邦木河水库分层取水塔设计

邦木河水库分层取水塔设计

杨燕

临沧市水利水电勘测设计研究院，云南，临沧 677099

【摘要】：人饮用水安全是关系到一个地区乃至国家安全的基本保障，目前水库取水大多取用的是水库底层的黑臭水体，水质得不到保障，故应大力推广水库分层取水理念，从工程措施上提升取水水质的可靠性，保障城镇供水水质安全。

【关键词】：分层取水 取水塔 自动化 人饮供水

现状水库枢纽工程主要通过输水隧洞取水，取用的是水库底层水，水库底层水，水温低、浑浊、长期缺氧发臭。故水库底层水的取用对下游生态、农业、人畜生产生活带来一定的不利影响，对社会经济和生态的可持续发展也带来不利影响。合理开发利用水资源单是有水的“量”是不够的，还必须有水的“质”。实践表明，从水库不同深度的水层中取水，将提供不同的水质，从而直接影响下游的生态环境和灌溉效果。所以水库分层取水，合理调度，才会使水库水资源发挥实质效益，故分层取水是十分有必要和有意义的。

邦木河水库于2017年12月竣工验收，迄今运行了4年，水库库内设有分层取水塔，解决了下游沙河乡、勐勐镇及双江农场共计10.46万人农村、集镇饮水安全问题。从源头上保障饮用水的水质，对云南边疆人民脱贫攻坚稳固提升起到积极的促进保障作用。本文就邦木河水库分层取水口措施设计成果进行分析介绍。

1项目简介

邦 木河水库分层取水口塔工程位于双江县沙河乡邦木河水库，水库设计总库容232.49万m³，属小（一）型工程，枢纽建筑物由拦河坝、溢洪道、导流输水隧洞组成。为保证下游沙河乡、勐勐镇及双江农场共计10.46万人饮安全供水，设计在隧洞进口设置分层取水设施，拟通过分层取水方式取库区表层水。取水塔由取水工程和输水管道工程两大部分组成。

取

分层取水塔

水工程由取水塔及取水管道组成，取水塔总高22.1 m，断面尺寸5.8×7.6m，采用C25钢筋混凝土衬砌。取水塔由阀门井和取水井两个井室组成，两井室通过隔水墙进行分隔。取水塔共设置有4个取水孔，阀门井根据不同取水高程分层设置，为各层控制蝶阀工作间，层间通过楼梯连接；取水井也为取水前池，深20.6m，井内壁根据各层取水管设置溢流口。取水井底部设有两个取水口（DN300），后接取水管道。输水管道采用双管布置，一根用于长期供水，另一根作为检修备用管道，采用DN300的蝶阀进行控制。输水管道由取水塔取水后沿导流隧洞底板铺设至隧洞出口，采用有压运行，在管道末端设置流量控制阀进行控制。

2主要技术

2.1分层取水建筑物结构形式选择

分层取水建筑物总的可以分为三种类型，斜卧管（槽）式分层引水结构、竖塔（井）式分层引水结构、浮船式自动分层取水结构。

斜卧管（槽）式分层引水结构沿岸坡设倾斜布置，根据不同高程分级设置固定式引水口，通过启闭机对不同高程孔口闸门的启闭以实现分层取水。该结构型式可沿岸坡布置，结构稳定性较好，且无工作桥。但操作安全性差、易漏水、引水流量不能准确控制，水头损失大。同时由于管（槽）均为卧式，对基础要求较高，若基础发生不均匀沉降和位移，将导致卧管（槽）变形破环。且由于启闭设备布置较为繁杂，后期管理运行不便，管理维护费用高。

竖塔（井）式分层引水结构为一封闭式的独立塔或靠坝面的竖井。此结构置于库内，取水塔顶部工作平台通过工作桥与水库边坡相连，在竖井不同高程预留分层取水孔口取水。该结构型式取表层水效果好，水头损失小，结构简单，启闭方面，可以实现一机多控。

浮船式自动分层取水结构，这种取水口结构利用浮船作为浮动装置，把软管或固定在岸坡上的铰接钢管固定在浮船底板上，随着水位变化，浮船及管道在水位变化方向移动，在管道移动的过程中，始终处于水表以下一定的高度，达到分层取水的目的。优点，工程量较小，施工简单。缺点：浮动装置受外界影响因素比较大，易发生破坏，生命周期短，供水可靠性差，后期管理运行比较麻烦，工程维护管理费用高。

