引水工程中取水建筑物设计的探讨--以重庆市巫溪县通城镇供水保障提升工程为例

引水工程中取水建筑物设计的探讨--以重庆市巫溪县通城镇供水保障提升工程为例

冯建

重庆市水利电力建筑勘测设计研究院有限公司（重庆 渝北 400000）

摘 要：为解决通城镇村供水安全，改善通城片区农村供水设施饮水条件，提升人均可供水量、提升水质达标率，助力通城镇乡村振兴，促进经济社会绿色发展，本文就结合巫溪县通城镇供水保障提升工程，对项目取水建筑物设计进行探讨，并以期为此类问题提供一定的参考和借鉴。

关键词：水利工程；水工设计；取水建筑；

0前言

2021年9月，重庆市人民政府办公厅关于印发重庆市水安全保障“十四五”规划（2021-2025年），围绕实现巩固拓展水利扶贫成果同乡村振兴水利保障有效衔接，积极推进农村供水保障工程建设，稳步提升农村供水标准和质量。实施“一改三提”工程，通过改善农村供水设施条件，提升人均可供水水量、水质达标率、工程运行管护水平，让人民群众喝上放心水。

1项目简介

巫溪县通城镇供水保障提升工程是通城镇供水体系的重要组成部分，工程主要任务为解决通城镇高区以及规划的夏布坪康养度假区的生活、生产供水。工程位于重庆市巫溪县通城镇境内，距巫溪县城约22km。受供水区高程影响，供水区设置有提水泵站4个，分别为通城水厂至夏布坪三级提水泵站（提水扬程约400m），长红村至玉泉村二级提水泵站（提水扬程约60m），楼门村至云台村、青梅村提水泵站（提水扬程约60m），凉风村提水泵站（提水扬程约60m）。提水扬程过高，加大了当地居民生活用水成本，供水保障率低。

2工程现状

炭坝子取水枢纽区目前为天然河道，取水口选址为河道汇合口处，地势平坦，河道宽度22.0-30.0m，便于修建取水建筑物。但根据前期枯水期地表调查表明，左岸支沟桦桷淌在汇合口以上100m段河床、右岸烂巴子沟在汇合口以上45m段河床、汇合口以下河床均未发现明流，因此需增加必要的汇水工程措施，保证枯水期正常取水。

根据设计方案，在炭坝子取水口修建拦水坝，坝顶高程1728.00m，正常蓄水位高程1727.70m，坝后形成一个“Y”字型库盆，即引水隧洞进口调蓄池。左岸桦桷淌回水长度约60m，右岸烂巴子沟回水长度约45m，库区面积约900㎡。炭坝子取水枢纽由取水工程和汇水工程两部分组成，取水工程由取水坝、沉砂池两部分组成，汇水工程由引水坝、进水管、汇水池三部分组成。设计取水流量为0.046m3/s。

3取水建筑物设计

3.1取水工程

取水坝由非溢流坝段、溢流坝段组成。坝轴线基本垂直于河床布置，坝基座落在基岩或稍密～中密状砂卵石层上，最大坝高3.7m，溢流坝段长20.0m，坝顶高程1727.70m；非溢流坝段长10.0m，右岸长2.0m，左岸长8.0m，坝顶高程1729.50m。取水口设置于左岸非溢流坝段，取水口高程1725.70m，取水口尺寸2.0×2.0×7.5m（宽×高×长），取水口坡率i=0.03；取水口设置拦污栅，栅条采用矩形钢条制作，宽度20mm，栅条间隙10mm。坝体内部采用C20埋石砼，溢流面和取水口过水面采用0.2m厚C20砼。坝后接下游护坦长5m，护坦厚0.8m，面层为30cm厚C25钢筋混凝土，底层为50cm厚C20埋石砼。底板设φ80排水孔，纵横间距2.5m。底板下设0.2m厚砂卵石层反滤层。

沉砂池为单箱矩形，沉砂池长14.00m，宽2.0m，底坡坡降i=0.01，平均工作水深3.2m。沉砂池边墙为衡重式挡墙，采用C20埋石砼浇筑成形，挡墙顶宽0.8m，挡墙高度3.5m。沉砂池临河侧设溢流堰，溢流侧堰长6.0m，溢流堰堰顶高程1727.50m,溢流侧堰采用C20砼浇筑。沉砂池末端设置DN200冲砂管，采用DN200闸阀控制。沉砂池后接引水隧洞,设置一扇2.5×2.0m检修闸门。

