新型無壩取水系統設計

劉 欣，潘云文

（1.華北水利水電大學水利學院，鄭州450046；2.四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，成都610065）

無壩取水是指在河岸適當位置開挖取水口而不攔河筑壩，僅通過布設閘門來引流取水的工程措施。由于施工簡單、投資省、收益快，無壩取水在長期的工程實踐中得到了廣泛應用［1］。然而，現有無壩取水工程受河道水沙要素的影響是極大的：①取水口的選址受制于河道水沙條件［2］；②取水口的修建會破壞岸體原始結構的完整性與穩定性［3］；③當外部因素導致河床下切，河道水位低于取水口的設計水位時，取水量減少，難于滿足用水需求［4］。此外，在取水的同時也不可避免地向渠道中引入了泥沙，這部分泥沙的沉積極易造成渠道壅塞［5］。目前，一般通過在水源與首部樞紐之間加設沉沙池的方式來解決水沙分離問題。沉沙池一般有“湖泊式”、旋流式和平流式等幾種型式。“湖泊式”沉沙池［6］多半是利用附近荒灘洼地，因陋就簡地沿洼地邊緣圍堤而成，這種沉沙池省工、容積大，但由于過水斷面大且不規則，水流入池后突然擴散，泥沙大量淤積在進口附近的局部范圍內，形成扇形淤積體，淤積分布極不均勻。旋流式沉沙池［7，8］是一種充分利用彎道環流不斷將推移質泥沙輸向凸岸，再通過沿凸岸布設的一系列沖沙廊道將泥沙排走的工程結構，但其取水口選址對河道水沙條件要求較高。平流式沉沙池［9］的主體部分實際上是一個加寬、加深了的明渠，主要由入流渠、沉沙區、出流渠、沉沙斗以及首尾控水閘門等部分組成。平流式沉沙池因結構簡單、施工方便，其應用也最為廣泛，但欲獲得較好的水沙分離效果通常其布設較長，占地分散。縱觀已有成果，有關無壩取水工程的研究設計尚顯不足，其結構缺陷仍顯而易見，因此有必要立足理論［10，11］，回顧過往，創新思維，對無壩取水系統的新型結構進行可行性構想。

1 設計思路

本系統包括三個單元：水力傳動單元、機械取水單元與雙螺旋沉沙單元，其平面布置如圖1所示。水力傳動單元布設于河道主流區，通過機械傳動將水流的動能轉化為對外驅動以運轉機械取水單元。機械取水單元固定于岸邊，由水力傳動單元驅動運轉，可吸取河道中的水體并排入雙螺旋沉沙單元。雙螺旋沉沙單元修建于河岸，用于接納機械取水單元排出的水體并對其消能沉沙以降低水體中的含沙量，其中雙螺旋渠道內布設有若干沖沙閘門（本文以十道沖沙閘門為例進行后續闡述，由于各沖沙閘門結構與布設方式相同，故此處僅繪出X 號沖沙閘門，其余以羅馬數字Ⅰ～Ⅸ標示）與一道壅水閘門，各級沖沙閘門通過電學調控可實現逐級蓄水沖沙，壅水閘門通過電學調控可實現壅水沉沙。

2 系統構造

2.1 水力傳動單元

水力傳動單元如圖2所示，主要由1 基臺、2 劈頭、3 U 形蓄水器、4升降塞、5杈形撐桿、6蓄水水泵、7排水水泵、8旋座、9旋梁、10水車、11傳動盤、12皮帶、13傳動齒輪、14傳動桿、15轉盤組成。基臺的迎水面和背水面以流線型物面設計為最佳，如此其所受水流的沖擊較小、穩定性較強。蓄水水泵用于向U 形蓄水器中蓄水，蓄水水泵的進水管口必須布設至一定水深下以避免河道水位下降使得管口外露而致使蓄水水泵無法蓄水，而蓄水水泵的出水管只需連接至U 形蓄水器端口。排水水泵用于外排U 形蓄水器中的存水，排水水泵的進水管口必須連接至U形蓄水器近底部以保證排水水泵可以對U 形蓄水器充分排水，而排水水泵的出水管口只需連接至基臺邊壁。U形蓄水器除豎立于基臺面上部的蓄排水端口段外的其他部分均內嵌于基臺，在靠近基臺背水面的端口段內部布設有一升降塞，該升降塞可由U 形蓄水器的蓄水量來調控其升降，繼而通過杈形撐桿鉸接傳動控制旋桿自由端的升降。

