1、 江河取水工程 中國市政工程西北設計研究院有限公司 賈萬新 康旺儒 蘇蕊 2015年11月 目 錄 江 河 取 水 工 程41.0江河取水概說41.1江河水源分布廣泛41.2江河取水的自然特性41.3全面了解河道的沖淤變化42.0相關的河流學述要52.1河流的一般特性52.3平原河道的水文特性102.4平原河道的相關關系112.5河床穩定性指標113.0河彎的水流結構124.0河流取水的洪枯分析概要154.1河流洪枯分析的必要性154.2頻率分析樣本的選用164.3洪水統計參數的沿程變化185.0取水構筑物位置的合理選擇205.1選擇取水構筑物位置需收集的資料215.2取水河段的沖淤變化分析2

2、35.3天然河道實測資料分析235.4黃河取水位置選擇的幾個條件256.0黃河已建取水構筑物的情況與示例286.1合建岸邊式取水構筑物286.2合建河心式307.0包頭畫匠營子取水工程簡介337.1河段的自然情況337.2河工模型試驗347.3取水泵站的設計特點357.4取水墩、自流管437.5解決施工及運轉中幾個難點問題的措施458.0高含沙水及其特性47參考文獻：50 江 河 取 水 工 程1.0江河取水概說1.1江河水源分布廣泛 江河在水資源中具有水量充沛，分布廣泛得特點，常用于作為城市和工礦供水水源，例如在我國南方（秦嶺淮河以南）90%以上的水源工程都以江河為水源。1.2江河取水的自然

3、特性 江河取水受自然條件和環境影響較大，必須充分了解江河的徑流特點，因地置宜地選擇取水河段。特別是北方各地，河流的流量和水位受季節影響，洪、枯水量變化懸殊，冬季又有冰情能形成底冰和冰屑，易造成取水口的堵塞，為保證取水安全，必須周密調查，反復論證。1.3全面了解河道的沖淤變化河道在水流作用下，不斷地發生著平面形態和斷面形態的變化，這就是通常所說的河道演變。河道演變是河流水沙狀況和泥沙運動發展的結果，不論是南方北方，還是長江黃河挾帶泥沙的水流在一定條件下可以通過泥沙的淤積而使河床抬高，形成灘地，也可以通過水流的沖刷而使河岸坍塌，河道變形。泥沙有時可能會被紊動的水流懸浮起來形成懸移質泥沙；有時也可因

4、水流條件的改變而下沉到河流床面，在河床上推移運動，成為推移質泥沙。當水流挾帶能力更小時，推移質或懸移質泥沙還能淤積在河床上成為河床質泥沙。在河流中，懸移質，推移質泥沙和河床質泥沙間的這種不斷交替變化的過程，就是河道沖刷和淤積變化的過程。沖淤演變常造成主流擺動，取水口脫流而無法取水，圖1-3就是長江荊江尺八口河段的演變狀況。圖 1-3長江荊江尺八口河段當然，黃河泥沙含量高。其中水、沙過程比一般河流更加猛烈，一次洪水，一個沙峰就能造成河道的巨大變化。1986年到1990年間，內蒙古昆都侖河口，主流擺動了1.2KM。1934年河段北移了34km，而當地河面竟然還不足1KM，可見重視河道的沖淤變化并進

5、行正確預測，就成為取水工程建設的重要安全問題。2.0相關的河流學述要2.1河流的一般特性 河流大致分為山區河流和平原河流兩大類。對于較大的河流，其上游多為山區河道，下游多為平原河道，而上下游之間的中游河段，則兼有山區和平原河道的特性。1）山區河流，山區河道流經地勢高峻地形復雜的山區，在其發育過程中以河流下切為主，其河道斷面一般呈V字形或U字形，如圖2-1所示，圖2-1 北盤江毛虎段河谷斷形態圖在徒峻的地形約束下，河床切割深達百米以上，河槽寬僅二，三十米，寬深比一般小于100，洪水猛漲猛落是山區河流的重要水文特點，往往一晝夜間水位變幅可達10m之巨，山區河流的水面比降常在1以上，如黃河上游的平均

6、比降達10。由于比降大，流速高，挾沙能力強。含沙量常處在非飽和狀態，有利于河流向沖刷方向發展。2平原河道：平原河道按其平面形態，可分為四種基本類型，即順直型，彎曲型，分叉型和游蕩型。順直型河段，該類河流在中水時，水流順直微彎，枯水時則兩岸呈現犬牙交錯的邊灘，主流在邊灘側旁彎曲流動并形成深槽。兩深槽間距約為57倍的河寬，在洪水時，邊灘又受水流沖刷而下移，圖（2-2-1）是俄羅斯維斯納河順直河段的邊灘分布圖，這種河型在我國長江以及松花江上都有分布，在順直河段設置取水構筑物時，應探求邊灘的發展趨勢，以防取水口淤塞。圖2-2-1 俄羅斯維斯納河順直河段的邊灘分布圖彎曲型河段：該型河段是平原河道最常見的

7、河型，其特點是中水河槽具有彎曲的外形，深槽緊靠凹岸，邊灘依附凸岸。彎道上的水流受重力和離心力的作用，表層水流向凹岸，底層水流向凸岸，形成螺旋向前的螺旋流。受螺旋流的作用，表層低含沙水沖刷凹岸，使凹岸崩塌并不斷后退。攜帶著崩塌泥沙的底層水流向凸岸，使凸岸邊灘不斷淤塞延伸，從而使整個河身處于向下游蜿蜒蛇行狀態，陜西渭河下游，長江荊江河段（如圖2-2-2）都是這種河段的代表。圖2-2-2 長江下荊江彎曲型河段 從圖2-2-2可看到，在長期水流作用下。彎曲凹岸的不斷崩塌后退，凸岸的不斷延伸，會使河彎形成U字型的改變。進而使兩個彎頂之間距離不斷縮短而形成河環，河環形成后，一旦遭遇洪水漫灘，就會在河彎發生

