随着近几年灌区工程的蓬勃发展，枢纽工程中的分层取水建筑物结构型式也是多种多样。笔者在实际工程设计中接触了几类不同类型的分层取水建筑物，从前期设计到施工图设计，每一种类型的取水建筑物的优缺点不一而足。下面简要介绍笔者参与的宣汉白岩滩水库取水建筑物的结构设计及经验总结。 标签：白岩滩；水库取水；建筑设计
1、工程概况
白岩滩水库位于四川省达州市宣汉县峰城和凤林乡境内沉水河上，水库工程开发任务为以灌溉为主。水库蓄水后，将改变原天然河道水流条件，水温分层状态会有明显变化，水温将有所降低，水库低温水下泄对鱼类和农作物灌溉有一定影响，因此采用表层取水的型式。
取水塔选用了圆形取水塔型式，位于库内，取水流量14m3/s：在取水塔六个方向分别设六个取水孔口，孔口尺寸（宽×高）1.5m×2.1m，高程分别为685.00m，693.00m，701.00m，709.00m，717.00m，724.00m。每个孔口设一扇工作门，一扇拦污栅。圆筒底座为长16.5m，
宽11.5m的C20混凝土基础底座，基础底座中设一直径3m的上连进水塔的竖向取水通道，基础底座中在高程681.00m设断面3×3m的水平进水通道，水平进水通道顶接竖向取水通道，水平进水通道设取水洞进口事故闸门（3.0×3.0-65.0）一扇，水平进水通道前接C25混凝土固定拦污栅（4.0×20），后接取水隧洞，隧洞直径D=3m；取水隧洞接出口弧形工作门，由工作门控制取水流量，弧形门后接消力池与灌溉渠道。 取水建筑物的过流能力计算主要包括： 计算确定库水位高于距其最近一层取水门底坎多高时即需开启之下一层闸门以满足取水需求；隧洞在死水位时在无压流状态时能满足取水需求；弧形门过流能力。
1）开启下层闸门预警水位计算如下：
采用《水闸设计规范》SL265-2001，（水闸规范P56，水力学计算手册）
闸孔出流计算公式为：Q=бsμ0ω（2gHo）0.5
式中：Q—泄流量（m3/s）；
бs—淹没系数；
ω—过流面积；
μ0—自由出流的流量系数；
H0—包括行进流速水头的闸前水头（m）
以最高一层取水工作闸门为例进行计算，计算结果如下：
水位 进口底板高程 流量 流速系数 收缩系数 过流面积 重力加速度 水头（m）
m m Q（m3/s） φ ε A（m2） g（m/s2） H0
731（正常水位） 724 24.4 0.98 0.675 3.15 9.8 7
727 724 15.97 0.98 0.675 3.15 9.8 3
726.3 724 14.00 0.98 0.675 3.15 9.5 2.3
726 724 13.04 0.98 0.675 3.15 9.8 2
725 724 9.22 0.98 0.675 3.15 9.8 1
当取水工作闸门底坎以上水头大于2.3m，取水塔每一层分层取水流量均满足要求；当闸门底坎以上水头小于2.3m时，需开启下一层闸门进行取水。
2）隧洞在是死水位下过流能力计算如下：
隧洞过流计算采用下式进行计算
式中：—流量系数，0.385
B—过流断面宽度，m
H—隧洞上作用水头
计算结果如下：
水位 进口底板高程 流量 流量系数 过水宽度 重力加速度 水头 备注
m m Q（m3/s） m b g（m/s2） H0（m）
680 677 26.61 0.385 3 9.8 3
在死水位下，隧洞本身的过流能力满足取水需求，且大于取水需求，需由末端弧形门控制开度进行取水。
3）弧形门过流能力计算如下：
闸门开启高度 转轴与落点高差 弧形门半径 弧形门夹角 垂直收缩系数 流量系数 单宽 孔数 流量
e（m） C（m） R（m） α ε μ B（m） n Q（m3/s）
0.2 4 6 50.70 0.72 0.741 3 1 14.0