根据以上分析，同时结合取水口工程地形地质条件，竖塔（井）式分层引水结构在供水可靠度、结构稳定性、后期运行管理等方案优越其它两个方案，因此邦木河水库选择竖塔（井）式分层引水结构。竖塔（井）式分层引水结构主要可分为闸门分层取水及阀门分层取水两大类。闸门分层取水方案水工结构简单，但是机电设备繁多，同时干湿交替、浸没水下、日光照射以及高速水流等恶劣的工作条件中运行，极易发生腐蚀。造成管理操作困难，运行管理费用高。而阀门分层取水方案水工结构较简单，采用阀门取水自动化控制，运行管理及维护简便，调节性能好，使用寿命长。由于工作压力较小，可以实现良好的密封。故邦木河水库取水塔采用阀门进行自动化控制，操作简单，管理运行费用低。

2.1分层取水高度确定

根据水库成层特性，即水库内水的温度、浑浊度分层分布。随着深度的增加，水库水温逐渐降低，水体逐渐变浑。从水库水质方面分析，对于水库表层水，由于其日照较多，容易滋生藻类等水生植物，并可能有漂浮物堵塞取水口及供水管道，因此不宜作为人饮用水取水层。对于水库底层水，由于其温度相对较低，水处理工艺较复杂，且下雨时底层泥砂受到扰动，水体浑浊，可能发生“异重流现象”；此外，由于深层水基本上呈静态分布于库底，水体不能实时更新，严重缺氧，可能会导致库底水发臭，因此，底层水也不宜作为取水层。而水库中上层水排除了上述表层水和底层水的缺点，水质较好，满足人饮需求，宜作为取水层。故针对库水的分部特点对本工程进行分层取水布置。

各取水口高程设置应结合水库蓄水情况、水温分部特点、建筑物结构布置、地形地质条件、水力学特性等综合考虑。多层开孔的分层高度决定了取水孔口数，若层高过大，起不到分层取水的效果，层高过小，孔口多，启闭频繁，操作不便，且相应增加建筑物的结构尺寸以及设备，投资增加。邦木河水库为在建水库，没有水温观测资料，因此该工程分层取水高度结合水库的特点，参照已建工程采用工程类比法确定分层高度。

根据一般中小型水库，南方地区分层高度可选择在3m左右，北方一般不宜超过2.5m。由于本工程位于南方，属亚热带温凉气候类型，根据工程经验分层高度宜定在3m左右。当库水位降至库水深只有（1/3）正常水深时，取表层水意义不大。故在此水深范围内，设置了一个放空低孔。结合本工程特点，塔顶高程为1438.10m与水库拦河坝防浪墙顶高程一致，由于本工程死水库容较大，结合输水隧洞底板高程，放空低孔高程为1419.1m，分层取水高度3.6m，根据布置共设置有4个取水口，顶孔高程1429.9m，距离正常蓄水1432.7m有2.8m。当库水位距离顶孔1.0m时，关闭顶孔取水，由第二层取水孔取水，以此类推，低层取水口为放空底孔，不做取水。

2.2工程布置

取水建筑物包括取水塔及人行桥，取水塔位于水库大坝左岸上游与输水隧洞进口之间的脊状谷坡上，取水塔高22.1m，直立式布置，人行桥连通取水塔和岸坡，人行桥基本沿条状山脊布置，人行桥长47.2m。

分 层取水塔纵剖面布置图

1）取水塔

取水塔由阀门井和取水井两个井室组成，竖井断面尺寸5.8×7.6m，总高22.1m。根据取水塔所承受水头不同，塔壁厚度分别为0.5及0.7m两种，在高程1425.70m处以上塔壁厚度为0.5m，以下为0.7m。取水塔共设置有4个取水孔，孔口高程分别为1429.9m、1426.3m、1422.7m、1419.1m。孔口断面为DN800圆形喇叭口，后接DN600输水钢管，各层取水通过DN600（1.0Mpa）的蝶阀进行控制。

阀门井根据不同取水高程分层布置，共分为五层，各层高程分别为1432.9m、1429.3m、1425.7m、1422.1m、1418.5m，第一层层间高度为5.2m，其余均为3.6m。其中第一层不设置取水口，以下各层迎水面均开孔引水，通过5.8m长的DN600的钢管穿井壁将库水引至取水井，引水管采用蝶阀控制。各层设有一1.5×1.6m的吊物孔，用于设备吊装，层间交通采用楼梯，楼梯宽1.0m。

取 水井也为取水前池，深20.6m，井内壁根据各层取水管设置溢流口，孔口断面为DN600。取水井底部设有两个取水口（DN300），后接取水管道。井内流速不宜过大，一般不宜大于1m/s，流速太大会使水头损失增大，同时对建筑物冲刷严重，造成结构破坏，故取水时需保证井内存留一定的淹没水深。

2）取水塔衬砌、防渗及抗冲刷

取水塔断面尺寸5.8×7.6m，总高22.1m，最大设计水头17.78m，塔壁厚度分别为0.5及0.7m两种。本工程混凝土结构所处干湿交替、水位频繁变动环境，属于二b类环境类别，为保证本工程质量，结合建筑物特点，本工程混凝土强度等级定为C25，抗渗等级为w8。