8、“自然裁彎”從而使河彎處的取水構筑淤塞報廢。老河灣成為與新河隔離的“牛軛湖” 不過“自然裁彎”是個逐漸發展的漫長過程，像上圖所示的荊江黃泥套河灣發生于100年前的1906年，而且像上述彎道的發展與消亡也不是彎曲性河道唯一的演變過程。地質條件較好的地段，河彎可長期維持穩定。分汊型河道分汊型河道亦稱江心洲型河道，如南京長江八卦洲河段（圖2-2-3），其特點是中水河槽分汊，兩股河道周期性的消長，在分汊河道的尾部，兩股水流的匯合處，其表流指向河心，底流指向兩岸，有利于邊灘形成。在分汊河段建取水工程，應分析其分流分沙影響與進一步河床的演變發展。 圖2-2-3 南京長江八卦洲河段游蕩型河段其特點是中水河槽

9、寬淺，河灘密布，汊道交織，水流散亂，主流擺動不定。河床變化迅速。像黃河花園口河段就是一個游蕩型河段的示例（圖2-2-4），該河段平均水深僅13m.河道 很不穩定，一般不宜在該河建設取水工程，如必須在此引水，應置引水口于較狹窄的河段，或采用多個引水口的方案。 圖2-2-4 黃河花園口河段 2.3平原河道的水文特性 1、河床縱坡平緩，水面比降較小。多在110 以下，如長江荊江段比降J=0.420.560 ，漢江下游J=0.390.560（山區河流多在1以上） 2、流速相對較低，因比降小按謝才公式：v=，v與J成正比，其流速較小，一般都在23m/s以下。 3、含沙量較低，其懸浮質主要為細砂或粘土，推

10、移質泥沙與懸浮質泥沙的比重較低，據長江統計資料 一般為1%1。 4、洪枯水量與水位變化較小，如長江荊江段，洪水流量僅為枯水流量的13倍，水位變幅為13m，漢江下游洪水流量為枯水的74倍，水位變幅為14m。而山區河流洪枯流量常常達到100倍，較大的山區河流甚至達到1000倍。由于洪水來自于降水，我國北方地區降水的時程分布不均衡，洪枯流量變幅也比南方大，如黃河下游地區，最大洪枯流量可達400倍，水位變幅僅數米。 5、河道斷面形式：斷面形式因河道型式而異，這是在特定條件下水流與河床相互作用的結果，具有一定的規律性，如圖2-2-5所示 圖2-2-5 平原河流不同河段橫斷面圖2.4平原河道的相關關系 河

11、流是水流與河床相互作用的產物，水流作用于河床，使河床發生變化；河床又反過來作用于水流，影響水流結構，二者互相影響，互相制衡。能夠自由發展的平原河流，在水流長期作用下，有可能形成與河段相適應的均衡狀態，在水流長期作用下，有關河深h,河寬B,比降J，和流量Q等因素常存在一定的函數關系。這就是所謂的河相關系，亦稱河相相關。 前蘇聯根據相關資料，求得的河相關資料系為：（2-1）我國對于以上公式研究表明，與河型有關，彎曲河型較小，游蕩河型較大，具體如下表2-3,因而可將稱為穩定河寬系數. 長江與黃河某些河段的表河流河段河壁長江荊江彎曲河段2.24.45黃河下游高村至陶城埠過渡性河流8.612.4黃河下游

12、桃花峪至高村游蕩性河段19322.5河床穩定性指標 河床穩定性對取水建筑物十分重要，河床穩定包括河床底部的穩定性和和河岸的穩定性，即縱向穩定和橫向穩定兩個方面。綜合考慮各種因素，并在前人研究的基礎上，黃河水利委員會認為可用下式計算河流的穩定指標Zw. (2-4) 式中 ：、 分別為泥沙及水的比重 H為平均水深 J為河道比降 D50為床沙中值粒徑 B為平均河寬 公式描述了不同河型在均衡條件下河寬B，水深H，比降J及泥沙粒徑D等河道特征量之間的關系，是沖積河流的綜合河相關系。經過大量天然河流數據論證ZW<5時，為游蕩性河道。ZW>15 時，為彎曲性河道，ZW介于515之間為分汊型河道。

13、 公式（2-4）量綱和諧，不僅能確定河型特性，還能用作河流模擬的相似準數。一般來說，游蕩性河道的ZW值為2.2，彎曲河流為25，穩定分汊河道為13，亞穩定分汊河道為8. 3.0河彎的水流結構 3.1天然河道的平面形態：天然河道多處于彎彎相連的狀態，據調查，天然河流的直段部分只占全河長的10%20%，彎道部分占河長的80%90%以上，所以天然河道基本上是彎曲的， 在彎曲河道上布置取水工程應充分了解彎道的水流結構。 3.2彎道的水流運動：水流進入彎道后，在離心力的作用下表層水流向凹岸，彎道水流離心力F可近似表達為： （3-2） 式中：v為平均流速 R為彎道半徑 g為重力加速度 為河水容重由于離心力

14、和水流速度的平方成正比，而河道流速分布是表層大，底層小，離心力的方向是彎道凹岸的方向，因此表層水流向凹岸，使凹岸水面雍高，從而形成橫比降。受橫比降作用，在斷面內形成橫向環流。如圖3-2所示。前已述及，在環流和河流的共同作用下。彎道水流的表流是指向凹岸，底流指向凸岸的螺旋流運動。螺旋流的表層水流以較大的流速對凹岸形成由上向下的掏沖力，使凹岸受到沖刷而流向凸岸的底流，因挾帶大量泥沙，致使凸岸淤積。這種發展的結果便使凹岸成為水深流急的主槽，凸岸則為水淺流緩的邊灘。 3.3彎曲河道的水流動力軸線：水流動力軸線又稱主流線。在彎道上游主流線稍偏凸岸，進入彎道后主流線逐漸向凹岸過渡，到彎頂附近距凹岸最近成為