各部分的作用：

1 基臺——為布設水力取水單元的相關構件提供操作平臺；

2 劈頭——在基臺背水面上端設計一斜向劈頭是為了消除基臺背水面頂端邊角對旋梁的阻礙以使其可最大限度地斜伸于河道；

3 U形蓄水器、4 升降塞、5 杈形撐桿——可由蓄水量的多少調控作用于升降塞的水壓力大小，并通過杈形撐桿的鉸接傳動控制旋桿自由端的升降，從而改變水流對水車的推動力大小，繼而調節水車的轉速以達到調控對外驅動的目的；

6 蓄水水泵——用于將河道中的水抽取入U 形蓄水器以增大作用于升降塞的向上水壓力，繼而推動鉸接于升降塞的杈形撐桿以實現對旋桿自由端的抬升；

7 排水水泵——用于將U 形蓄水器中的存水抽入河道以減小作用于升降塞的水壓力，繼而使旋桿自由端以及安裝于旋桿上的相關部件在自重的作用下下降。

8 旋座——鉸接固定懸梁的一端與一傳動齒輪；

9 旋梁——用于安裝水車、傳動盤、皮帶與傳動齒輪等部件；

10 水車、11 傳動盤、12 皮帶、13 傳動齒輪、14 傳動桿、15 轉盤——通過機械傳動將水流的動能轉化為對外驅動。

2.2 機械取水單元

機械取水單元如圖3所示，主要由16取水腔體、17推拉桿、18推拉塞、19進水管、20防倒吸隔板、21出水管、22閉氣隔板組成，其中推拉桿左端必須鉸接于水力傳動單元的轉盤邊壁處，而出水管口須連接至雙螺旋沉沙單元的進水端口。

各部分的作用：

16 取水腔體、17 推拉桿、18 推拉塞——由于推拉桿左端鉸接于水力傳動單元的轉盤邊壁處，從而當轉盤轉動時將帶動推拉桿與推拉塞作推拉往復運動。當推拉塞作往復運動時，在取水腔體體積增大的過程中，由于大氣壓的作用，閉氣隔板將閉合，防倒吸隔板將開啟，河道中的水體將由進水管被吸入取水腔體；在取水腔體體積減小的過程中，由于腔內水壓力的作用，閉氣隔板將開啟，防倒吸隔板將關閉，推拉塞將推擠取水腔體中的水體使之由出水管流出；

19 進水管——在大氣壓的作用下，將河道中的水體引入取水腔體內部；

20 防倒吸隔板——防止已經吸入取水腔體內部的水體倒流；

21 出水管——在推拉塞推擠取水腔體內部水體的過程中，將取水腔體中的水體引至雙螺旋沉沙單元；

22 閉氣隔板——在取水腔體體積增大的過程中，利用大氣壓的作用閉合出水管道，繼而使取水腔體內部產生負壓以便將河道中的水體吸入取水腔體內部。

2.3 雙螺旋沉沙單元

雙螺旋沉沙單元如圖4所示，主要由23 進水端口、24 雙螺旋渠道、25 沖沙閘門、26 排沙端口、27 壅水閘門、28 出水端口組成，其中沖沙閘門與壅水閘門的表觀構造是完全相同的，所不同的僅僅是部件尺寸與安裝方式，具體結構見圖5。各沖沙閘門從進水端口附近開始依次相間布設于雙螺旋渠道內部，其布設間距與布設數目一般須根據水躍長度及水躍沖沙能力確定，另外還需考慮沖沙耗時與構件成本。雙螺旋沉沙單元出水段結構如圖6所示，壅水閘門安裝于凹槽內部，且當壅水閘門關閉時，其擋水板上端與渠道底部是齊平的。