生态放水管采用DN100镀锌钢管，由取水坝引至沉砂池下游，生态放水流量0.068m3/s。

3.2汇水工程

1#引水坝设置于左岸支沟桦桷淌在汇合口以上100m处河道，坝顶高程1740.0m，坝长3.5m，坝高2.5m，坝顶宽0.5m，上游坡比1：0.1，下游坡比1：0.4，坝体采用C20砼砌筑，坝基坐落于基岩上。2#引水坝设置于右岸支沟烂巴子沟在汇合口以上45m处河道，坝顶高程1730.0m，坝长5.0m，坝高2.5m，坝顶宽0.5m，上游坡比1：0.1，下游坡比1：0.4，坝体采用C20砼砌筑，坝基坐落于基岩上[1]。

1#DN200进水管沿左岸支沟桦桷淌河道内布置，长度105.0m，由1#引水坝引水至汇水池内，进口高程1738.50m，出口高程1727.60m。2#DN200进水管沿右岸支沟烂巴子沟河道内布置，长度44.0m，由2#引水坝引水至汇水池内，进口高程1728.00m，出口高程1727.60m。进水管敷设方式为埋设，进水管外包0.2m厚C20砼，埋设深度1.0m。

汇水池为不规则五边形，池顶高程为1728.0m，池底高程为1725.00m，蓄水量约800m3;水池边墙均采用C25钢筋混凝土悬臂式挡墙结构，每隔5m设加强墩；蓄水池边墙为直立式，宽度为0.4m，加强墩顶宽为0.5m，墙身高度为2.8m；墙身每隔10m设置伸缩缝，墙踵端部与水池底板钢筋混凝土设置伸缩缝。缝内填塞沥青木板，并设止水，止水采用“651”型橡胶止水带。池底采用C25钢筋混凝土板防渗，自下而上分别为1.0m厚砂卵石碾压回填+0.5m厚块石垫层+0.1m厚C15混凝土垫层+0.3m厚C25钢筋混凝土板，且每间隔10m设置一道伸缩缝,伸缩缝结构同挡墙设置。池底设纵横向排水管,排水管为DN250/160HDPE打孔波纹管

[2]。

3.3设计计算

（1）溢流坝泄流计算

溢流坝过流能力按无坎宽顶堰公式进行计算：

Q=

式中：Q-流量(m3/s)；m-流量系数，按《水工设计手册》表3-1-4计算；-侧收缩系数；

-淹没系数；B-堰顶宽度(m)，宽度20.0m；Ho-堰顶水头(m)；

表1 溢流坝水位流量关系成果表

经计算：当发生P=10%的设计洪水流量53.8m3/s时，堰上水头1.39m，当发生P=5%的校核洪水流量65.3m3/s时，堰上水头1.60m。

（2）取水口过流能力按无坎宽顶堰公式进行计算：

Q=

式中：Q-流量(m3/s)；m-流量系数，按《水工设计手册》表3-1-4计算；-侧收缩系数；

-淹没系数；B-堰顶宽度(m)，宽度2.0m；Ho-堰顶水头(m)；

经计算，取水口在正常水位1727.50m时过流能力满足引用流量Q=0.046m3/s的设计要求。

（3）沉砂池水力计算

式中：vcp-沉砂池水流平均流速，m/s；Q-沉砂池内流量，0.046m3/s；B-沉砂池工作宽度，2.0m；Hp-沉砂池工作水深，3.2m；

经计算：vcp=0.0048m/s，满足沉降最小粒径0.05-0.1mm时的要求。

（4）取水坝稳定计算

本工程取水坝坝坝高3.7m,地基地质条件较简单,不存在控制坝基稳定的软弱结构结合面，坝基抗滑稳定主要受建基面抗剪强度控制，因此本次设计不计算坝基深层软弱结构面抗滑稳定，只计算坝体和坝基接触面抗滑稳定及应力[3]。

坝体稳定及应力计算工况

表2 计算工况表

计算公式

坝体沿建基面的抗滑稳定按抗剪和抗剪断公式如下：

上式中：K’s—抗剪断计算的抗滑稳定安全系数；f1-滑动面上的抗剪断摩擦系数；c1-滑动面上的抗剪断凝聚力；A-滑动面截面积；w-作用于计算截面以上坝体的全部荷载（包括扬压力）对滑动平面的法向分值；∑P-作用于计算截面以上坝体的全部荷载对滑动平面的切向分值；