15、主流的頂沖點。嚴格講：主流線和頂沖點都因流量不同而有所變化。由于離心力因流速流量而異。水流對凹岸的頂沖點也會因枯水而上提。受洪水而下挫。常水位則處在彎頂左右。高濁度水設計規范中常以深泓線形式表達河道水流的動力軸線。深泓線是沿水流方向河床最大切深點的連線。也是水流動力軸線的直觀表述。 為了解河勢變化，常對各不同年代的深泓線繪制成套繪圖，深泓線緊密的地方均可作為取水口的備選位置。圖3-3-1和圖3-3-2分別為包頭河流中心線的變化圖和河床橫斷套繪圖。 圖3-3-1 包頭河流中心線的變化圖圖3-3-2 河床橫斷套繪圖 3.4彎曲河道的最佳引水點 北方河道的洪枯水量相差懸殊，枯水期引水保證率較低，一般

16、只能夠引取河道來流的25%30%，為了保證取水安全，并免于劇烈掏沖，引水口最好選在頂沖點以下距凹岸起點下游45倍河寬的地段。或在頂沖點以下1/4河彎處。另據達涅利亞研究，理想取水點的位置從彎道起點算起，其距離由下式確定： (式3-4)3.5格氏加速度造成水面橫比降的離心力系為慣性力，是維持水流運動不變的力量，地球由西向東自轉，迫使整個水流作旋轉運動，其向心力指向地軸，而慣性力恰好與其相反，作用在受迫旋轉的物體上。在我們的北半球，如果江河沿緯線東流，向心力指向地軸，而水流的慣性力則指向南岸，換言之，正是河流南岸的約束，迫使水流逥繞地軸作旋轉運動。學者們總結格氏加速度的結論是：在北半球，水流總是沖

17、壓右岸，在南半球，水流則緊壓左岸。格氏加速度提示我們，由地球自轉所產生的慣性力使水流向右岸偏離，主流線一般偏向右岸，右岸引水會靠近主流。4.0河流取水的洪枯分析概要4.1河流洪枯分析的必要性 現行室外給水設計規范明確指出：江、河取水構筑物的防洪標準，不應低于城市防洪標準，其設計洪水重現期不得低于100年。要求枯水位的保證率采用90%99%。而且該條文為強制性條文，必須嚴格執行。這樣，我們在進行取水工程設計時，就必須對河流的洪水流量。枯水流量和相應的水位等參數進行認真的計算和校核，讓分析計算成果更加符合未來的水文現象實際。但江河的洪、枯流量有其自身特點。上游水庫的調蓄、發電運用在很大程度上改變了

18、河流水情。在進行頻率分析計算時，必須考慮其影響。另外河流多年來的開發建設也為我們提供了許多水文特征數據，應充分利用這些數據來充實和校驗我們的頻率分析成果。4.2頻率分析樣本的選用 取水工程頻率分析計算的任務，是根據已有的水文測驗數據運用數理統計原理來推斷未來若干年水文特征的出現情況。這是一種由樣本（水文測驗數據）推算總體的預測方法。按照數理統計原理，徑流成因分析和大量的水文實踐驗證，我國河流的枯、洪流量變化統計地符合皮爾遜型曲線所表達的變化規律。因此，用這種方法計算河流的洪水和枯水設計參數是適宜和合理的。給排水設計手冊以較大篇幅對頻率分析方法進行了詳細介紹（見給排水設計手冊第三冊），這里不再重

19、復。但需要指出的是，統計時所使用的樣本數據必須前后一致，江河上游水庫的調蓄運用，改變了流量和水位的天然時程分配，使實測水文資料的一致性遭到破壞。統計分析時，不能不加區別的籠統采用，一般情況下，要將建庫后的資料如水位、流量等還原為天然情況下產生的水位和流量，使前后一致起來。才能一并進行頻率分析計算。因為我們的頻率分析，是由部分推斷全局，由樣本推斷總體的一種預測。由于水文資料年限較短，樣本較少，而預測的目標值卻要達到百年或千年一遇，預期很長。因此樣本的選擇就會十分重要，應嚴格堅持前后一致的原則，否則就會因樣本失真而造成失之毫厘差之千里的錯誤。堅持樣本條件前后一致的原則，還會遇到另一種情況，即人工調

20、控后的水文資料年限較長，如20年到30年，可以基本滿足頻率分析對樣本的數量要求。這時，還應當對樣本的統計規律進行分析判斷。上世紀九十年代，我公司承接包頭供水工程時，對該河段洪枯分析做了大量分析計算，圖4-1為水文要素統計表，圖4-2、圖4-3、圖4-4為洪、枯流量和水位統計曲線圖。 圖4-1為水文要素統計表 圖4-2 圖4-3 圖4-4 還應強調指出，頻率分析并不能十分理想的解決設計洪水和枯水的一切問題，為使設計數據更加穩妥，應首先進行該河段暴雨洪水基本特性分析，了解洪水的成因、來源、組成等特性和規律，為計算成果提供依據。其次還要參照相關工程進行分析驗證，使成果更加接近未來的水文實際。為此，大

21、量搜集相關水文計算成果，進行反復參照驗證也屬十分必要。4.3洪水統計參數的沿程變化水文特征值的變化符合皮爾遜型曲線的變化規律，皮爾遜型曲線是不對稱的概率分配曲線，如圖4-3-1 圖4-3-1 皮爾遜III型曲線為不對稱機率分配曲線皮爾遜曲線由如下方程表達。 式中yd為眾值坐標，r=，d為偏差半徑，a為眾值與曲線左端的距離。經過積分換算得到頻率p是Cv、Cs與X值的函數，即： 式中：Cv、Cs均為統計參數，其中X為均值，是個統計系列的算術的平均數，流量統計中它代表著該河段的平均水量。Cv為變差系數，是均方差與均值的比值，表達著隨機變量系列對均值的離散變化。流量統計中Cv表征著河段流量的穩定情況。

