分层取水在力刀水库中的应用

曹 畑，杨 鹏，张 高

（1.中国电建集团贵阳勘测设计研究院,贵州 贵阳 550081；2 .中电建第十一工程局（广东）建设投资有限公司,广东 广州 510430）

1 工程概况

力刀水库位于贵州省黔南州福泉市道坪镇谷榔河上,坝址距离福泉市城区28 km。水库坝址以上流域集水面积为27.3 km2,主河道长度10.4 km,加权平均比降18.6%,流域形状系数为0.252。力刀水库是一座以农业灌溉、村镇以及工业供水等综合利用的水利工程,工程建成后可供村镇人畜饮水供水量共计为144 万m3/a、矿区工业供水量372 万m3/a、灌区多年平均总供水量769 万m3/a。

力刀水库校核洪水位1199.67 m,总库容708万m3,工程等别为Ⅳ等,工程规模为小（1）型,由枢纽工程和输水工程组成。枢纽工程包括拦河大坝、坝身开敞式溢流表孔、取水建筑物、放空建筑物。拦河大坝为混凝土重力坝,坝顶高程1201.00 m,坝底开挖高程1143.00 m,最大坝高58 m,坝顶宽度5 m,坝顶长114.8 m,分为左、右岸非溢流坝段和中间河床溢流坝段。输水工程主要由输水管道和提水泵站组成,输水设计流量为0.76 m3/s,其中在村镇供水方面,保障道坪集镇规划区2.50 万人集镇人口和灌区2670 人农村人口用水；农业灌溉方面,保障灌区共计10.07 hm2；工业用水方面,保障英坪矿区用水。

2 分层取水的必要性

福泉气象站是距力刀水库坝址最近的气象站,位于福泉市城区。根据福泉气象站资料统计：多年平均气温14.7℃,极端最低气温为-8.8℃,极端最高气温为36.4℃。工程区多年逐月气温见图1,从图1 中可以看出,水库的水温来自太阳辐射,表层水温与气温的变化趋于一致,具体表现为：1 月份最低,7 月份最高。研究表明[1],水库蓄水后,年初气温较低库内上下层水温较一致,没有明显分层；在入春之后,气温回升,库水表面吸收空间辐射能量,其表层水水温会迅速升高与气温保持一致,库内深层水温升速度缓慢,会在水库中形成明显的分层。

图1 工程区多年逐月气温图

分层型水库按水温结构,沿水深可分为以下三层[1],表温层：变动于水库水面以下0 m～4 m范围内,此层水与大气直接进行热交换,吸收热能多,温度高,因受风浪剪切、垂直环流、竖向对流等的影响,层内水温相互掺混,全层温度基本上均匀。温跃层：水库水面以下4 m～15 m范围,一般不超过20 m,全层水温从上到下水温变化剧烈,温度梯度大。深层：从温跃层结束直至库底,层内水温基本保持或接近当地初春最低温度,全层水温梯度很小,水温分布接近均匀。力刀水库耗水主要是灌溉、村镇供水、工业供水以及生态用水,其中灌溉取水用于农田灌溉,农作物对水温有较高的要求,如果灌溉水温过低,会直接影响下游农作物的生长,对农作物的产量造成巨大影响；生态用水主要满足维持坝址下游生物生存的生态平衡,下泄水温关系着下游生物的生存。

水库水温计算有参数a-β判别法、Norton密度佛汝德数判别法、水库水温计算经验法等[3]。本工程先用参数a-β判别法对水库水温结构进行判别,再利用水库水温计算经验法计算水库下泄水温。

（1）参数a-β判别法[2]

式中：R为多年平均径流量,m3；W1为一次洪水量；V为水库总库容。

当a≤10时,水库水温为稳定分层型；当10＜a≤20,水库水温为不稳定分层型当a＞20时,水库水温为混合型。洪水期时根据β值进行第二次判别,如遇β＞1的洪水,则变为临时混合型,β＜0.5的洪水,对水温结构没有显著影响。

力刀水库正常蓄水位1196.00 m,死水位1162.50 m,水库消落深度为33.5 m,水库多年平均径流量1330 万m3,总库容708 万m3,2%频率洪水一日洪量380 万m3,采用a-β判别法,a计算值为1.88,力刀水库水温结构为稳定分层型。对于分层型水库, β计算值为0.54,洪水对水库水温的分布影响较小。

（2）水库水温计算可采用计算经验法计算,公式如下：

式中：Ty为水深y处的月平均水温,℃；To为水库表面月平均水温,℃；y为水深,m；m为月份,1,2,…,12；Tb为水库底部月平均水温,℃；N为大坝所在的纬度；To' 、K'为查表A.0.2获得。

水库表面月平均水温采用力刀水库地区多年月平均气温,水库消落深度为33.5 m,根据上述公式可计算出水库未采用分层取水的下泄水温,同时,根据表温层的水温特性,水库水面以下0 m～4 m范围内水温基本均匀,因此,采用分层取水后的下泄水温即是水库表面月平均水温。图2为未采用分层取水下泄水温和分层取水下泄水温的水温变化图。从图中可见每年10 月～次年3 月,采用分层取水取表层水与直接取用水库底层水对下泄水温影响较小；在每年4 月～9 月,采用分层取表温层水能够较大幅度的提高取水水温,农作物在灌溉期4 月～8 月间,取水水温为15.4℃～20.4℃,能够满足农作物灌溉水温的要求。

