新型无坝取水系统设计

刘 欣，潘云文

（1.华北水利水电大学水利学院，郑州450046；2.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都610065）

无坝取水是指在河岸适当位置开挖取水口而不拦河筑坝，仅通过布设闸门来引流取水的工程措施。由于施工简单、投资省、收益快，无坝取水在长期的工程实践中得到了广泛应用［1］。然而，现有无坝取水工程受河道水沙要素的影响是极大的：①取水口的选址受制于河道水沙条件［2］；②取水口的修建会破坏岸体原始结构的完整性与稳定性［3］；③当外部因素导致河床下切，河道水位低于取水口的设计水位时，取水量减少，难于满足用水需求［4］。此外，在取水的同时也不可避免地向渠道中引入了泥沙，这部分泥沙的沉积极易造成渠道壅塞［5］。目前，一般通过在水源与首部枢纽之间加设沉沙池的方式来解决水沙分离问题。沉沙池一般有“湖泊式”、旋流式和平流式等几种型式。“湖泊式”沉沙池［6］多半是利用附近荒滩洼地，因陋就简地沿洼地边缘围堤而成，这种沉沙池省工、容积大，但由于过水断面大且不规则，水流入池后突然扩散，泥沙大量淤积在进口附近的局部范围内，形成扇形淤积体，淤积分布极不均匀。旋流式沉沙池［7，8］是一种充分利用弯道环流不断将推移质泥沙输向凸岸，再通过沿凸岸布设的一系列冲沙廊道将泥沙排走的工程结构，但其取水口选址对河道水沙条件要求较高。平流式沉沙池［9］的主体部分实际上是一个加宽、加深了的明渠，主要由入流渠、沉沙区、出流渠、沉沙斗以及首尾控水闸门等部分组成。平流式沉沙池因结构简单、施工方便，其应用也最为广泛，但欲获得较好的水沙分离效果通常其布设较长，占地分散。纵观已有成果，有关无坝取水工程的研究设计尚显不足，其结构缺陷仍显而易见，因此有必要立足理论［10，11］，回顾过往，创新思维，对无坝取水系统的新型结构进行可行性构想。

1 设计思路

本系统包括三个单元：水力传动单元、机械取水单元与双螺旋沉沙单元，其平面布置如图1所示。水力传动单元布设于河道主流区，通过机械传动将水流的动能转化为对外驱动以运转机械取水单元。机械取水单元固定于岸边，由水力传动单元驱动运转，可吸取河道中的水体并排入双螺旋沉沙单元。双螺旋沉沙单元修建于河岸，用于接纳机械取水单元排出的水体并对其消能沉沙以降低水体中的含沙量，其中双螺旋渠道内布设有若干冲沙闸门（本文以十道冲沙闸门为例进行后续阐述，由于各冲沙闸门结构与布设方式相同，故此处仅绘出X 号冲沙闸门，其余以罗马数字Ⅰ～Ⅸ标示）与一道壅水闸门，各级冲沙闸门通过电学调控可实现逐级蓄水冲沙，壅水闸门通过电学调控可实现壅水沉沙。

2 系统构造

2.1 水力传动单元

水力传动单元如图2所示，主要由1 基台、2 劈头、3 U 形蓄水器、4升降塞、5杈形撑杆、6蓄水水泵、7排水水泵、8旋座、9旋梁、10水车、11传动盘、12皮带、13传动齿轮、14传动杆、15转盘组成。基台的迎水面和背水面以流线型物面设计为最佳，如此其所受水流的冲击较小、稳定性较强。蓄水水泵用于向U 形蓄水器中蓄水，蓄水水泵的进水管口必须布设至一定水深下以避免河道水位下降使得管口外露而致使蓄水水泵无法蓄水，而蓄水水泵的出水管只需连接至U 形蓄水器端口。排水水泵用于外排U 形蓄水器中的存水，排水水泵的进水管口必须连接至U形蓄水器近底部以保证排水水泵可以对U 形蓄水器充分排水，而排水水泵的出水管口只需连接至基台边壁。U形蓄水器除竖立于基台面上部的蓄排水端口段外的其他部分均内嵌于基台，在靠近基台背水面的端口段内部布设有一升降塞，该升降塞可由U 形蓄水器的蓄水量来调控其升降，继而通过杈形撑杆铰接传动控制旋杆自由端的升降。