22、Cv越大，表明歷年變化的不均勻性越大，Cv的變化與流域大小和流量有關，一般河流上游Cv值大，下游Cv值小。內陸地區Cv值大，沿海則小。Cs為偏差系數，表達著系列中出現頻率最高的眾值對均值的偏差情況，我國大部分河流洪峰流量的Cs值在（2-4）Cv之間變化。下表是貴德（青海省）、蘭州和河口鎮洪峰流量Qm（m3/s）及15日（15d）洪水流量W15(億m3)與Cv、Cs的變化情況。 黃河上游洪水統計參數的沿程變化表站區流域面積項目均值CvCs/Cv貴德133650QmW15247026.20.360.3244蘭州222551QmW15390040.80.340.3344河口鎮367898QmW152

23、79025.50.400.4132.5 現將黃河上游蘭州等地洪水頻率特征值列表如下，以供分析計算和校驗參考。表中亦將黃河中游的龍門站列入，原因是河口鎮至龍門間已建成萬家寨水庫。萬家寨水庫建設在山西偏關和內蒙古準格爾間的黃河干流上，總庫容9億m，有效庫容4.5億m ，最大壩高90m，正常蓄水位980m，庫區距鄂爾多斯較近，可以考慮作為準格爾和鄂爾多斯的引水水源。5.0取水構筑物位置的合理選擇在平原型，特別是多沙平原型河道上選擇取水構筑物，常有河床變遷，主流脫流之虞。黃河上的許多取水口，都因對河床變遷預測不足而淤塞廢棄。因此，在給水工程實踐中，合理的選擇取水構筑物位置，除遵循設計規范和設計手冊所列

24、的各項一般原則外，還要結合取水河段的泥沙運動規律和河道演變特點，從洪枯變化、河道走向，沖淤狀況和地質地貌等方面進行綜合分析判斷，必要時，通過水工模型實驗來最后確定。圖5.0就是我院對包頭取水口選擇的方案匯總圖。 圖5.0 我院對包頭取水口選擇的方案匯總圖 5.1選擇取水構筑物位置需收集的資料 取水構筑物的位置選擇，是建立在對河段水文狀況，河勢變化，河相條件及工程地質資料充分分析的基礎之上。為此，必須在現場勘查的基礎上，搜集和占有大量的相關資料。一般來說，需搜集的資料包括下列幾個方面：1） 水文資料 歷年洪、枯水位及相應流量，含沙量；、 洪水、中水、枯水及p=1%，p=50% p=75%及p=9

25、9%保證率下的相關流量、水位及其水、沙過程資料； 歷年逐日平均含沙量及沙峰過程資料； 泥沙顆粒分析和級配資料； 水位流量的相關曲線； 各種流量狀態（高、中、低）的水面比降記載資料； 河段附近的水利工程情況（已建在建和規劃）； 大型水利設施建設后對河道的運用影響； 歷年的水溫變化及冰情； 歷年洪、枯水位時的水質分析資料。和相關資料；2）河相資料水深、河寬、比降以及河道縱坡；平灘流量，相應水深和河寬；河床縱斷和橫斷圖；歷年河勢變化圖，中弘線變遷圖；歷年河道平面圖；河床質中粒經及其變化；河道沖淤變化的記載及相應流量、水位資料。3）地質資料河道地質縱斷面；河道地質橫斷面；取水點上下游1000m左右有無

26、基巖露頭或防沖控制點；4）其他資料 河段的水利工程規劃，航運規劃； 城市和河段的洪水設防標準及防洪工程運用情況； 河道險情及其工程應對措施； 附近的取水工程運用情況。 5.2取水河段的沖淤變化分析 河道的沖淤變化，即河道演變是極其復雜的水、沙過程，影響因素很多。實踐中通常采用以下4種方法進行分析研究 1）對天然河道的實測資料進行分析。2）運用泥沙運動理論和河道演變原理進行計算。3）通過河工模型試驗，對河道演變和取水構筑物工作狀況進行預測。 4）用條件相似河段的實測資料進行類比分析。以上幾種方法中，分析其天然河道資料，是最重要的方法。 5.3天然河道實測資料分析河道沖淤變化是挾沙水流與河床相互作

27、用的結果，影響河道演變的主要因素有來水來沙，河道比降，河床形態和地質情況等。要緊緊抓住以上因素，找出其互相聯系的內在規律，并預測其沖淤發展趨勢。 1）河道平面變化：為找出其平面變化規律，應大量搜集、歷年的河道地形圖，河勢圖，根據坐標系統或控制點位置（如固定斷面、永久性水準點、永久性的地形地標志等），分別加以套繪。除套繪平面圖外，還可繪制橫斷圖。這樣就可分析了解河道縱、橫斷面形態及其沖淤變化情況。 2）河道縱向變化：為了解河段的沖淤變化，可將河段歷年測得的深泓線（或河床平均高程）繪制在同一坐標圖上，便可得到其縱向沖淤變化情況。根據歷年水位、流量實測資料，做同一流量的水位過程線，可以得到歷年河床的

