湛江市南渡河引水工程取水口优化设计

王乐然

（广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 广州510635）

取水口作为取水工程的第一个取水设施，其选择是否恰当，直接影响取水的水质和水量、取水的安全可靠、投资、施工、运行管理以及河流的综合利用［1］。取水口设计过程中往往容易忽略一些客观条件的限制，给工程建设带来不便，影响工程建设进度，亦或是在工程投入运行后影响运行安全及供水保障，制约了引水工程社会效益及经济效益的发挥，因此对取水口进行合理性的优化设计是有必要的。

1 工程概况

南渡河引水工程位于湛江市境内，是一宗跨县级行政区的引调水工程，输水线路总长度61.1 km，以南渡河作为供水水源，为雷州市及徐闻县提供农业灌溉及城市用水而建的引水工程。工程供水对象为雷州市西南片7个镇、徐闻县中西片13个镇及农场农业灌溉和城市用水，灌溉总面积约45.5万亩，年平均引水量1.60亿m3，最大引水规模为12.1 m3/s［2］。

南渡河取水口是湛江市南渡河引水工程两个取水口之一，位于湛江市南渡河出海口水闸上游约24 km处，独立布置于河岸右侧。取水口与泵站相隔约9.1 km，通过盾构隧洞引水至泵站，泵站加压将南渡河原水输送至雷州市及徐闻县各地，为社会发展提供可靠的水源保证。取水口平面布置见图1。

图1 取水口平面布置示意图

2 地形地质条件

本工程处于雷州半岛，区域地貌类型总体属于滨海低山丘陵地貌，南部濒临南海，取水部位地形平缓，以农田为主，平均高程2 m～4 m。该范围处于第四系松散堆积层，主要为人工填土层、淤泥或淤质粘土层、粘土，从上往下主要地层分布为：

①人工填土层，为土黄～褐黄色粉质黏土和粉土，层厚1 m～2 m，平均标惯17击，承载力特征值fak=120 kPa～140 kPa；

②-1淤质黏性土，局部见夹淤质中细砂，层厚0.60 m～31.3 m，高压缩性，平均标惯3击，承载力特征值fak=50 k Pa～60 kPa；

②-2淤质细砂，局部夹淤质黏土层，层厚0.70 m～9.60 m，平均标贯9击，承载力特征值fak=80 kPa～100 kPa。

3 南渡河取水口的总体布置

取水口采用岸塔式取水口型式，设计运行水位1.0 m，最高运行水位5.2 m，最低运行水位0.1 m。取水口由引水渠及进水闸两部分组成。引水渠为梯形明渠，布置于堤外滩地，渠道长度300 m，渠底宽6.2 m，顶部开口宽度35.2 m，两侧边坡坡比1∶2，放坡至现状河滩地高程，渠底及两侧边坡均采用砼护面。进水闸孔口尺寸为：3.4 m×3.4 m（净宽×净高），平面尺寸为10.6 m×7.2 m（长×宽），闸室内顺水流方向设置拦污栅、检修闸门、工作闸门，闸室上部设置启闭机室，闸前采用喇叭式进水口与引水渠相接［2］。

图2 引水渠横剖面示意图（单位：m）

取水口布置有以下优缺点：

1）开敞式明渠结构简单，施工方便；明渠过流断面大，过流条件良好；渠底应力小，无需进行地基处理。但是渠底开挖至淤质粘土层，该土层压缩性高、含水量大、承载力低，在外部干扰下自稳性较差，开挖过程中引水渠边坡易产生沉降、滑移现象，渠道完工后也将成为影响结构安全的隐患。

2）从图2可见，明渠渠顶为河滩地（高程2.0 m～2.5 m），取水口最高运行水位为5.2 m，当取水口处于高运行水位工况或在河道行洪期间，河道水位高于现状引水渠顶高程，在长期运行过程中，河道水流中的漂浮物、泥沙会淤积、堵塞在引水渠内，影响取水口的正常取水功能，且漂浮物推移至进水闸拦污栅前也将影响进水闸的运行安全。为保证取水口的取水条件不受影响，工程运行期间必须定期清理引水渠内的淤积物，后续维护管理麻烦，运行成本较大。

图3 进水闸横剖面示意图（单位：m）

3）由于历史遗留问题，现状河滩地内均为基本农田。引水渠采用大放坡结构设计，为满足上述布置，渠顶宽度35.2 m范围内均为永久征地范围，涉及永久征地面积较大且占用大量基本农田。