各部分的作用：

23 進水端口——將機械取水單元抽取的水體引入雙螺旋沉沙單元；

24 雙螺旋渠道——雙螺旋渠道可使渠中流動的水體形成螺旋流，與同樣長度的順直渠道相比將產生更大的水頭損失，從而減緩渠道中的水體流速，繼而使水體中的泥沙更易于沉降。此外，雙螺旋渠道中部渠壁相互共用，可減小工程量，降低修建成本，且占地集中，便于布置；

25 沖沙閘門——可通過電學調控（如圖8右邊部分電路所示）以實現逐級蓄水，逐次開閘，相繼沖沙（在逐級蓄水沖沙的過程中，沖沙閘門僅適當開啟，前部渠道中存蓄的水體則從閘門底端開啟處沖出形成水躍，如圖7所示），直至將雙螺旋渠道內沉積的泥沙全部由排沙端口沖排入河道；

26 排沙端口——當通過電學調控對雙螺旋渠道蓄水沖沙時，排沙端口將把從渠道中沖起的泥沙排入河道；

27 壅水閘門——基于挾沙水流含沙量沿垂線“上小下大”的分布規律，僅使渠道中水位高于壅水閘門擋水板上端的表層清水才能漫過壅水閘門擋水板上端從出水端口流出，從而極大地降低了所取水體的含沙量；此外，壅水閘門的壅水作用會增加雙螺旋渠道的水深，繼而增大渠道的過流面積，降低水體流速，這也使得水體中的泥沙更易于沉降；

28 出水端口——將由壅水閘門擋水板上端漫出的表層清水引入取水管線，繼而輸送至用水處；

29 凹槽——用于安裝壅水閘門；

30 裝機臺——為電動機的布設與安裝提供操作平臺；

31 承重支板——支撐裝機臺，使其承重平衡；

32 電動機——將電能轉化為動能以調控壅水閘門與沖沙閘門的啟閉；

33 傳動斜齒輪、34 控閘斜齒輪、35 螺紋升降桿（控閘斜齒輪中部螺紋孔的螺紋與升降桿外部的螺紋是相互嚙合的）、36擋水板——通過機械傳動實現閘門的啟閉；

37 閘槽——限制擋水板使其只能沿著閘槽升降滑動。

2.4 調控電路

無壩取水系統調控電路如圖8所示，分為左右兩部分，左邊電路由37 電源、38 和39 單控開關、6 蓄水水泵、7 排水水泵以及若干導線組成，主要用于控制蓄水水泵向U 形蓄水器中蓄水，排水水泵往U 形蓄水器外排水；右邊電路由40 和41 雙控開關、32電動機以及若干導線組成，主要用于調控沖沙閘門與壅水閘門的啟閉，由于各沖沙閘門與壅水閘門的調控電路相同，此處僅以一獨立支路示意，實際上各沖沙閘門與壅水閘門各自擁有如右邊電路所示的獨立調控電路，且各調控電路均并聯于電源。

各部分的作用：

37 電源——為電路提供電能；

38 和39 單控開關——控制蓄水水泵與排水水泵的休停與運轉；

40 和41 雙控開關——當雙控開關同時與上端導通時（如圖8紅圈所示），電動機正向轉動，繼而使相應于調控電路的沖沙閘門或壅水閘門開啟；當雙控開關同時與下端導通時（如圖8藍圈所示），電動機反向轉動，繼而使相應的沖沙閘門或壅水閘門關閉。

3 工作過程

（1）先操作如圖8右邊部分所示的各沖沙閘門與壅水閘門的調控電路，使最靠近排沙端口的X 號沖沙閘門完全關閉，Ⅰ～Ⅸ號沖沙閘門（如圖1閘位標記所示）完全開啟，壅水閘門適當開啟。

（2）再操作如圖8左邊部分所示的蓄排水調控電路，通過改變U 形蓄水器中的存水量來控制旋桿自由端的升降，從而改變河道水流對水車的推動力大小，繼而調節水車轉速，最終達到調控對外動力輸出的目的。