28、沖淤變化。特別是對枯水期歷年的水位變化分析。一般來說，枯水期河床是比較穩定的，如果在相同枯水流量下水位發生變化，說明河床必有所變化。 3）來水來沙情況分析：來水來沙條件是影響河道變形演變的主要因素，應進行詳細分析以尋求沖淤變化的原因和規律。 4）河床地質資料分析：河床地質資料是影響沖淤變化的又一重要因素。當河床由松散沙質組成時，河床不太穩定，其變化會比較劇烈；當河床由較難沖刷的土質構成時，河道演變就比較緩慢，河床比較穩定。在分析河床地質情況時，要依據地質鉆探資料繪制地質剖面圖。 在分析了以上4方面資料后，再根據河道演變的基本原理進行由此及彼的綜合分析，便可基本預測出其演變的發展趨勢，從而為取水

29、構筑物的選擇提供依據。 5.4黃河取水位置選擇的幾個條件新版室外給水工程設計規范對取水構筑物的位置的選擇做了比較詳細的規定，除遵守這些規定外，鑒于黃河主流擺動，水、沙危害，河道冰情以及沖刷強烈的特點，取水工程建設還要重點考慮以下七項條件：1）取水河段應主流穩定，取水口位置要靠近主流。而且取水口水位的洪枯變化都不應對水質水量產生明顯影響。2）河段有支流匯入時，取水口應選擇在支流匯入的影響范圍之外，黃河寧蒙河段的水、沙特點是水少沙多，汛期支流常有高含沙水洪水發生，挾帶大量泥沙的支流洪水匯入黃河后，會因水面開闊，流速突然降低而發生泥沙的大量沉積，形成洪積扇形沙壩而堵塞取水口，甚至堵塞整個河道。196

30、3年和1989年內蒙古包鋼取水口附近，都有以上情況發生。1989年黃河支流的西柳溝的一次高含沙水流，在西柳溝河口的黃河河床上形成了1km長，4m高的沙壩，壩體堆積泥沙3000萬噸，使昭君墳水位抬升2.18m，比1981年洪峰流量為5450m³/s時的水位還高出0.52m，回水影響70km，歷時25天，沙壩才逐漸沖開。這次的沙壩使包鋼水源地的兩個取水口全部淤堵，嚴重影響了包鋼生產和包頭市供水。據記載，西柳溝在有資料記錄的30年間已發生過7次類似沙壩，對取水構筑物危害嚴重。因此，在選擇取水口必須避免支流匯入對取水口的影響。3）取水口應選在冰水分層且浮冰能順流而下的河段。寧蒙河段均有流凌情

31、況發生，取水口合理的選擇，應是流冰能自行順流而下，取水而不取冰的位置。在水流湍急的河段，大量冰花雜于水中，常在取水口柵欄上結成冰障，甚至阻塞取水窗口。給運行帶來不利影響，為此，取水口應選在水流平穩，冰水可自然分層，浮冰可自行排除的河段。一般流速v>1.8m/s時，水花可在水層中上下躍移，當v<0.7m/s時則可游出水面下游。 4）取水口應選在工程地質條件良好的河段：黃河含有大量泥沙，其沖刷能力很強，沖刷深度較大，在沙質和沙卵石河床上，一般沖刷深度約為15m20m，如石嘴山電廠取水口附近，其沖刷深度為19.6m，鄭州鋁廠取水口，沖深為21m。如果取水口設在抗沖能力較強的基巖上，取水口

32、的埋深就可大大降低。 5）取水口可選在河道比較順直沒有分叉的河段。一般順直而沒有分叉的河段，其演變規律是寬窄寬，不致發生主流繞過取水點另辟新河的河勢變化，因此，把取水構筑物設置在河寬較窄，流速較大，主流靠近岸邊的一側，其主流脫流一般不會發生。至于該河道是否相對穩定，則可根據河流穩定性指標ZW來判定，如前所述Zw值越小，河道越不穩定，當z>15時，河道則相對穩定。6）盡量選在彎曲河段凹岸的下游，河流在彎道處會形成明顯的橫向環流，在主導流行和橫向環流作用下，水流將以螺旋流的形式向下游推進。從彎道起點開，在45倍于河寬的彎道下游螺旋流的強度最大，這里水流集中，水深也最大。由于環流的作用，含沙量

33、較低的表層水向凹岸集中，而含沙量較大的深層水則流向凸岸，其分沙效果也十分明顯，黃河上的許多取水構筑物，包擴下游的大型引水口，都充分利用了這一特點，收到較好的引水和防沙效果。如山東打漁張引水口。 圖5-5 山東打漁張引水口河勢圖 打漁張引水口閘位于博興王旺莊。該處河寬400500mm。引水閘建在彎道頂點下游的500700m處，引水閘中線和低水位時的水流方向夾角（引水角）為40度，該閘自1956年建成以來，河勢穩定，主流近岸。在洪、中、枯各種流量狀況下，都能順利引水。閘前也未曾發生嚴重淤積。 彎道凹岸的頂沖點常隨河水流量的減少增大而上提下挫即落水上提，漲水下挫，選擇取水口位置應對上提下挫的分布范圍

34、有一定計算了解。 7）選在河勢控制節點附近。河段內常因有基巖露頭或耐沖刷的膠泥咀而形成河勢控制的節點，在節點的一定范圍內，河勢穩定而無明顯沖淤變形。特別是基巖露頭之處，其主流穩定，距岸較近，常常是設置取水口的理想地點。在現場踏勘和資料分析時應予充分注意。 6.0黃河已建取水構筑物的情況與示例 黃河水系多數已建取水構筑物系根據多沙河道的特點，利用高沙水流運動的規律，按照不同工程的具體要求，因地制宜的建成了多種形式的取水構筑物，并成功地解決了泥沙淤積，河道沖刷，穩定主流，防冰、草之害和水泵磨蝕等諸多問題，經建成后運轉證明運行情況良好，保證了黃河流域工、農業和城鄉居民生活用水的要求，促進了國民經濟的