各部分的作用：

1 基台——为布设水力取水单元的相关构件提供操作平台；

2 劈头——在基台背水面上端设计一斜向劈头是为了消除基台背水面顶端边角对旋梁的阻碍以使其可最大限度地斜伸于河道；

3 U形蓄水器、4 升降塞、5 杈形撑杆——可由蓄水量的多少调控作用于升降塞的水压力大小，并通过杈形撑杆的铰接传动控制旋杆自由端的升降，从而改变水流对水车的推动力大小，继而调节水车的转速以达到调控对外驱动的目的；

6 蓄水水泵——用于将河道中的水抽取入U 形蓄水器以增大作用于升降塞的向上水压力，继而推动铰接于升降塞的杈形撑杆以实现对旋杆自由端的抬升；

7 排水水泵——用于将U 形蓄水器中的存水抽入河道以减小作用于升降塞的水压力，继而使旋杆自由端以及安装于旋杆上的相关部件在自重的作用下下降。

8 旋座——铰接固定悬梁的一端与一传动齿轮；

9 旋梁——用于安装水车、传动盘、皮带与传动齿轮等部件；

10 水车、11 传动盘、12 皮带、13 传动齿轮、14 传动杆、15 转盘——通过机械传动将水流的动能转化为对外驱动。

2.2 机械取水单元

机械取水单元如图3所示，主要由16取水腔体、17推拉杆、18推拉塞、19进水管、20防倒吸隔板、21出水管、22闭气隔板组成，其中推拉杆左端必须铰接于水力传动单元的转盘边壁处，而出水管口须连接至双螺旋沉沙单元的进水端口。

各部分的作用：

16 取水腔体、17 推拉杆、18 推拉塞——由于推拉杆左端铰接于水力传动单元的转盘边壁处，从而当转盘转动时将带动推拉杆与推拉塞作推拉往复运动。当推拉塞作往复运动时，在取水腔体体积增大的过程中，由于大气压的作用，闭气隔板将闭合，防倒吸隔板将开启，河道中的水体将由进水管被吸入取水腔体；在取水腔体体积减小的过程中，由于腔内水压力的作用，闭气隔板将开启，防倒吸隔板将关闭，推拉塞将推挤取水腔体中的水体使之由出水管流出；

19 进水管——在大气压的作用下，将河道中的水体引入取水腔体内部；

20 防倒吸隔板——防止已经吸入取水腔体内部的水体倒流；

21 出水管——在推拉塞推挤取水腔体内部水体的过程中，将取水腔体中的水体引至双螺旋沉沙单元；

22 闭气隔板——在取水腔体体积增大的过程中，利用大气压的作用闭合出水管道，继而使取水腔体内部产生负压以便将河道中的水体吸入取水腔体内部。

2.3 双螺旋沉沙单元

双螺旋沉沙单元如图4所示，主要由23 进水端口、24 双螺旋渠道、25 冲沙闸门、26 排沙端口、27 壅水闸门、28 出水端口组成，其中冲沙闸门与壅水闸门的表观构造是完全相同的，所不同的仅仅是部件尺寸与安装方式，具体结构见图5。各冲沙闸门从进水端口附近开始依次相间布设于双螺旋渠道内部，其布设间距与布设数目一般须根据水跃长度及水跃冲沙能力确定，另外还需考虑冲沙耗时与构件成本。双螺旋沉沙单元出水段结构如图6所示，壅水闸门安装于凹槽内部，且当壅水闸门关闭时，其挡水板上端与渠道底部是齐平的。