4 取水口布置的优化：

4.1 引水渠布置的问题

为保证取水条件不受影响，减少工程占地面积，引水渠采用暗涵结构。经计算，箱涵孔口尺寸采用4.5 m×3 m（宽×高）能满足工程取水的过流要求。考虑到工程区范围淤泥层深厚，箱涵施工开挖辅以钢板桩作为临时支护措施，在保证开挖安全的同时减少放坡开挖占地范围，箱涵施工完毕后覆土还耕。

箱涵结构10 m设置一道结构分缝，根据南渡河取水口地质资料，取水口范围建基面为淤泥质粘土层，地基承载力f=50 kPa～60 kPa。经计算，引水渠完建时基底平均应力值为66.6 kPa，需进行地基处理。底板范围采用格构式搅拌桩（直径0.6 m，间距0.45m）加固基底淤泥，搅拌桩有效长度8 m，顺水流方向格构排桩2.1 m间隙内换填厚1m块石，提高地基承载力。引水渠优化方案见图4。

图4 引水渠优化方案示意图（单位：m）

4.2 拦污栅布置的问题

开敞式引水明渠改成箱涵后虽然能避免永久征地并解决渠道内容易淤积的问题，但同时也带来了新的问题：河道垃圾将从箱涵进水首端进入涵内，因此，拦污栅位置需调整至引水箱涵进水侧，阻拦涵洞外漂浮垃圾。拦污栅与进水闸分离后，在引水箱涵进口侧首个分缝段设置拦污栅与检修闸门，并将箱涵宽度由4.5m渐变扩宽至6m，以解决栅片阻流的影响。

为平顺水流及连接现状河床岸坡，拦污栅前布置八字翼墙结构，由河道向拦污栅侧收缩，即由宽度14.0m缩窄自6.0m，同时在底板上游侧设置拦砂坎，拦砂坎顶高0.8m，可减少河道泥沙顺水流进入引水箱涵。考虑到下卧淤泥质粘土层最大厚度达20.0m，地质情况较差，拟采用与箱涵同样的地基处理措施，提高地基承载力。拦污栅结构布置优化后拦污栅与进水闸功能分离，避免了与引水暗涵衔接时相互干扰的问题，其检修、维护及垃圾清理均由汽车吊实现。拦污栅优化布置方案见图5。

图5 拦污栅优化方案示意图（单位：m）

4.3 进水闸的优化

结合上述拦污栅结构的优化调整，进水闸闸孔直接与箱涵衔接，取消了原有闸前连接挡墙。考虑到取水口后引水隧洞出口已设置闸门设施，取水口进水闸原有工作闸门功能重复，可取消进水闸工作闸门，仅保留一道检修闸门以备输水竖井及引水隧洞检修使用。优化后的进水闸孔口尺寸与箱涵同尺寸相同，为4.5 m×3 m（宽×高），闸室长度缩短2.6 m。由于进水连接挡墙的取消，进水闸工程量大幅减少，节省了工程投资。进水闸优化布置方案见图6。

图6 进水闸优化方案示意图（单位：m）

4.4 优化后取水口的结构布置

南渡河取水口进行上述优化调整后，其结构布置沿水流方向调整为翼墙、拦污栅、引水箱涵、进水闸（见图7）。

优化后的取水口在布置上有以下特点：

（1）引水渠范围为封闭引水，拦污栅设置于箱涵进水前端，将河道漂浮物阻拦在引水渠外，且进水前端翼墙段底板设置拦砂坎，更能有效防止河道推移质顺水流淤积于引水箱涵及输水竖井内，优化后的方案能有效解决引水渠因淤积问题而产生的运行安全及维护管理等问题。

图7 取水口优化方案平面布置示意图（单位：m）

（2）引水箱涵采用钢板桩支护开挖，可大幅度减少了临时征地范围，除了在必要的运行检修通道区域需永久占地外，与基本农田交叉的其他范围均可在完工后覆土还耕，节省了取水口的征地投资费用。

（3）拦污栅前翼墙的布置能有效稳固河道的岸坡，防止因水流的冲刷、淘蚀对取水前端结构的破坏，为取水口的安全运行提供了保障。

（4）引水箱涵方案结构布置较原方案复杂，对施工质量要求更高，且增加了箱涵及其基础处理、翼墙灌注桩等工程量，优化后的取水口方案工程直接投资增加1233万元（原设计方案取水口直接投资为764万元，引水工程总投资29.2亿元）。优化后的取水口虽然工程直接投资增加较大，但从后期运行维护、工程布置合理性、取水口的重要性及安全性等各方面综合考虑，引水箱涵的优化方案是可行的［3］。

5 结语

引水工程中取水口的布置需考虑诸多因素，但具有一定的共同性。通过对开敞式明渠取水口的设计方案进行优化，不但保证了取水口取水功能不受影响，又解决了引水渠道运行期间容易淤积，工程布置永久占地范围大等问题，值得类似工程参考。