斜卧管式分层取水结构在临汾市小水库加固工程设计中的应用及思考

贾玮玮

（临汾市水利勘测设计院 山西临汾 041000）

斜卧管式分层取水结构是在20世纪50年代，我国中、小型（特别是小型）灌溉水库中，较普遍采用的取水形式，该取水结构是沿库坡面设倾斜卧管，卧管上部在水库水位变化范围内开设一系列进水孔，多做成台阶型引取表层水。斜卧管式分层取水结构由于不需用金属闸门，卧管本身可以利用砖石等当地材料建造，技术性要求不高，便于群众掌握等优点，因此在50年代至80年代期间尢其是大跃进和文革时期斜卧管式分层取水结构被广泛应用。近几十年来，随着我国水利科技水平及经济实力不断提高,该取水结构已不被采用。近几年来，随着临汾市对病险小水库的除险加固工程的增多，由于其在旧有工程中的普遍存在，使我们在对临汾市小型水库工程，尤其是以均质土坝挡水建筑物的小水库除险加固工程设计过程中，应如何处理进行了思考和实践。

1 斜卧管式分层取水结构简介[1]

斜卧管式分层取水结构由卧管及消力池水箱组成，卧管设计置在坝前岸坡上，卧管上部在水库水位变化范围内开设一系列进水孔，多做成台阶型，台阶高度为0.3～0.5 m，孔径0.2～0.5 m。放水时从上到下逐级打开，水从进水孔流到卧管底部，再经坝底涵管流到下游。卧管的坡度一般为1:2～1:4。当放水流量较大时可布置二条或几条卧管，或同一台阶布置二或三个进水孔，以免进水直径过大，启闭困难。

孔口的启闭方式：一是木塞或混凝土塞，适用于孔口尺寸较小处；二是斜拉平面闸板式；三是铰支转动平闸板。

2 临汾市现有工程斜卧管式分层取水结构利用概况

临汾市拥有小型水库共72座，其中小（一）型水库26座，小（二）型水库中46座，大多为均质土坝，据不完全统计，大部分小（二）型以及部分小（一）型水库灌溉洞的取水放水式多采用的斜卧管式分层取水结构。由于当时特定的历史条件，这些小水库土坝的工程质量普遍偏低，加上小水库多年运行失修，水库存在着不同程度的病险问题，输水洞洞身存在着局部损坏、渗漏，取水设施陈旧老化等问题，卧管也存在着如取水孔闸口堵，取水孔闸塞锈蚀，漏水严重，启闭机损坏，工作桥损坏严重等问题不能正常使用等问题。而在小型病险水库除险加固过程中，必然涉及到取水设施的改造。而“如何合理改造取水设施，采用何种型式改造？”就成设计工作不得不考虑的问题。现阶段对待斜卧管式分层取水结构态度主要有二种：1）拆除旧的斜卧管式分层取水结构，新建进水塔取水。此种改造方式的优点是，进水塔能设立闸门和启闭机，可以方便可靠地控制进水流量，并易于检修；但造价太高。2）保持原有的斜卧管式分层取水结构，进行局部维修，或更换闸板和启闭设施。其优点是造价低，构造和施工简单，流入涵洞的水流为无压流，能引用水库表层温度较高的水灌溉，且技术性要求不高便于普通人员掌握；但其缺点是操作不安全，易漏水，取水流量不能准确控制。20世纪80年代，我国有些水库进行了改进，在取水口上方加设水平盖板门以控制取水流量，并使进流方向转为水平向，可用于选择取水，且各孔可配合开启以调节并选取有利的取水温度，使其在工程中应用大大的提高。因此小型水库斜卧管式分层取水结构取水设施依然有其自身的优势，不能草率地弃之不用。下面结合临汾现有的斜卧式分层取水结构在典型工程—故城水库除险加固工程中的具体应用,进行论述。

3 故城水库除险加固工程中斜卧管式分层取水结构的改造设计

故城水库位于翼城县南梁镇故城村西南，是黄河流域汾河水系浍河支流天河上一座以灌溉为主的小(1)型水库，水库控制流域面积1.18 km2，设计总库容136.6万m3，水库始建于1958年，1962年投入使用，由翼城县利民灌区负责管理。大坝为均质碾压土坝，坝顶长500 m，原状最大坝高18.24 m，坝顶宽10 m，上游坝坡1:3，下游坝坡1：2.5。灌溉洞位于坝轴线桩号0+194处，轴线与大坝坝轴线基本垂直，最大过流能力为2.4 m3/s，纵坡1/50，涵洞断面为半圆拱涵，底宽0.8 m，侧墙高1.2 m，灌溉洞全长137 m为无压涵洞。卧管位于主坝0+300处，是灌溉洞的取水建筑物，垂直于副坝坝轴线，长60 m，矩形断面，宽0.6 m，深0.8 m，底板及侧墙为浆砌石结构，上部为砼盖板，盖板呈台阶状分布，阶高0.25 m，阶长1.0 m，隔一级设一个取水孔，因取水孔漏水严重、灌溉洞又无闸门控制，1990年更换成4台孔径φ0.5 m闸塞，配套1t螺杆启闭机，螺杆长4.5 m，其余取水孔全部封死。同时为便于管理，以卧管侧墙为基础修建了一座阶梯式的工作桥，桥墩为砌砖结构，桥板为预制板，宽1.8 m，两侧设砌砖栏杆。

