分層取水在力刀水庫中的應用

曹 畑，楊 鵬，張 高

（1.中國電建集團貴陽勘測設計研究院,貴州 貴陽 550081；2 .中電建第十一工程局（廣東）建設投資有限公司,廣東 廣州 510430）

1 工程概況

力刀水庫位于貴州省黔南州福泉市道坪鎮谷榔河上,壩址距離福泉市城區28 km。水庫壩址以上流域集水面積為27.3 km2,主河道長度10.4 km,加權平均比降18.6%,流域形狀系數為0.252。力刀水庫是一座以農業灌溉、村鎮以及工業供水等綜合利用的水利工程,工程建成后可供村鎮人畜飲水供水量共計為144 萬m3/a、礦區工業供水量372 萬m3/a、灌區多年平均總供水量769 萬m3/a。

力刀水庫校核洪水位1199.67 m,總庫容708萬m3,工程等別為Ⅳ等,工程規模為小（1）型,由樞紐工程和輸水工程組成。樞紐工程包括攔河大壩、壩身開敞式溢流表孔、取水建筑物、放空建筑物。攔河大壩為混凝土重力壩,壩頂高程1201.00 m,壩底開挖高程1143.00 m,最大壩高58 m,壩頂寬度5 m,壩頂長114.8 m,分為左、右岸非溢流壩段和中間河床溢流壩段。輸水工程主要由輸水管道和提水泵站組成,輸水設計流量為0.76 m3/s,其中在村鎮供水方面,保障道坪集鎮規劃區2.50 萬人集鎮人口和灌區2670 人農村人口用水；農業灌溉方面,保障灌區共計10.07 hm2；工業用水方面,保障英坪礦區用水。

2 分層取水的必要性

福泉氣象站是距力刀水庫壩址最近的氣象站,位于福泉市城區。根據福泉氣象站資料統計：多年平均氣溫14.7℃,極端最低氣溫為-8.8℃,極端最高氣溫為36.4℃。工程區多年逐月氣溫見圖1,從圖1 中可以看出,水庫的水溫來自太陽輻射,表層水溫與氣溫的變化趨于一致,具體表現為：1 月份最低,7 月份最高。研究表明[1],水庫蓄水后,年初氣溫較低庫內上下層水溫較一致,沒有明顯分層；在入春之后,氣溫回升,庫水表面吸收空間輻射能量,其表層水水溫會迅速升高與氣溫保持一致,庫內深層水溫升速度緩慢,會在水庫中形成明顯的分層。

圖1 工程區多年逐月氣溫圖

分層型水庫按水溫結構,沿水深可分為以下三層[1],表溫層：變動于水庫水面以下0 m～4 m范圍內,此層水與大氣直接進行熱交換,吸收熱能多,溫度高,因受風浪剪切、垂直環流、豎向對流等的影響,層內水溫相互摻混,全層溫度基本上均勻。溫躍層：水庫水面以下4 m～15 m范圍,一般不超過20 m,全層水溫從上到下水溫變化劇烈,溫度梯度大。深層：從溫躍層結束直至庫底,層內水溫基本保持或接近當地初春最低溫度,全層水溫梯度很小,水溫分布接近均勻。力刀水庫耗水主要是灌溉、村鎮供水、工業供水以及生態用水,其中灌溉取水用于農田灌溉,農作物對水溫有較高的要求,如果灌溉水溫過低,會直接影響下游農作物的生長,對農作物的產量造成巨大影響；生態用水主要滿足維持壩址下游生物生存的生態平衡,下泄水溫關系著下游生物的生存。

水庫水溫計算有參數a-β判別法、Norton密度佛汝德數判別法、水庫水溫計算經驗法等[3]。本工程先用參數a-β判別法對水庫水溫結構進行判別,再利用水庫水溫計算經驗法計算水庫下泄水溫。

（1）參數a-β判別法[2]

式中：R為多年平均徑流量,m3；W1為一次洪水量；V為水庫總庫容。

當a≤10時,水庫水溫為穩定分層型；當10＜a≤20,水庫水溫為不穩定分層型當a＞20時,水庫水溫為混合型。洪水期時根據β值進行第二次判別,如遇β＞1的洪水,則變為臨時混合型,β＜0.5的洪水,對水溫結構沒有顯著影響。

力刀水庫正常蓄水位1196.00 m,死水位1162.50 m,水庫消落深度為33.5 m,水庫多年平均徑流量1330 萬m3,總庫容708 萬m3,2%頻率洪水一日洪量380 萬m3,采用a-β判別法,a計算值為1.88,力刀水庫水溫結構為穩定分層型。對于分層型水庫, β計算值為0.54,洪水對水庫水溫的分布影響較小。

（2）水庫水溫計算可采用計算經驗法計算,公式如下：

式中：Ty為水深y處的月平均水溫,℃；To為水庫表面月平均水溫,℃；y為水深,m；m為月份,1,2,…,12；Tb為水庫底部月平均水溫,℃；N為大壩所在的緯度；To' 、K'為查表A.0.2獲得。

水庫表面月平均水溫采用力刀水庫地區多年月平均氣溫,水庫消落深度為33.5 m,根據上述公式可計算出水庫未采用分層取水的下泄水溫,同時,根據表溫層的水溫特性,水庫水面以下0 m～4 m范圍內水溫基本均勻,因此,采用分層取水后的下泄水溫即是水庫表面月平均水溫。圖2為未采用分層取水下泄水溫和分層取水下泄水溫的水溫變化圖。從圖中可見每年10 月～次年3 月,采用分層取水取表層水與直接取用水庫底層水對下泄水溫影響較小；在每年4 月～9 月,采用分層取表溫層水能夠較大幅度的提高取水水溫,農作物在灌溉期4 月～8 月間,取水水溫為15.4℃～20.4℃,能夠滿足農作物灌溉水溫的要求。