35、發展。無疑這些經驗是十分可貴的。然而黃河水系也有不少取水構筑物，由于未對多沙河道的特點和高含沙水流運動型規律做認真地研究，不少因素是按清水河道的條件考慮的，因而造成了泥沙淤積，取水口脫流，泥沙堵塞取水頭部和自流管道，河中管道被沖斷、引橋基礎被淘刷破壞，水泵和閘閥磨損嚴重，冰、草堵塞引水口或水泵葉輪。這些問題的存在影響了正常供水，有的取水構筑物由于無法運轉和改建，不得被廢棄重建。這些教訓同樣也是值得借鑒的。 6.1合建岸邊式取水構筑物合建岸邊式取水構筑物，其特點是進水間與泵房合建在一起，在進水間內設有有檢修、防寒和調節水位、水量用的閘板或閘閥、除草網格、除冰設備及進水閘沉積泥沙的沖洗設備等。泵房

36、內多采用臥式水泵，也有采用立式水泵的；泵房所需的變配電和控制設備一般布置較為緊湊，占地面積小。進水閘容積較小，多是單泵單進水間布置，這樣可在水泵吸水時，進水間內能保持一定的流速，泥沙不易落淤，在水泵停運時進水間內有少量泥沙落淤，這部分泥沙是用高壓水沖起后，用排泥泵排出，或者待水大時再啟動帶走。合建式岸邊取水構筑物管理方便，運行安全可靠。因此，合建岸邊式是黃河上大、中型取水構筑物采用較多的一種形式。 合建岸邊式取水構筑物，要求具有穩定的河床和河岸，所在位置洪水和枯水期都有足夠的水深，且在流冰期內冰水分層，易于排冰，以保證安全運行。從現有黃河取水構筑物的情況看，取水量2m³/s左右時，多

37、采用圓形泵房，取水量大于2m3/s時為了水泵布置上的要求以及大型泵房設施上的方便，多采用矩形泵房。又根據泵房所處河段主流靠岸位置的不同，有些取水構筑物靠流情況好，無需修建棧橋即可通至堤岸、地面。有些取水構筑物位于河道內距堤岸稍遠的地方。就需要修餞橋與岸上聯絡。我院設計的包頭市畫匠營子總水源取水泵站，即為岸邊式取水構筑物。 圖6-1 基礎呈水平布置岸邊式取水構筑物 6.2合建河心式 合建河心式取水構筑物是把進水間和提升泵房等全建在河流中間的一種取水形式。取水構筑物用棧橋和岸上聯絡。合建河心式取水構筑物適用于取水量較大的城市供水或工業用水工程；取水河段要求主流穩定。因主流不靠岸而岸坡平緩，枯水期岸

38、邊沒有足夠的水深，必須把取水構筑物修建在河心，方能保證取水的要求。 合建河心式取水構筑物取水保證率高，管理方便，運行安全可靠，但合建河心式取水構筑物，需要棧橋長度較大，棧橋橋墩和合建式進水間泵房等基礎，均需埋設在沖刷深度以下，施工時要在主流上修建圍堰，基建投資較大。在有航運任務的河道上對航運也有一定的不利影響，因此，采用較少。 寧夏石嘴山電廠取水構筑物為合建河心式，其平面形狀為圓角馬蹄形，側面進水。泵房位置選在洪、枯水期間主流穩定，據黃河左岸約210m的河心處，有棧橋與岸邊相連，橋寬4m，橋單跨20m，共5跨總長100m；設計取水量為8m³/s，泵房內設沅江36-23A型立式泵4臺，

39、3臺工作，1臺備用。泵房內還設有10t電動旋轉橋式起重機1臺，以供水泵電機等大型設備的安裝與檢修使用。泵房總深度為29m，分上下兩層，上層高12m，下層高17m，在泵房下層底板以下，又埋下去12m以防沖刷，泵房的總高度為41m。平行于水流方向的平面長度為23.4m。垂直于水流方向的平面寬度為18.8m其結構為鋼筋混凝土結構。（圖6-2） 該合建河心式取水構筑物，為了避免推移質卵石和粗砂躍入進水間，除充分利用了泵房本身的沖刷坑外，還在進水扣門處的底檻上增設了兩塊高為0.25m的活動疊梁閘板。同時設計中加深了進水間旋轉格網底部的深度，使小石子沉于坑底，然后用水力提升器排除。水力提升器的計算是按可抽

40、走20mm直徑的石子設定的。 泵房的進水間分為四格、每格進水間內均安裝有格柵和旋轉格網，并在格柵外裝有擋草機。擋草機是一種可以水平轉動30°夾角的水平格條做成的。格條截留下來的雜草靠人工轉動擋草機，利用水流的沖刷力將草帶走。在格柵前，設有可升降的電動活動平臺，工作人員可站在平臺上檢修和清除格柵上存留下來的雜草。為避免草害，該取水構筑物內，共設置了擋草機格柵 旋轉格網平板格網四道屏障，以保證將雜草清除干凈。 該合建河心式取水構筑物是利用電廠熱廢水回流到進水間格柵處的河水中，以提高進水間水溫，防止冰害。在水泵選擇上選用了n=485r/min的低轉速水泵，并改進了水泵葉輪的平衡孔，采用清水

41、密封，以減輕河流泥沙對水泵的磨蝕。該合建河心式取水構筑物，1979年10月投產以來運行情況良好。 該河段黃河雜草嚴重，根據生產記錄，汛期運行4h格柵有一半的面積為雜草所堵塞，其總量達245kg。在多草季節需要加強格柵的檢查和雜草的清除工作。旋轉格網除草效果顯著，冬季還可以連續提升水中松散的冰花，隨雜草一并清除。旋轉格網底部的積泥坑，使用水壓5kg/cm²的水力提升器，連續抽升3040mim即可將坑內沙石帶走，排水含沙量可達41kg/m³。進水間在廢熱水回流利用后，格柵前的水溫維持在05°C之間，防止了冰害。經生產實踐運行證明，在設計時采取的防草、防沙石淤堵、防冰害