各部分的作用：

23 进水端口——将机械取水单元抽取的水体引入双螺旋沉沙单元；

24 双螺旋渠道——双螺旋渠道可使渠中流动的水体形成螺旋流，与同样长度的顺直渠道相比将产生更大的水头损失，从而减缓渠道中的水体流速，继而使水体中的泥沙更易于沉降。此外，双螺旋渠道中部渠壁相互共用，可减小工程量，降低修建成本，且占地集中，便于布置；

25 冲沙闸门——可通过电学调控（如图8右边部分电路所示）以实现逐级蓄水，逐次开闸，相继冲沙（在逐级蓄水冲沙的过程中，冲沙闸门仅适当开启，前部渠道中存蓄的水体则从闸门底端开启处冲出形成水跃，如图7所示），直至将双螺旋渠道内沉积的泥沙全部由排沙端口冲排入河道；

26 排沙端口——当通过电学调控对双螺旋渠道蓄水冲沙时，排沙端口将把从渠道中冲起的泥沙排入河道；

27 壅水闸门——基于挟沙水流含沙量沿垂线“上小下大”的分布规律，仅使渠道中水位高于壅水闸门挡水板上端的表层清水才能漫过壅水闸门挡水板上端从出水端口流出，从而极大地降低了所取水体的含沙量；此外，壅水闸门的壅水作用会增加双螺旋渠道的水深，继而增大渠道的过流面积，降低水体流速，这也使得水体中的泥沙更易于沉降；

28 出水端口——将由壅水闸门挡水板上端漫出的表层清水引入取水管线，继而输送至用水处；

29 凹槽——用于安装壅水闸门；

30 装机台——为电动机的布设与安装提供操作平台；

31 承重支板——支撑装机台，使其承重平衡；

32 电动机——将电能转化为动能以调控壅水闸门与冲沙闸门的启闭；

33 传动斜齿轮、34 控闸斜齿轮、35 螺纹升降杆（控闸斜齿轮中部螺纹孔的螺纹与升降杆外部的螺纹是相互啮合的）、36挡水板——通过机械传动实现闸门的启闭；

37 闸槽——限制挡水板使其只能沿着闸槽升降滑动。

2.4 调控电路

无坝取水系统调控电路如图8所示，分为左右两部分，左边电路由37 电源、38 和39 单控开关、6 蓄水水泵、7 排水水泵以及若干导线组成，主要用于控制蓄水水泵向U 形蓄水器中蓄水，排水水泵往U 形蓄水器外排水；右边电路由40 和41 双控开关、32电动机以及若干导线组成，主要用于调控冲沙闸门与壅水闸门的启闭，由于各冲沙闸门与壅水闸门的调控电路相同，此处仅以一独立支路示意，实际上各冲沙闸门与壅水闸门各自拥有如右边电路所示的独立调控电路，且各调控电路均并联于电源。

各部分的作用：

37 电源——为电路提供电能；

38 和39 单控开关——控制蓄水水泵与排水水泵的休停与运转；

40 和41 双控开关——当双控开关同时与上端导通时（如图8红圈所示），电动机正向转动，继而使相应于调控电路的冲沙闸门或壅水闸门开启；当双控开关同时与下端导通时（如图8蓝圈所示），电动机反向转动，继而使相应的冲沙闸门或壅水闸门关闭。

3 工作过程

（1）先操作如图8右边部分所示的各冲沙闸门与壅水闸门的调控电路，使最靠近排沙端口的X 号冲沙闸门完全关闭，Ⅰ～Ⅸ号冲沙闸门（如图1闸位标记所示）完全开启，壅水闸门适当开启。

（2）再操作如图8左边部分所示的蓄排水调控电路，通过改变U 形蓄水器中的存水量来控制旋杆自由端的升降，从而改变河道水流对水车的推动力大小，继而调节水车转速，最终达到调控对外动力输出的目的。