坝基垂直正应力按材料力学公式计算：

式中：σy-垂直正应力；∑W-作用于坝段上全部荷载对坝基截面上法向分力的总和；

∑M-作用于计算坝段上全部荷载对坝基面截面形心轴的力矩总和；A-计算坝段的坝基面截面积；J-计算坝段的坝基面截面积对形心轴的惯性矩；X-坝基面截面上计算点到形心轴的距离。

计算结果详见下表3。

表3稳定与应力计算成果表

从上表可以看出，各种工况下取水坝均能满足规范的抗滑稳定要求。

（5）挡墙计算

计算理论及方法

主动土压力采用库伦公式计算：

E=rH(H+2ho·kq).k/2

式中ho=q/r

kq=

r·-分别为填土容重（KN/m3）和内摩擦角（度）；-墙背与铅直线所成的角度（墙背仰斜时,为负值；墙背俯斜时,为正值）；-外摩擦角，土与墙背间的摩擦角（度）；

-填土表面与水平线所成的坡度（度）；K-主动土压力系数；Q-均布荷载（KN/m2）；Ho-外荷载等代土层高度（m）

抗滑、抗倾稳定计算：

墙身的抗滑稳定安全系数为：

Kc=

式中：Kc-抗滑稳定安全系数；w-自重（KN）；Ey-土压力的竖向分力（KN）；Ex-土压力的水平分力（KN）；F-墙底与地基间的摩擦系数

墙身的抗倾稳定安全系数为：

Ko=

式中：Ko-抗倾稳定安全系数；Zw-自重力重心到倾覆计算点的水平距离（m）；Zx-土压力竖向分力到倾覆计算点的水平距离（m）；Zy-土压力水平分力到倾覆计算点的竖向距离（m）

堤基底应力计算：

式中：ΣG-作用在堤基上的竖向力之和（KN）；B-堤基底部截面宽度（m）；Eo-偏心距（m）；

计算荷载

作用在墙体上的荷载有基本荷载组合和特殊荷载组合两类:

基本荷载组合：自重、静水压力、扬压力、风浪压力、土压力、人群荷载。

特殊荷载组合：由于本工程不考虑抗震设防，因此不计地震荷载。挡墙将墙前、后水位与墙顶齐平作为特殊荷载。

计算工况及安全系数

根据本工程实际运行过程中可能遇到的情况拟定计算工况见表4、5。

表4 计算工况表

表5 挡墙抗滑、抗倾稳定安全系数

④典型断面的选取

新建汇水池为悬臂式挡墙,墙高3.0m;新建沉砂池挡墙为衡重式挡墙,墙高4.0m;本次计算选取这两种挡墙计算。典型断面的剖面型式见图1和图2。

图1悬臂式挡墙稳定计算示意图(3.0m）

图2衡重式挡墙稳定计算示意图(4.0m）

⑤计算成果

本阶段采用北京理正软件设计研究所编制的“理正岩土挡土墙设计软件6.5PB3”进行计算。计算成果见表6。

表6挡墙稳定计算成果表

从上表看出，最大高度的典型断面在正常和特殊工况下抗滑、抗倾安全系数均满足规范要求，墙底最大应力小于基础允许承载力。因此，以上断面挡墙是稳定的，墙底地基满足承载力要求。

4结束语

巫溪县通城镇供水保障提升工程是提高农村饮水基础设施条件的需要。巫溪县通城镇供水保障提升工程实施后，可保证高区自流供水，大幅减少水厂运行成本，进一步巩固脱贫攻坚成果，保障供水水质水量，提高供水安全，都具有十分重要的意义。

参考文献：

[1]常全月.集中供水工程中取水建筑物的设计[J].陕西水利,2012(4):73-74. 

[2]马洪雁.水库分层取水设计的思考[J].低碳世界,2022,12(12):82-84. 

[3]张璐,许尚勇.水电站库区取水系统规划设计[J].科技资讯,2018,16(19):69-74

作者简介：冯建（1990- ）男，汉族，重庆忠县人，工程师，主要从事水工设计方面工作。