取水塔由阀门井和取水井两个井室组成，阀门井为阀门自动化启闭控制室，为干井；而取水井为取水前池，深20.6m，经常受水流冲刷。为保证阀门井在高水头作用下不出现渗水保证机电安全，进一步避免混凝土浇筑质量缺陷，考虑在取水塔外壁及取水井内壁涂抹防渗涂层——高性能环氧胶泥（PSI-HY）。

高性能环氧胶泥（PSI-HY）由改性环氧树脂和复合氧化硅、钛等多种无机粉料组成。用于混凝土防渗、外观整体化处理，以及混凝土表面气孔、蜂窝、麻面及裂缝等缺陷修补及封堵。该材料与混凝土的粘结力极强，28d的粘结强度可达5MPa以上。

3）机控房

机控房对各层蝶阀进行自动化控制，机控房置于取水塔顶。机控房采用砖混结构布置，断面尺寸为5.8×7.6m，为便于取水观测，机控房外设有一圈1.0m宽挑板为观测走廊。机控房空间上满足通风、采光、空旷的要求，房屋净空高2.9m，墙四周均设有窗户，通过人行桥与库岸联系。

2.3自动化设计

双江县邦木河水库分层取水工程目的取水库表层水以供下游城镇生产生活用水。通过在近坝库岸设置取水塔，分层取水，共设有4套取水阀，取水后通过埋设于隧洞底板的输水管道将水引致水库下游，出口设有2套工作阀门。设计采用综合自动化系统软件及网络技术，全站按全计算机监控进行总体设计和系统配置，确保工程安全、经济、可靠运行，达到最近国内同类型工程综合自动化系统先进水平，使运行管理达到“少人值守”的要求。

工作原理：水库放水时，通过自动机控启闭各取水蝶阀以实现分层取水。当第一个取水孔口水深不满足1m时，打开第二个取水孔口的阀门的同时关闭第一道阀门；当第二个取水孔口水深不满足1m时，打开第三个取水孔口的阀门的同时关闭第二道阀门；最底层的第四个阀门为泄水阀，主要用于保证首次放水时向取水井内充水、阀门检修或者下泄库底层水。

工程运行时先开启取水阀，再开启出口工作阀，根据供水需要控制出口工作阀调节流量，需保证进水流量与放水流量相等，取水井内水位与库水基本平衡。严禁发生出口工作阀门流量大于进口取水阀，造成取水井内所取库水跌落影响取水建筑物安全。

进口取水阀及出口工作阀门均需自动化控制，通过水位传感器收集水位信号控制阀门启闭，而进出口取水及工作阀门均需采用电缆链接至取水塔阀门房进行统一控制。

3调度管理

3.1及时启闭

随水位变化，通过自动机控启闭各取水蝶阀以实现分层取水，每个取水孔口顶部在取水时均保持1.0m的淹没水深，以免取到表层富含藻类等浮游植物或水库表面漂浮物。当上一个取水孔口淹没深度不满足要求时，打开下一个取水孔口的阀门的同时关闭上一道阀门。

首次放水时，取水井内无水，为防止水流骤然泄入井内而造成破坏建筑物的事故，应保持上部工作阀关闭，打开最底部放水阀向井内充水，充水至库水位相平后关闭底部放水阀。

运行时先开启取水阀，再开启出口工作阀，根据供水需要控制工作阀调节流量，当进水流量与放水流量相等时，井内水位平衡。停放水时，先关闭出口工作阀，使井内外水位相平，再关闭取水闸。

当进行检修时，应先完成上述停水程序，然后将工作阀全部打开，使井内水位迅速下降，井内水全部放完以后方可以检修。

3.2水质调度

水库水质是上层优于下层，所以在分层取水的水库中，经表层取水后，留在库底的水体水质较差。故在供水淡期应打开底孔阀门放水，以减少污水淤存，尽量减轻水库营养的程度。特别是在汛期，应打开底孔泄水排出污水，同时下游河道水量充沛，排出的污水可得到稀释，不会导致下游河道环境的恶化。

4结语

根据水库调度运行管理情况，水库底层水体多年得不到更换，隧洞取水只能取用底层水质差的水体，城镇供水水质得不到保障。人饮用水安全是关系到一个地区乃至国家安全的基本保障，随着用水要求的提升，国家节水政策的实施，取用安全水体这一课题显得尤为重要。

本工程为小一型水库分层取水项目，由于工程等级小，体量小，受资金限制仅仅对取水塔做了自动化控制，若能结合水库库区水情自动测报、大坝自动化监测系统等统筹管理，实现水库智慧化管理，便能更好的结合项目降雨、来水、防洪等实际情况，科学管水、用水，协调好灌溉及人饮用水分配。

参考文献

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