（3）水力傳動單元運轉后，將驅動機械取水單元運轉，繼而將河道中的水體吸入取水腔體內并最終排入雙螺旋沉沙單元中。

（4）由于壅水閘門的壅水作用，進入雙螺旋渠道的水體暫時積蓄，水體中含帶的泥沙也將開始沉淀。待渠道中的蓄水水位高于壅水閘門擋水板上端時，雙螺旋渠道中的表層清水才將漫過壅水閘門擋水板上端從出水端口流出。

（5）當雙螺旋沉沙單元運行一段時間后，其渠道底部將沉積大量泥沙。操作如圖8左邊部分所示的調控電路使蓄水水泵向U 形蓄水器蓄水直至旋桿自由端完全抬起。此時水車將脫離與河道水流的接觸，繼而停止水力傳動單元與機械取水單元的運轉，暫停取水。

（6）待雙螺旋渠道中的水體沉積一段時間后，操作如圖8右邊部分所示的壅水閘門的調控電路，使壅水閘門間歇式緩慢關閉，使渠道中存蓄的水體漸次從壅水閘門擋水板上端漫出，并經出水端口流至取水管線，繼而輸送至用水處，此過程將持續至雙螺旋渠道中存蓄的水體完全排盡。

（7）再次操作如圖8右邊部分所示的各沖沙閘門與壅水閘門的調控電路，完全開啟壅水閘門，使雙螺旋沉沙單元的出水段封閉，然后關閉Ⅰ號沖沙閘門，開啟Ⅱ～X號沖沙閘門，使Ⅰ號沖沙閘門前段的渠道處于待蓄水狀態。

（8）再操作如圖8左邊部分所示的調控電路，利用排水水泵將U 形蓄水器中的水抽排至河道。當旋桿自由端安放的水車與河道水流充分接觸時，斷開排水水泵的調控電路，使排水水泵停止運轉。此時河道中的水流將推動水車轉動，繼而使水力傳動單元與機械取水單元再次工作，重啟取水過程。

（9）當取水過程重啟后，由河道中抽取的水體將暫時蓄積于Ⅰ號沖沙閘門前段的渠道中，待該段渠道蓄滿后，適當開啟Ⅰ號沖沙閘門使其前段渠道中蓄存的水體則從Ⅰ號沖沙閘門底端開啟處沖出形成水躍以實現沖沙。待Ⅰ號沖沙閘門與Ⅱ號沖沙閘門之間的雙螺旋渠道底部沉積的泥沙沖盡，則完全開啟Ⅰ號沖沙閘門并關閉Ⅱ號沖沙閘門，使Ⅱ號沖沙閘門前段的渠道處于待蓄水狀態，待Ⅱ號沖沙閘門前段的渠道蓄滿后，再適當開啟Ⅱ號沖沙閘門使Ⅱ號沖沙閘門前段渠道中蓄存的水體從Ⅱ號沖沙閘門底端開啟處沖出形成水躍以實現沖沙，以此類推，逐級蓄水，逐次沖沙，直至將雙螺旋渠道中沉積的泥沙完全沖盡并經排沙端口排入河道，最終由河道水流沖挾帶而走。

（10）待雙螺旋渠道中沉積的泥沙完全沖盡后，再次操作如圖8右邊部分所示的各沖沙閘門與壅水閘門的調控電路，使最靠近排沙端口的X 號沖沙閘門完全關閉，Ⅰ～Ⅸ號沖沙閘門完全開啟，壅水閘門適當開啟，重啟壅水沉沙過程。

4 結 語

基于力學、機械與電學原理設計了取水速度可控的新型沉沙取水系統，降低了取水口選址對河道水沙條件的要求，避免了取水口修建對岸體原始結構完整性與穩定性的破壞；通過雙螺旋渠道中部渠壁的相互共用，減小了沉沙池的修建成本，且使其占地集中，便于布置；根據雙螺旋幾何特點、彎道水流運動特性和泥沙沉降規律，利用螺旋流消能沉沙，提高了沉沙效率。所述設計構思科學，物理概念清晰，實施簡易，普遍適用于天然河道的引流取水。此外，其水力傳動單元可作為常規水力裝置的動力驅動；其雙螺旋沉沙單元可用于自來水廠的初步凈水沉淀以及城市污水處理；若將該系統的水力傳動單元與機械取水單元組合還可用于農業取水灌溉。