图2 力刀水库下泄水温变化对比图

3 分层取水口设计

3.1 取水口布置型式选择

取水口布置型式一般有独立式布置和与大坝整体式布置两种,本工程对两种取水口型式进行布置比较。力刀水库枢纽推荐坝型为重力坝,结合地形地质条件,拟定坝身式取水口和岸塔式取水口两个取水方案。岸塔式取水口方案需要建造取水隧洞,工程投资较大；坝身式取水口可采用取水钢管与大坝放空管相结合的方式,不必设置专门的取水线路,将取水钢管置于坝体混凝土内,与坝体浇筑同时施工,工程投资较小。经综合分析本取水口采用与大坝整体式布置。

3.2 分层取水口型式选择

取水口是分层取水结构的关键部位及设计核心,其型式、尺寸和设置方式直接影响取水结构取水性能的优劣。国内外已建成的分层取水建筑物,按外形分,有斜卧式分层、塔式分层、套筒型、管状等；按水力学特性,可分为堰流和孔流两种流态；按启闭方式和工作原理,可分为人工启闭、电气自动、浮式和多层自动翻板等；按取水口设置方式分为活动式、固定式和复式[4]。

根据相关工程对比调查试验研究成果介绍,对于灌溉型水库,为有效地取表层水,必须控制取水水深,根据水库表温层的水温特性,水面以下0～4 m范围内水温基本均匀。本水库正常蓄水位1196.00 m,死水位1162.50 m,水库消落深度为33.5 m,为减小分层取水层数,取水最大水深控制为4 m。如果采用多层取水口型式,将要设置6 层取水口、6 道闸门及6 套悬吊设备,进水塔体积布置较大,设备较多,投资较大,管理运行不方便；如采用叠梁门型式分层取水,需要设置11 扇叠梁门,但进水塔内仅需设置一道叠梁门槽,塔体布置紧凑、体积小,采用门机通过一套自动抓梁与闸门吊耳连接进行启闭,可保证分层取水灵活可靠的运行。经上述分析采用采用机械控制的叠梁门型式进行分层取水,其控制分层取水灵活、水流流态好、运行相对简单。

3.3 分层取水口设计

（1）叠梁门顶过流能力按矩形薄壁堰淹没出流考虑[3],计算如下：

式中：σs为淹没系数,按公式计算；mo为流量系数,按公式计算；Ho为计入行近流速水头的堰上水头,νo为行近流速；P为矩形薄壁堰高度；Z为堰上下游水位差；b为堰顶宽度。水库表温层最大水深为4 m,为能够较好的取用水库表层水,叠梁门顶控制最大水深按4 m设置,最小为1 m,孔口宽1.0 m。当水深为1.0 m时,过流流量可达到1.44 m3/s大于设计流量0.759 m3/s,过流能力满足要求。

（2）取水口最小淹没深度计算

取水口为有压式进水口,水库最低运行水位为死水位1162.50 m,最大引用流量为0.759 m3/s。根据规范[3],为防止产生贯通式漏斗漩涡考虑,取水口最小淹没深度按戈登公式估算：

式中：S为最小淹没深度,m；V为闸孔断面平均流速,m/s；d为闸孔高度,m；C为系数,当对称水流时为0.55,边界复杂和侧向水流时取0.73。

经计算,最小淹没深度为0.38 m,根据最小淹没深度要求并结合进水口布置,本取水口最小淹没深度取1.5 m,进水口底板高程为1160.00 m,满足最小淹没深度要求。

（3）取水口结构布置

取水口布置于枢纽建筑物的左岸坝段,管道引用流量0.759 m3/s。结合枢纽总布置,取水口采用坝身取水口,拦污栅、喇叭口、闸门井、通气孔布置于坝体前沿,取水口建筑物与坝体结构形成一个整体,其前缘宽6.0 m,顺水流方向长9.5 m。取水口拦污栅为平面直立式,栅底高程1160.00 m,栅顶高程1200.00 m。垂直于水流方向共设一道栅槽,设置1孔拦污栅,孔口尺寸为1-1.0 m×40.0 m（扇-宽×高）；在拦污栅后方设置分层取水段,分层取水控制段长2.65 m,单扇叠梁门高度为3 m,共11扇叠梁门。喇叭口采用矩形三面收缩,喇叭口顶板顺水流方向为四分之一椭圆曲线 ,平面为半径0.5 m四分之一圆曲线,设一道平板事故检修闸门,进水口底板高程1160.00 m,进水口中心轴线高程1160.50 m,闸门孔口尺寸1-1.0 m×1.0 m（扇-宽×高）。闸门后设φ300 mm通气孔,其后设置叠梁门库。闸门井其后为渐变段,其断面尺寸由1.0 m×1.0 m（宽×高）渐变至内径为1000mm的圆形断面,渐变段长2.0 m,与坝内钢管相接。分层取水口纵剖面见图3。

图3 分层取水口纵剖面图

4 结语

力刀水库是一座以农业灌溉、村镇以及工业供水等综合利用的水利工程,通过分析分层取水的必要性,确定采用整体布置的叠梁门式分层取水口,该结构具有运行操作灵活,安全可靠,不仅保证了农作物灌溉和下游生态需水在水量方面的需求,还满足了对水温的要求,从而提高灌溉效果和保护下游的生态环境,可对类似工程的分层取水口选型和布置等提供参考。