（3）水力传动单元运转后，将驱动机械取水单元运转，继而将河道中的水体吸入取水腔体内并最终排入双螺旋沉沙单元中。

（4）由于壅水闸门的壅水作用，进入双螺旋渠道的水体暂时积蓄，水体中含带的泥沙也将开始沉淀。待渠道中的蓄水水位高于壅水闸门挡水板上端时，双螺旋渠道中的表层清水才将漫过壅水闸门挡水板上端从出水端口流出。

（5）当双螺旋沉沙单元运行一段时间后，其渠道底部将沉积大量泥沙。操作如图8左边部分所示的调控电路使蓄水水泵向U 形蓄水器蓄水直至旋杆自由端完全抬起。此时水车将脱离与河道水流的接触，继而停止水力传动单元与机械取水单元的运转，暂停取水。

（6）待双螺旋渠道中的水体沉积一段时间后，操作如图8右边部分所示的壅水闸门的调控电路，使壅水闸门间歇式缓慢关闭，使渠道中存蓄的水体渐次从壅水闸门挡水板上端漫出，并经出水端口流至取水管线，继而输送至用水处，此过程将持续至双螺旋渠道中存蓄的水体完全排尽。

（7）再次操作如图8右边部分所示的各冲沙闸门与壅水闸门的调控电路，完全开启壅水闸门，使双螺旋沉沙单元的出水段封闭，然后关闭Ⅰ号冲沙闸门，开启Ⅱ～X号冲沙闸门，使Ⅰ号冲沙闸门前段的渠道处于待蓄水状态。

（8）再操作如图8左边部分所示的调控电路，利用排水水泵将U 形蓄水器中的水抽排至河道。当旋杆自由端安放的水车与河道水流充分接触时，断开排水水泵的调控电路，使排水水泵停止运转。此时河道中的水流将推动水车转动，继而使水力传动单元与机械取水单元再次工作，重启取水过程。

（9）当取水过程重启后，由河道中抽取的水体将暂时蓄积于Ⅰ号冲沙闸门前段的渠道中，待该段渠道蓄满后，适当开启Ⅰ号冲沙闸门使其前段渠道中蓄存的水体则从Ⅰ号冲沙闸门底端开启处冲出形成水跃以实现冲沙。待Ⅰ号冲沙闸门与Ⅱ号冲沙闸门之间的双螺旋渠道底部沉积的泥沙冲尽，则完全开启Ⅰ号冲沙闸门并关闭Ⅱ号冲沙闸门，使Ⅱ号冲沙闸门前段的渠道处于待蓄水状态，待Ⅱ号冲沙闸门前段的渠道蓄满后，再适当开启Ⅱ号冲沙闸门使Ⅱ号冲沙闸门前段渠道中蓄存的水体从Ⅱ号冲沙闸门底端开启处冲出形成水跃以实现冲沙，以此类推，逐级蓄水，逐次冲沙，直至将双螺旋渠道中沉积的泥沙完全冲尽并经排沙端口排入河道，最终由河道水流冲挟带而走。

（10）待双螺旋渠道中沉积的泥沙完全冲尽后，再次操作如图8右边部分所示的各冲沙闸门与壅水闸门的调控电路，使最靠近排沙端口的X 号冲沙闸门完全关闭，Ⅰ～Ⅸ号冲沙闸门完全开启，壅水闸门适当开启，重启壅水沉沙过程。

4 结 语

基于力学、机械与电学原理设计了取水速度可控的新型沉沙取水系统，降低了取水口选址对河道水沙条件的要求，避免了取水口修建对岸体原始结构完整性与稳定性的破坏；通过双螺旋渠道中部渠壁的相互共用，减小了沉沙池的修建成本，且使其占地集中，便于布置；根据双螺旋几何特点、弯道水流运动特性和泥沙沉降规律，利用螺旋流消能沉沙，提高了沉沙效率。所述设计构思科学，物理概念清晰，实施简易，普遍适用于天然河道的引流取水。此外，其水力传动单元可作为常规水力装置的动力驱动；其双螺旋沉沙单元可用于自来水厂的初步净水沉淀以及城市污水处理；若将该系统的水力传动单元与机械取水单元组合还可用于农业取水灌溉。