工程存在的主要问题:

1）土坝上游坡为土坡，现状冲蚀淘刷破坏严重；下游无排水设施，坝基长年渗漏；

2）灌溉洞洞身年久失修，底板与侧墙勾缝脱落，洞后明渠、节制闸、泄水闸、泄水渠破坏严重，危及坝体安全；

3）卧管取水孔闸塞锈蚀，漏水严重，启闭机损坏，水量无法控制，工作桥损坏严重，不能正常使用。

本次设计灌溉洞取水设施拟选了三种方案进行比较，方案一：新建灌溉洞进水塔及工作桥，拆除现状取水卧管及工作桥；方案二：对现状的取水卧管进行维修，工作桥根据破损程度分别进行维修和改建，改建工作桥桥面高程584.20 m；方案三：对现状的取水卧管进行维修，工作桥根据破损程度分别进行维修和改建，改建工作桥桥面高程588.25 m。

方案一：新建灌溉洞进水塔及工作桥方案的优点是取水、泄水流量容易控制，运行管理方便，整体性好，美观大方，排除了以后管理上的隐患。投资58.40万元。

方案二：对现状卧管进行维修，工作桥进行维修和改建，改建工作桥桥面高程584.20 m。投资15.23万元，优点是投资小，缺点是改建工作桥桥面高程低于正常蓄水位，除险加固工程完工后，水库正常蓄水运用时，桥面位于正常蓄水位以下，启闭机长期位于水下易损坏，管理不方便，在以后的管理中还会出现卧管取水孔闸塞锈蚀，漏水，水量无法控制等问题。

方案三：对现状卧管进行维修，更换闸塞及闸启闭机，更换后的闸塞启闭机为手动螺杆式启闭机，螺杆长分别为4.9 m、5.4 m、9.84 m、14.25 m；对工作桥进行维修和改建，工作桥桥面高程588.25 m，其投资为18.13万元。改建工作桥桥面高程与坝顶高程一致，除险加固工程完工后，水库正常蓄水运用时，管理较方便，并且在今后有条件改建取水设施时，工作桥还可以利用，但是在以后的管理中还会出现卧管取水孔闸塞锈蚀，漏水，水量无法控制等弊端。

通过以上分析比较，方案一新建进水塔优点较多，但投资较大；方案二、方案三维修现有取水设施尽管存在一些弊端，但不影响工程安全运行及工程效益的发挥，并且投资较少，方案二比方案一少43.17万元；方案三投资比方案一少40.3万元，方案三比方案二多2.90万元，虽投资较高，可较方案二管理方便，并且在今后有条件改建取水设施时，工作桥还可以利用。综合考虑最终选定了方案三，即对现状的取水卧管进行维修，工作桥进行维修和改建从而大大节省了投资，并且使工程的年运费从方案一10.68万元，减少为方案三的9.5万元。

对于方案一和方案三还可从经济综合评价角度来分析，故城水库除险加固工程的经济综合评价指标有：

1）经济效益费用比，方案一为2.25和方案三为2.54；

2）经济净现值，方案一为668.24万元和方案三为730.61万元；

3）经济内部收益率，方案一为28.2%和方案三为28.2%。

从以上对比中发现方案三的三个经济综合评价指标均明显优于方案一，由此得出结论方案三在本次设计中最是可行的。

4 小结

以上通过对斜卧管式分层取水结构的介绍，联系其在临汾市小水库工程中应用，并结合典型工程—故城水库除险加固工程，对斜卧管式分层取水结构的改造设计进行了探讨,认识到，在病除水库除险加固设计过程中，设计人员应当结合枢纽工程的现状，来拟定合理的工程方案，切不可不顾实际片面求大求全，而是应在水库枢纽建筑物能够正常运行，灌溉效益能够正常发挥，水库管理方便可行的条件下，结当地合经济条件，确定切实可行的改建项目。

因此，综上所述：斜卧管式分层取水结构在工程应用中尤其是在小型水库建设中依然能发挥重要作用，对于小型水库取水设施改造设计，应该把在保持原有的斜卧管式分层取水结构基础上对其维修改造作为首先考虑的设计方向,以使小水库除险固工程设计更加合理可行。

［1］清华大学水利系《农田水利工程》编写组.农田水利工程.[M].北京:科学出版社，1977:523.