42、、水泵防磨蝕措施得當，效果顯著。7.0包頭畫匠營子取水工程簡介7.1河段的自然情況黃河由寧夏入內蒙，經臨河由西向東而下，包頭正位于著名的河套地區頂端。這里地勢平坦，河岸寬闊，泛濫寬度甚大，河床比降約為萬分之12，河床為粉細砂組成，主流流路在河床范圍內擺動不定；枯水期河道狹窄，亦多彎曲，局部沖淤變形明顯。圖7-1為黃河包頭段河勢套繪圖，圖7-1-2為畫匠營子河床橫斷套繪圖。但因水流含沙量不大，從平均情況來看，河段輸沙基本處于平衡狀態。因此河床平均標高和河流的總體平面形態較為穩定，多年來無大的變化。此外，包頭河段地處北緯40°，氣候寒冷，冰凍期長，冬季冰凌和冰壩現象是整個黃河比較嚴重的地

43、段。畫匠營子位于包頭市新區南部略偏東的位置，距新區約為12公里，在昭君墳和磴口之間（昭君墳水文站與磴口水文站相距約53公里）。1958年該處曾修建過一座農業取水站，取水量30m³/s。由于該處為岸邊取水，且設施簡單，缺乏經驗，使用不久就被黃河泥沙於埋而被迫廢棄。包鋼采用離岸橋墩式取水頭部，為減少構筑物尺寸，避免因壓縮水流斷面而引起嚴重沖刷或河勢惡化，將泵站與取水口分建。取水構筑物為狹長橢圓形，兩側進水，以改善水利條件，減少對水流的阻力，改善冰塊的堵塞沖擊情況，兩側分別設高低水位兩排取水口。幾十年來，運轉基本正常。 由于大青山東西方向的正斷層而陷落的黃河平原，經構造運動的影響，形成漫灘

44、和三級階地。畫匠營子河段位于第一階地和漫灘上，第一階地為清水期更新統中上期；漫灘為板橋期更新統末期至現代。由于河道經常改變，堆積著很厚的第四紀洪積物。畫匠營子河段是包頭河段中河床最為穩定的一段，河道較為平順。河段北岸為高灘，地表以下約12m為褐黃色軟塑狀砂黏土。但在河段上游四公里處南岸的何家營子，河岸為抗沖刷性較強的紅黏土層，因此水流被擠向北岸，深泓多緊靠北側高灘。 圖7-1黃河包頭段河勢套繪圖 圖7-1-2畫匠營子河床橫斷套繪圖 黃河包頭段洪峰流量延續持續時間一般為1015天（發生時間多在七、八、九三個月），枯水期大部分在五、六、七三個月，延續時間也較長，1966年小于100m³/

45、s的持續時間近兩個月，五十年代建設包鋼水源地時，已由國家批準“為保證包鋼取水，黃河水調部門應保證包頭段黃河流量不低于100m³/s”的規定。7.2河工模型試驗 根據近期河道主流深泓線有逐漸向北移傾向，1931年河床地形實測資料表明該河段的主線已移到距北岸20m處故在原來三處控制方案的基礎上，將靠近岸邊的取水墩改為岸邊合建式泵站。另外兩個取水墩移位布置。岸邊泵站按100%取水量設計，取水墩單墩按50%取水量設計。由于該取水站屬于大、中型取水構筑物，且供水對象為城市生活及電廠用水，對取水保證率要求高（保證率為95-97%）。建擬通過河工模型試驗對上述兩方案進行驗證，選擇最優方案。我院與蘭

46、州鐵道學院合作的黃河包頭畫匠營子河段整體動床河工模型試驗及局部模型試驗報告結論為： 1、該河段即受上游兩岸膠泥質抗層的約束，又受上下游路堤和橋頭護岸的限制，而成單股微彎河道。深泓線在離北岸40-200m范圍內擺動，梁橋附近，岸線有緩慢向北移動的趨勢，取水墩擬設于距北岸200m范圍內為宜。 2、兩橋間的河段床面沖淤基本平衡。考慮通航和防止形成冰壩，取水墩不宜多建。 結合以上的結論。包頭市和達拉特電廠合建取水泵站，最終選擇設計方案為：岸邊合建泵站+（自流管河心取水墩）。一期先建設岸邊取水泵站，二期根據取水量發展情況及河道深泓線的變化，再確定是否建河心取水墩。7.3取水泵站的設計特點 1、適應主流游

47、落擺動規律，選擇“三點式”取水 包頭市和達拉特電廠聯合取水泵站設計取水量，一期7m³/s（其中城市：4m³/s，電廠3m³/s），二期16m³/s（其中，城市供水10m³/s，電廠供水6m³/s）。總體設想為：一期建設岸邊式取水站（設計水量16m³/s），位置設于包神鐵路下游400m處。泵站進水間伸出北岸河堤。為適應主流擺動，保證安全取水，分別在距北岸80m，160m，在取水泵房中軸線。下游73.6m設2個自流式取水墩，二期視河流條件，再行建設。1#取水墩，2#取水墩及岸邊泵站，在平面上形成“三點式”布置。 取水墩設計取水量

48、單墩8m³/s，每墩以2根1600自流管與取水泵站進水間連接。 這樣布置的優點，時可適當主流變化，保證安全取水，且有利分期建設。一期取水量占河水枯水流量比例小，脫流時用人工制導工程引導取水，二期取水量占枯水流量相對較大，可“拉動”主流靠近北岸。若主流擺動較大，以上措施難以奏效時，再視具體條件確定河心取水墩位置及建設順序。 2、合建式岸邊取水泵站 從昭君墳水文站推算畫匠營子斷面基本水文要素如下： 流量：百年一遇洪峰流量6202.17m³/s，實測最高洪峰流量5450.00m³/s；最枯流量（P=1%）42.57m³/s,實測最小流量43.00m³

