冰情等难点在取水口处不是单一存在的，更多的是叠加或同时存在的，设计时必须考虑周全。取水口设计应将取水口布置与金属结构布置紧密结合在一起，配合防沙、防冰、防污等措施确保取水口运行可靠。

2 设计思路

取水口的设计应根据取水口的特点，从取水口选址、选型、布置、防冰、防沙等着手进行，并且应将施工措施及施工周期对取水口的影响以及后期运行必备的极端工况下的防治措施考虑在内。

2.1 防沙设计

对于黄河中游这种多泥沙河流取水口，防沙设计是重中之重。取水口防沙设计应根据取水口水工布置结合金属结构布置综合考虑。延水关取水枢纽根据延水关地形、河势等特点选用双向斗槽取水方式，且斗槽取水流道与泵站吸水池分开布置，取水斗槽有利于泥沙导排。上下游取水口处均设有叠梁挡沙闸门和取水工作闸门，在泥沙含量超过60 kg/m3时关闭取水口工作闸门，防止斗槽淤积。

考虑到取水口设计取水保证率较高，取水口底板高程提高受到限制。因此结合取水口底板高程和取水口前缘的淤积高程设置叠梁闸门挡沙，且在斗槽流道上不应再出现其它阻水构件（拦污栅除外），延水关取水口在上下游取水口分别设置1扇7 m×2 m 潜孔式取水闸门，在后期运行中发现潜孔式孔口不利于斗槽防沙，取水工作闸门胸墙阻水严重，不利于泥沙导排，导致斗槽在运行阶段淤积严重，影响取水。

双向斗槽取水口有利于高水位时冲沙，为确保斗槽在低水位时亦能起到很好的防淤排沙作用，在斗槽上游至下游底板两侧布置冲沙装置，利用4 台冲沙泵对斗槽全断面进行扰动冲沙，防止泥沙淤积。

取水口在运行阶段针对斗槽极端工况下的泥沙淤积进行清淤设计，在上游至下游斗槽内增设6 台潜水排污泵，通过6台移动式电动葫芦进行移动抽沙、排沙。

2.2 防冰冻设计

延水关枢纽取水口针对防冰冻设计成立了防冰冻研究科技项目，在上游取水口对不同的防冰冻方案进行试验，通过试验制定符合延水关取水口的防冰冻方案。

延水关取水斗槽为封闭箱体式混凝土结构，冬季斗槽内不会结冰，因此对于延水关取水口防冰冻的主要任务为拦截河道流冰和防止取水口处结冰。

取水口防冰冻还应该考虑径流变化及泥沙对防冰冻的影响，冬季黄河干流水库存在高水头运行情况，随时可能泄洪，泄洪导致河道水位突长、泥沙含量陡增等情况，增加防冰冻难度。

延水关枢纽在上游取水口设置一道导冰排用来拦截、导运河道流冰是很有必要的，导冰排设置在取水口最上游，在结构设计上不宜采用实覆式结构，实覆式结构阻水严重，不利于斗槽防沙，在防冰冻后期将上游取水口处导冰排更换为不阻水的拦冰网。

根据防冰冻试验确定上游取水口防冰冻方案，在进口设置一道拦冰网用于拦截河道流冰，拦冰网顶部闸墩上设钢桁架桥，桁架桥上布置起吊拦冰网用电动葫芦，并在桁架梁上设置破冰锤，用来破除拦冰网前冻冰，确保拦冰网前浮冰能导运顺畅。在拦冰网至拦污粗栅三角区域内布置两套压缩空气扰动装置，确保三角区域不结冰。每套扰动装置分别采用两套固定卷扬式启闭机起吊，在不工作时将扰动装置提出水面。压缩空气扰动装置采用自动化控制，扰动装置可根据水温自动调整喷气压力和脉冲喷气频率。

2.3 金属结构布置

取水口金属结构在水工布置基础上结合防冰、防沙、防污等进行金属结构布置。金属结构布置是解决取水口设计难点的关键。

延水关枢纽取水斗槽设有上下游两个取水口，两个取水口金属结构对称布置，取水斗槽总长度160 m，斗槽为封闭式箱体结构。上游取水口与黄河主河道顺水流布置，进口处倾斜布置一道25.3 m×0.8 m（宽×高）浮箱式导冰排（下游取水口未设导冰排），取水口从上游至下游依次设有1 扇7 m×8.55 m（宽×高）露顶式拦污粗栅，1 扇7 m×2 m（单节门叶高1 m，共两节）露顶式叠梁挡沙闸门，1 扇7 m×15.75 m（宽×高）露顶式拦污细栅，1 扇7 m×2 m（宽×高）潜孔式取水工作闸门，取水口闸顶设置1 台单向门式启闭机配合吊杆进行拦污栅清污和各闸门启闭。

取水口在防冰冻设计后期将取水口导冰排更换为拦冰网，闸顶增设钢桁架桥，钢桁架桥上设有启闭机拦冰网用启闭设备以及破冰锤。

金属结构在设计时应充分考虑泥沙、污物、流冰对取水口的影响，在拦污栅、挡沙闸门、冲沙装置、防冰冻装置设计时，应对各种不利工况进行模拟，确保各种设备在运行、启闭及检修等工况下均能安全可靠。

2.4 取水口布置

取水口的选址、取水型式选择、取水口布置等是取水口设计的关键。取水口布置是所有后续精细化设计的基础，因此在前期设计阶段的水工模型实验是至关重要的，且取水口布置必须将工程施工对取水口的影响考虑在内。

考虑到黄河中游干流河道特征，因此在取水口设计时建议对取水口处一定范围内的河床进行测量，在工程建设期严格控制施工范围，尽量缩短施工周期，减小施工对河道走势及流态的影响。在施工导流方式上尽量采用隧洞导流，使上游围堰尽量远离取水口，避免河道改道影响后期取水。在围堰距取水口较近时，施工完成后对围堰的拆除必须彻底，尽可能恢复原河道形貌。在工程完工、取水口运行阶段应根据取水斗槽流态情况，在干流河道上采取一些工程措施确保取水斗槽流态满足取水条件。

延安引黄取水口采用双向斗槽取水方式，取水口在取水方式上更灵活，更有利于斗槽防冰、防沙。取水口采用潜孔式取水工作闸门进行上下游取水口的控制，对斗槽防沙是不利的。

3 结语

取水口直面黄河干流，取水口设计关乎整个工程的成败。如何有效解决进水口处泥沙、污物、冰冻等问题成为取水口设计的关键。

就延安引黄取水口建设至运行期间观测来看，取水口处的泥沙、污物及冰冻并不是单独存在的，设计时必须同时考虑，这也是取水口设计难度高的主要原因。

对于黄河中游干流取水口进行防沙设计时应该以疏导、转运为主，因此取水斗槽布置、流态以及流速必须有利于泥沙的导运。在进行防冰冻设计时，首先确保冰凌不能进入取水斗槽内，再考虑进水口处的防冻以及冰凌拥堵、攀爬等问题。

综上所述，本文认为黄河中游干流取水口设计必须从工程建设的全过程为出发点，针对取水口的难点进行统筹和精细化设计。