在正常水位下，闸门局部开启高度为0.2m时能满足取水要求。随着水位库水位消落，闸门开启高度相应调整。
3、取水塔基础稳定应力计算
取水塔连基座总高为63.9m，将其基础置于强风化砂岩底部～弱风化砂岩顶部，该部位基础承载能力为1.2～1.5Mpa。稳定应力计算结果如下。出口弧形门也做了相应的稳定应力计算，未列于本文中。
1）取水塔抗滑稳定计算公式：
式中：k—按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；
ΣW—竖向力总和；
ΣP—水平向力总和；（下转第頁）
（上接第页）
f′—闸室基底面与地基之间的抗剪断摩擦系数；
c′—闸基砼与基岩接触面的抗剪断凝聚力；
A—闸室与基岩接触面的面积。
2）取水塔基座截面的垂直应力计算公式：
σy ------坝踵、坝趾垂直应力，kPa
W------铅直荷载总和，kN
M------作用在计算单元的全部荷载对基底面垂直水流方向形心轴的力矩，kN·m
A--------基底面面积，m2
B--------基底长度，m。
经计算，取水塔抗滑及基底应力结果如下：
计 算 工 况 计算抗滑安全系数
k 计算抗浮
安全系数
k 允许
安全
系数
上游 基底应力（MPa） 备 注
下游
基本 完建 >5 >5 3.0 0.694 0.657 容许应力弧形门
[α]=
1.2～1.5MPa
正常水位 >5 1.70 3.0 0.377 0.423
特殊
组合 检修情况 >5 1.39 2.5 0.310 0.142
校核洪水位 >5 1.65 2.5 0.365 0.417
尽管塔身较高，但由于上部塔身布置工作门对空间的需求，基础底座尺寸较大，从而也起到了扩大基础的作用，整个结构的基底应力仍在基岩承载能力范围之内，结构是可行的。
4、结构设计反思
由于取水塔整体形状为圆形，在控制工况检修工况（取水塔内无水）下受力情况较好，结构配筋较小；但因为闸门在圆形结构上开孔较多，造成了局部应力集中，塔身需要进行局部应力计算，加大配筋，一定程度上丧失了圆形结构的优越性。
由于每层取水门呈螺旋形布置于塔身的不同高层，导致每隔一段高程塔身结构就要发生变化，导致钢筋布置相对复杂；根据金属结构专业的要求：水库运行过程中，不同高程的门需要检修时应有可靠的方式到達该闸门，但由于塔外形为圆形，每层取水门高差为8m（7m），在布置跑梯时很不方便，若设置垂直钢爬梯，总共塔高51.40m，维护人员上下交通极不方便，存在安全隐患；同时，由于塔身采用圆形结构，上部启闭闸房的建筑部分也采用了圆形结构，圆形结构拥有较为漂亮的外观，但是在设计和施工上相对较难、不便捷。相较本工程的设计，伸缩式套筒门取水建筑物的水工结构为排架结构，结构简单，结构受力明晰，施工图设计较快捷，施工也较方便；采用套筒钢闸门，金结专业没有塔身上
的交通要求，因此不需要在塔身上布置上下交通楼梯；门叶结构也简单，自重轻，钢材用量小。
白岩滩取水建筑物中即便对隧洞出口孔口进行了压坡以减小闸门孔口尺寸，在正常工作情况下，出口弧形门需要长期小开度局开进行取水，这种情况下可以考虑将出口弧形门改设为锥形阀门。
5、结语
白岩滩取水建筑物工程已全部施工完毕，尽管圆形塔身及多层取水门在施工过程中给建设单位的施工水平带来了一定程度的挑战，但该施工仍能顺利开展，建筑物本身也能满足工程需求。在今后的设计工作中，初期设计分层取水建筑物结构形式时，应尽量考虑在满足取水要求的前提下，金属结构的检修及施工方便安全。虽然白岩滩水库取水建筑物的设计尚有需改进的地方，但是正是这些从设计及施工中获得的经验，让我们在将来的设计中能考虑得更周全，设计出更好的水工建筑物。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议