49、/s，多年實測平均流量818.60m³/s。水位：百年一遇洪水位(P=1%)1007.72m，相應水深10-12m，最枯水位（0=43.00m³/s）1003.14m，相應水深1-3m。Q=100m³/s，水位1003.44米。平均水位1005.48m，相應水深7-9m。 含砂量：實測最大含砂量62kg/m³，多年平均含砂量4.49kg/m³，出現頻率（P=5%）含砂量為46.30kg/m³。 沖刷：局部模型試驗研究報告表明，取水河段河床最低處標高約為998-1000m。河床一般沖刷深度14.60m，相應高程993.13m，局部沖刷深

50、度9.1m，相應高程984.02m. 2.1泵站設計水量 取水量包括城市和電廠兩部分。城市供水需水量（77.69萬m³/日）（8.99m³/s），凈化廠自用水（1.1m³/s），調蓄水庫補充水，排泥用水、蒸發、滲透等用水量。電廠用水6m³/s（包括凈化水廠子自用水 ）。設計選用城市部分額定取水量（包括水庫補充水）13.27m³/s。電廠取水量額定6m³/s，最大取水量6.22m³/s。 2.2泵站設計參數 總平面尺寸：長×寬=53.10×18.00m，其中進水間長×寬=53.1×12m

51、，泵房長×寬=53.10×18.00m。為便于管理，取水泵站一分為二，其中城市部分28.50×18m，電廠部分：24.00×18.00m，相應進水間兩家以孔2.0×7.0m連通。 高程系統：泵房共分為三層，考慮沖刷、預留自流管管頂高程及設備安裝要求，泵站設計基礎頂面標高996.60m，底層泵進水流道及水泵層標高1000.30m。上層為電視屏，標高為1008.40m。中間層與底層之間以鋼板平鋪，中下層采用機械通風。 進水窗標高，按照高濁水設計規范2.3.1條規定“進水口應防止推移質泥沙進入，進水口下緣與河床的高差不宜小于1.0-2.0m，在水深較

52、淺的時候，高差不得小于0.5m”設計采用進水窗底標高1001.94m，低于最枯水位1.2m，高于河床0.94m，河床底標為1001.00m。由于實測岸邊河床標高高于設計標高，在進水窗前施工時，需人工清淤至999.00m。并用二層鉛絲籠塊石襯徹，1.0m厚固定床面。取水窗頂標高1006.94m，低于（P=1%）洪水位0.78m，高于常水位（1005.48）1.46m，深入河床進水間，定標高考慮洪水位超高，水面浪高及冰壩塞淤等因素，確定其標高為1009.90m。 2.3進水窗面積確定 進水間面積及高程確定考慮以下因素，枯水位、常水位、洪水位及水位變幅頻率，特征流量時河水流速，含砂量、冰情及漂浮雜草

53、等。目的是要力求做到在最不利條件下，保證取水量及取水水質。進水窗的高程，經水文推算及河工模型試驗驗證，該取水斷面水位特點如下：洪水位隨洪峰流量變化，河床的洪水位受自身變化影響較小，枯水位隨流量及河床的變化而變化。枯水期取水河段，相同枯水流量時，相應枯水位略有不同，其原因是受洪水期河床沖淤變化影響而致。經水文推算，取水斷面最枯水位平均標為1003.14m，按照黃委會規定，黃河包頭段上游三盛公水利樞紐洪、枯水期調蓄，“要保證包頭段最枯流量不小100m³/s。但實測資料表明，三盛水利樞紐建成后若干年，小于100m³/s流量出現的年份最長達3個月左右（集中在4、5、6月份），流量多

54、集中于60-80m³/s之間，為此，進水窗設計標高選為：100%取水時最枯水位標高為1003.44m。低于此值不足水量部分由后續調蓄水庫調配。為保證河道行洪期取水窗能取到較好水質，取水窗頂部高程確定考慮了分層取水的可能性。 取水窗面積：確定的關鍵因素是：冰情、水面雜草及進水口過柵流速。按照室外給水設計規范GBJ13-86（1997版）第3.3.14條關于岸邊式取水構筑物進水孔的過柵流速規定：有冰絮時為0.2-0.6m/s：無冰絮時為0.4-1.0m/s，格柵的阻塞面積占25%。黃河包頭段冰情多發生在上年12月至來年3月份，冰絮發生在封凍前的11月底-12月中旬及開河期后三月下旬。冰的

55、危害主要發生在這期間。據資料介紹：冰絮（水內冰）顆粒小，粒徑一般為1-10mm，在河流水溫低于0至0.01-0.05之間時 ，冰在水面或水流斷面的任何深度形成冰晶，冰柱推移堆積，逐漸形成有浮力的薄冰，若取水口防冰措施不當，這種水內冰進入取水口遇到柵條或墻面則逐漸堆積變大，影響進水，嚴重者堵塞進水口。但是水內冰的密度小于水。（介乎于0.9167與0.9177之間），在一定流速條件下，可以形成冰水分層條件，調研資料介紹，在西北及東北的大部分河流上選擇冰水分層取水：其一是選取河段的斷面平均流速<1.2m/s，一般認為在0.7-1.0m³/s之間，可以保證冰珠上浮，其二是控制進水窗流速，據哈爾濱七水源及連城鋁廠取水口，包鋼取水口等經驗值，一般認為進水窗流速在0.1-0.3m/s之間，最大流速不大于0.4/s時可以創造冰水分層條件，能有效防止冰絮進入，故要求冰情發生期進窗流速應控制在0.3m/s左右。 另據資料介紹，河流水草比重約為1.0151.13，直徑一般為4-10mm，當河道垂直線平均流速小于0.5-0.8m/s時，水草沉于河底，當河道平均流速小于1.0-1.2mm/s時