圖2 力刀水庫下泄水溫變化對比圖

3 分層取水口設計

3.1 取水口布置型式選擇

取水口布置型式一般有獨立式布置和與大壩整體式布置兩種,本工程對兩種取水口型式進行布置比較。力刀水庫樞紐推薦壩型為重力壩,結合地形地質條件,擬定壩身式取水口和岸塔式取水口兩個取水方案。岸塔式取水口方案需要建造取水隧洞,工程投資較大；壩身式取水口可采用取水鋼管與大壩放空管相結合的方式,不必設置專門的取水線路,將取水鋼管置于壩體混凝土內,與壩體澆筑同時施工,工程投資較小。經綜合分析本取水口采用與大壩整體式布置。

3.2 分層取水口型式選擇

取水口是分層取水結構的關鍵部位及設計核心,其型式、尺寸和設置方式直接影響取水結構取水性能的優劣。國內外已建成的分層取水建筑物,按外形分,有斜臥式分層、塔式分層、套筒型、管狀等；按水力學特性,可分為堰流和孔流兩種流態；按啟閉方式和工作原理,可分為人工啟閉、電氣自動、浮式和多層自動翻板等；按取水口設置方式分為活動式、固定式和復式[4]。

根據相關工程對比調查試驗研究成果介紹,對于灌溉型水庫,為有效地取表層水,必須控制取水水深,根據水庫表溫層的水溫特性,水面以下0～4 m范圍內水溫基本均勻。本水庫正常蓄水位1196.00 m,死水位1162.50 m,水庫消落深度為33.5 m,為減小分層取水層數,取水最大水深控制為4 m。如果采用多層取水口型式,將要設置6 層取水口、6 道閘門及6 套懸吊設備,進水塔體積布置較大,設備較多,投資較大,管理運行不方便；如采用疊梁門型式分層取水,需要設置11 扇疊梁門,但進水塔內僅需設置一道疊梁門槽,塔體布置緊湊、體積小,采用門機通過一套自動抓梁與閘門吊耳連接進行啟閉,可保證分層取水靈活可靠的運行。經上述分析采用采用機械控制的疊梁門型式進行分層取水,其控制分層取水靈活、水流流態好、運行相對簡單。

3.3 分層取水口設計

（1）疊梁門頂過流能力按矩形薄壁堰淹沒出流考慮[3],計算如下：

式中：σs為淹沒系數,按公式計算；mo為流量系數,按公式計算；Ho為計入行近流速水頭的堰上水頭,νo為行近流速；P為矩形薄壁堰高度；Z為堰上下游水位差；b為堰頂寬度。水庫表溫層最大水深為4 m,為能夠較好的取用水庫表層水,疊梁門頂控制最大水深按4 m設置,最小為1 m,孔口寬1.0 m。當水深為1.0 m時,過流流量可達到1.44 m3/s大于設計流量0.759 m3/s,過流能力滿足要求。

（2）取水口最小淹沒深度計算

取水口為有壓式進水口,水庫最低運行水位為死水位1162.50 m,最大引用流量為0.759 m3/s。根據規范[3],為防止產生貫通式漏斗漩渦考慮,取水口最小淹沒深度按戈登公式估算：

式中：S為最小淹沒深度,m；V為閘孔斷面平均流速,m/s；d為閘孔高度,m；C為系數,當對稱水流時為0.55,邊界復雜和側向水流時取0.73。

經計算,最小淹沒深度為0.38 m,根據最小淹沒深度要求并結合進水口布置,本取水口最小淹沒深度取1.5 m,進水口底板高程為1160.00 m,滿足最小淹沒深度要求。

（3）取水口結構布置

取水口布置于樞紐建筑物的左岸壩段,管道引用流量0.759 m3/s。結合樞紐總布置,取水口采用壩身取水口,攔污柵、喇叭口、閘門井、通氣孔布置于壩體前沿,取水口建筑物與壩體結構形成一個整體,其前緣寬6.0 m,順水流方向長9.5 m。取水口攔污柵為平面直立式,柵底高程1160.00 m,柵頂高程1200.00 m。垂直于水流方向共設一道柵槽,設置1孔攔污柵,孔口尺寸為1-1.0 m×40.0 m（扇-寬×高）；在攔污柵后方設置分層取水段,分層取水控制段長2.65 m,單扇疊梁門高度為3 m,共11扇疊梁門。喇叭口采用矩形三面收縮,喇叭口頂板順水流方向為四分之一橢圓曲線 ,平面為半徑0.5 m四分之一圓曲線,設一道平板事故檢修閘門,進水口底板高程1160.00 m,進水口中心軸線高程1160.50 m,閘門孔口尺寸1-1.0 m×1.0 m（扇-寬×高）。閘門后設φ300 mm通氣孔,其后設置疊梁門庫。閘門井其后為漸變段,其斷面尺寸由1.0 m×1.0 m（寬×高）漸變至內徑為1000mm的圓形斷面,漸變段長2.0 m,與壩內鋼管相接。分層取水口縱剖面見圖3。

圖3 分層取水口縱剖面圖

4 結語

力刀水庫是一座以農業灌溉、村鎮以及工業供水等綜合利用的水利工程,通過分析分層取水的必要性,確定采用整體布置的疊梁門式分層取水口,該結構具有運行操作靈活,安全可靠,不僅保證了農作物灌溉和下游生態需水在水量方面的需求,還滿足了對水溫的要求,從而提高灌溉效果和保護下游的生態環境,可對類似工程的分層取水口選型和布置等提供參考。