東江水源工程西枝江取水口改造設計與研究

龔玉鋒

（深圳市廣匯源環境水務有限公司，廣東 深圳518001）

在河流上修建引水工程時， 要綜合考慮取水口的水位、泥沙淤積、水流流態等問題。 由于各種客觀條件的限制， 某些忽略的因素會困擾引水工程的安全運行，或者由于取水邊界條件變化，也會導致相關水利問題。因此在總結運行經驗的基礎上，對取水口進行適應性的改造是必要的［1，2］。

本工程以東江水源工程西枝江取水口為例，分析取水口河床沖淤、附近局部流態等變化規律，提出了取水口改造方案， 為后續的安全運行和便利檢修提供了必要的工程條件。

1 工程概況

西枝江取水口是深圳市東江引水工程的兩個取水點之一，位于惠州市惠城區西枝江左岸老二山處。通過泵站加壓將西枝江的原水輸向深圳， 為深圳的社會經濟發展提供可靠的水源保證。

取水口位于外江灘地， 原設計常水位為8.36m（珠江高程系，下同），取水口底板高程為5.5m，頂高程為10.8m。 西枝江泵站設有一用一備兩臺機組，單機額定流量為3.75m3/s。 2008年惠州東江水利樞紐建成后，使西枝江泵站取水口處水位壅高，取水構筑物內的泥沙及沼蛤等生物附著嚴重， 由于無法進行常規檢修和清淤，使得取水首部結構長期處于“帶病”工作狀態，存在運行安全隱患及對水質的不利影響，因此必須采取合適的方案進行改造。

2 取水口問題分析

2.1 泥沙淤積

2008年惠州劍潭水利樞紐工程建成投入運行，取水口位于工程回水范圍內，使水流速度變緩，泥沙流動性變弱。 根據實測的淤積資料，近3年來取水口淤積量變化呈緩慢增長趨勢，變化幅度不大，且年內變化呈現基本沖淤平衡的狀態。由于前段的取水暗涵無檢修條件，每年泵站前池內的淤積在20cm以上，根據其水流特性分析，取水暗涵的淤積問題較前池嚴重。

2.2 沼蛤附著

清華大學水利系研究團隊對西枝江泵站進行水生物調查研究，完成了“輸水工程中沼蛤入侵的生態防治試驗研究”。 課題研究成果表明：西枝江泵站水體中幼蟲密度可達5000個/m3以上。并且沼蛤附著會逐年積累，如果不治理，會對取水口后的水工構筑物過流及抗腐蝕造成不利影響，給工程運行帶來潛在安全隱患。基于上述研究，相應提出了防沼蛤附著的改性材料研發和基于高頻脈動的沼蛤幼蟲滅殺裝置。

2.3 無干場檢修條件

西枝江取水口建于2001年， 采用無閘閥自流取水，設計水位為8.36m，管道利用枯水期水位較低時進入檢修。 由于劍潭水利樞紐正常蓄水位10.5m，西枝江取水口回水水位達10.60～10.89m， 使得泵站前引水管道長期處于水下，且無閘閥控制，無法進行干場地的檢修和維護， 需要時才依靠潛水員水下進行探查。

3 工程區沖淤演變研究

綜合考慮本工程所在河段的河勢、 工程影響范圍等因素， 選取了取水口上下游約300m的河段進行沖淤二維數模計算。根據數值模擬研究，可得到以下基本規律：

在豐水年（2009年）水流量較大，泥沙流動性增強，沖走的泥沙較多，則淤積呈現減少趨勢；在枯水年（2006年），水流變緩，雨季泥沙易被阻在取水口段，形成較多淤積。

對于取水口淤積量年內變化， 汛期洪水夾帶泥沙在取水口淤積， 旱季和枯水期上游河床沖刷匯入的泥沙較少，淤積量逐漸減少。

西枝江2006～2017年取水口泥沙淤積量變化曲線，如圖1。

圖1 西枝江2006～2017年取水口泥沙淤積量變化曲線

從圖1可看出， 2008 年惠州劍潭水利樞紐工程建成投入運行后，水位升高，水流速度變緩，泥沙流動性變弱，全年泥沙淤積變化較原來平緩。

4 取水口改造方案

4.1 沉砂池改造研究

根據文獻［3］，在泥沙特性及其他建筑物體型參數已定情況下， 取水口門前實現沖淤平衡的平均長度Lb如式（1）：

式中 v為斷面平均流速（m/s）；h為取水口前水深（m）；g為重力加速度，取9.8m/s2。

經量綱分析，得到無量綱方程：

4.2 沉砂池局部水頭損失分析

局部水頭損失是由于幾何邊界條件改變而引起的水流的能量損失，其能量方程如式（3）：

式中 i，j分別為i斷面和j斷面序號。

計算中取動能修正系數αi=αj=1，式（3）可近似地表示為：

式中 ξij分別為i，j斷面間的局部水頭損失系數；Vi，Vj分別為斷面的平均流速。

西枝江泵站設計流量條件時（即Q=1.35萬m3/h），改造前后的水頭損失值進行了計算分析。

表1 改造前后典型斷面處局部水頭損失值

原設計取水水位為8.36m， 劍潭水利樞紐工程建成后，取水口水位壅高到10.73m，由計算結果可看出改造后水頭損失0.059m＜2.37m（壅高水頭），改造后水頭損失不影響設計取水要求。

4.3 沉砂池改造設計

本次改造結合生態治蛤需求， 起點樁號距取水口24m，在沉砂池前布設兩孔2.0m×2.0m的檢修閘門，池體采用雙層鋼筋混凝土結構型式［4］，過水斷面尺寸均為16.0m×6.3m（寬×高），工程總平面布置如圖2，縱剖面如圖3。

圖2 西枝江取水口改造工程總平面布置

圖3 西枝江取水口改造工程縱剖面

沉沙池內分14個尺寸相同的小箱涵如圖4，內部安裝各種除蛤裝置和監控措施， 箱涵底板采用底坡采用1%放坡，并設置兩個60cm×60cm的收集井，便于清淤。

圖4 西枝江取水口生態除蛤沉沙池橫斷面

5 結語

（1）根據清華大學的專題研究，通過生態水力學的方法抑制沼蛤幼蟲的生長［5-6］，從而改善供水水質及水工構筑物的過流， 取水口改造后除蛤率可達到95%以上。工程建設完成后，通過取水頭部閘門及后端的生態沉砂池，改善了水流流態和水力特性。后續檢修維護成本亦隨之降低，具有明顯的社會經濟和生態效益。

（2）西枝江取水口改造提供了閘門控制進水條件，為常年淹沒于水下的取水口到泵站管道提供可行的干場檢修條件，可靈活安排檢修時間，也大大減小了檢修難度。同時，取水口改造也有利于改善泥沙淤積。

（3）由于工程處于建設期，其實際效果尚需要通過運行來檢驗， 但其設計理念及改造思路已在諸多工程得到有益驗證［3-4］。 可為其他類似工程的建設方案提供重要的參考和借鑒。