东江水源工程西枝江取水口改造设计与研究

龚玉锋

（深圳市广汇源环境水务有限公司，广东 深圳518001）

在河流上修建引水工程时， 要综合考虑取水口的水位、泥沙淤积、水流流态等问题。 由于各种客观条件的限制， 某些忽略的因素会困扰引水工程的安全运行，或者由于取水边界条件变化，也会导致相关水利问题。因此在总结运行经验的基础上，对取水口进行适应性的改造是必要的［1，2］。

本工程以东江水源工程西枝江取水口为例，分析取水口河床冲淤、附近局部流态等变化规律，提出了取水口改造方案， 为后续的安全运行和便利检修提供了必要的工程条件。

1 工程概况

西枝江取水口是深圳市东江引水工程的两个取水点之一，位于惠州市惠城区西枝江左岸老二山处。通过泵站加压将西枝江的原水输向深圳， 为深圳的社会经济发展提供可靠的水源保证。

取水口位于外江滩地， 原设计常水位为8.36m（珠江高程系，下同），取水口底板高程为5.5m，顶高程为10.8m。 西枝江泵站设有一用一备两台机组，单机额定流量为3.75m3/s。 2008年惠州东江水利枢纽建成后，使西枝江泵站取水口处水位壅高，取水构筑物内的泥沙及沼蛤等生物附着严重， 由于无法进行常规检修和清淤，使得取水首部结构长期处于“带病”工作状态，存在运行安全隐患及对水质的不利影响，因此必须采取合适的方案进行改造。

2 取水口问题分析

2.1 泥沙淤积

2008年惠州剑潭水利枢纽工程建成投入运行，取水口位于工程回水范围内，使水流速度变缓，泥沙流动性变弱。 根据实测的淤积资料，近3年来取水口淤积量变化呈缓慢增长趋势，变化幅度不大，且年内变化呈现基本冲淤平衡的状态。由于前段的取水暗涵无检修条件，每年泵站前池内的淤积在20cm以上，根据其水流特性分析，取水暗涵的淤积问题较前池严重。

2.2 沼蛤附着

清华大学水利系研究团队对西枝江泵站进行水生物调查研究，完成了“输水工程中沼蛤入侵的生态防治试验研究”。 课题研究成果表明：西枝江泵站水体中幼虫密度可达5000个/m3以上。并且沼蛤附着会逐年积累，如果不治理，会对取水口后的水工构筑物过流及抗腐蚀造成不利影响，给工程运行带来潜在安全隐患。基于上述研究，相应提出了防沼蛤附着的改性材料研发和基于高频脉动的沼蛤幼虫灭杀装置。

2.3 无干场检修条件

西枝江取水口建于2001年， 采用无闸阀自流取水，设计水位为8.36m，管道利用枯水期水位较低时进入检修。 由于剑潭水利枢纽正常蓄水位10.5m，西枝江取水口回水水位达10.60～10.89m， 使得泵站前引水管道长期处于水下，且无闸阀控制，无法进行干场地的检修和维护， 需要时才依靠潜水员水下进行探查。

3 工程区冲淤演变研究

综合考虑本工程所在河段的河势、 工程影响范围等因素， 选取了取水口上下游约300m的河段进行冲淤二维数模计算。根据数值模拟研究，可得到以下基本规律：

在丰水年（2009年）水流量较大，泥沙流动性增强，冲走的泥沙较多，则淤积呈现减少趋势；在枯水年（2006年），水流变缓，雨季泥沙易被阻在取水口段，形成较多淤积。

对于取水口淤积量年内变化， 汛期洪水夹带泥沙在取水口淤积， 旱季和枯水期上游河床冲刷汇入的泥沙较少，淤积量逐渐减少。

西枝江2006～2017年取水口泥沙淤积量变化曲线，如图1。

图1 西枝江2006～2017年取水口泥沙淤积量变化曲线

从图1可看出， 2008 年惠州剑潭水利枢纽工程建成投入运行后，水位升高，水流速度变缓，泥沙流动性变弱，全年泥沙淤积变化较原来平缓。

4 取水口改造方案

4.1 沉砂池改造研究

根据文献［3］，在泥沙特性及其他建筑物体型参数已定情况下， 取水口门前实现冲淤平衡的平均长度Lb如式（1）：

式中 v为断面平均流速（m/s）；h为取水口前水深（m）；g为重力加速度，取9.8m/s2。

经量纲分析，得到无量纲方程：

4.2 沉砂池局部水头损失分析

局部水头损失是由于几何边界条件改变而引起的水流的能量损失，其能量方程如式（3）：

式中 i，j分别为i断面和j断面序号。

计算中取动能修正系数αi=αj=1，式（3）可近似地表示为：

式中 ξij分别为i，j断面间的局部水头损失系数；Vi，Vj分别为断面的平均流速。

西枝江泵站设计流量条件时（即Q=1.35万m3/h），改造前后的水头损失值进行了计算分析。

表1 改造前后典型断面处局部水头损失值

原设计取水水位为8.36m， 剑潭水利枢纽工程建成后，取水口水位壅高到10.73m，由计算结果可看出改造后水头损失0.059m＜2.37m（壅高水头），改造后水头损失不影响设计取水要求。

4.3 沉砂池改造设计

本次改造结合生态治蛤需求， 起点桩号距取水口24m，在沉砂池前布设两孔2.0m×2.0m的检修闸门，池体采用双层钢筋混凝土结构型式［4］，过水断面尺寸均为16.0m×6.3m（宽×高），工程总平面布置如图2，纵剖面如图3。

图2 西枝江取水口改造工程总平面布置

图3 西枝江取水口改造工程纵剖面

沉沙池内分14个尺寸相同的小箱涵如图4，内部安装各种除蛤装置和监控措施， 箱涵底板采用底坡采用1%放坡，并设置两个60cm×60cm的收集井，便于清淤。

图4 西枝江取水口生态除蛤沉沙池横断面

5 结语

（1）根据清华大学的专题研究，通过生态水力学的方法抑制沼蛤幼虫的生长［5-6］，从而改善供水水质及水工构筑物的过流， 取水口改造后除蛤率可达到95%以上。工程建设完成后，通过取水头部闸门及后端的生态沉砂池，改善了水流流态和水力特性。后续检修维护成本亦随之降低，具有明显的社会经济和生态效益。

（2）西枝江取水口改造提供了闸门控制进水条件，为常年淹没于水下的取水口到泵站管道提供可行的干场检修条件，可灵活安排检修时间，也大大减小了检修难度。同时，取水口改造也有利于改善泥沙淤积。

（3）由于工程处于建设期，其实际效果尚需要通过运行来检验， 但其设计理念及改造思路已在诸多工程得到有益验证［3-4］。 可为其他类似工程的建设方案提供重要的参考和借鉴。