水资源利用与保护课程设计说明书.docx

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水资源利用与保护课程设计说明书

《水资源利用与保护》

课程设计

题目：

南阳市一取水构筑物

的扩大初步设计

系别：

环境与市政工程系

专业：

给水排水工程专业

姓名：

学号：

指导教师：

余海静肖晓存张奎田长勋

河南城建学院

2013年01月06日

指导老师评语

指导老师签字

答辩委员会评语

主任委员签字

设计成绩

年月日

前言

水资源是人类不可缺少且无法替代的重要自然资源和环境资源，是维持社会进步、国民经济可持续发展的关键所在。

尽管水资源能够循环、恢复，但就某地、某时而言，能供人类使用的水量是有限的。

当今世界，水资源不足和污染构成的水源危机已成为任何一个国家在政策、经济和技术上所面临的复杂问题和社会经济发展的主要制约因素。

因此，合理有效地利用水资源，充分发挥其最大的经济和社会效益是当务之急。

在地表水取水工程中，地表水水源一般指江河、湖泊等天然水体和水库、运河等人工建造的淡水水体。

由于地表水水体所处的地理环境各异，受自然因素的影响不尽相同，加之人为因素的影响，使得地表水水体也都具有各自的特性。

要使取水构筑物能从地表水水体中按所需的水质、水量安全可靠地取水，了解地表水取水构筑物分类、地表水取水构筑物运行的主要因素、取水构筑物的设计原则及位置的选择、各取水构筑物的构造和设计、施工和管理等十分重要，且意义深远。

水资源利用与保护课程设计是继水资源利用与保护实习之后又一次全面、系统地对水资源利用与保护这门课程的深入学习。

通过此次课程设计，对所学知识加以应用和系统化，培养解决实际工程问题设计问题的能力；使自己在设计、制图、查阅资料、使用设计手册和规范等基本技能上得到初步训练；掌握地表水取水构筑物的基本计算方法；掌握工具书的应用方法。

通过查阅资料、咨询同学等方式将遇到的问题个个击破使我明白一切问题都是纸老虎，只要持之以恒，不断努力，没有什么事情是不可能的。

在面临问题时要保持一贯的不服输的作风，认真地分析问题、解决问题。

与此同时，通过本次课程设计，也使我对于取水构筑物的布置情况有了更加深刻的理解。

尽管已经尽自己最大的努力使本设计趋向于完美，但其中必然还会有些许问题，望老师批评指正。

Foreword

Waterresourcesisanimportantnaturalresourceandenvironmentalresourcesofhumanindispensableandcannotbereplaced,andthemaintenanceofsocialprogress,thekeytosustainableeconomicdevelopment.Althoughwaterresourcestobeabletocyclerecovery,butsomewhere,sometime,intermsoftheamountofwaterforhumanuseislimited.Intoday'sworld,ofinadequatewaterresourcesandpollutionofthewatercrisishasbecomeanycountryfacingcomplexissuesandsocio-economicdevelopmentpolicy,economicandtechnicalconstraints.Therefore,therationalandefficientuseofwaterresources,givefullplaytotheirmaximumeconomicandsocialbenefitsisapriority.

Insurfacewaterengineering,surfacewatergenerallyreferstotheriver,lakeandreservoirofnaturalwater,canalandotherman-madefreshwaterbodies.Becausethesurfacewaterofthegeographicalenvironmentisdifferent,influencedbynatureisnotthesameas,inadditiontotheimpactofhumanfactors,makesthesurfacewaterbodiesalsohaverespectivecharacteristics.Tomakewaterabstractionfromsurfacewaterinthedesiredwaterquality,watersafetytogetwater,understandingofsurfacewaterintakeclassification,surfacewaterintakemainfactorsaffectingtheoperationofwaterstructures,thedesignprincipleandselectionofposition,thewaterintakestructureofconstructionanddesign,constructionandmanagementitisveryimportant,andoffar-reachingsignificance.

Utilizationandprotectionofwaterresourceofcurriculumdesignisthewaterresourceutilizationandprotectionpracticeafteracomprehensive,systematicallyontheutilizationandprotectionofwaterresourcesinthecourseofstudying.Throughthiscurriculumdesign,ontheknowledgetobeappliedandsystematictrainingofsolvingpracticalengineeringproblems,designquestionability;maketheirowninthedesign,drawing,dataaccess,usingthedesignmanualandstandardofbasicskillsoninitialtraining;Masterofsurfacewaterintakeofthebasiccalculationmethod;mastertoolapplicationmethodof.

Throughaccesstoinformation,suchasadvisorystudentswillencounterproblemseachcheckmateIunderstandthateverythingisapapertiger,aslongasthepersevere,continuehard,nothingisimpossible.Inthefaceoftheproblemtomaintainaconsistentcompetitivestyle,acarefulanalysisofproblem,tosolvetheproblem.Atthesametime,throughthecurriculumdesign,alsomakemeforintakearrangementhaveamoreprofoundunderstandingof.

Despitetheirbesteffortstomakethisdesigntendstobeperfect,buttherewillbesomeproblems,hopetheteachercriticism.

第一章绪论

1.1设计目的

1、对所学知识加以应用和系统化，培养解决实际工程设计问题的能力；使学生在设计、制图、查阅资料、使用设计手册和规范等基本技能上得到初步训练。

2、使学生能通过设计掌握地表水取水构筑物的基本计算方法。

3、掌握工具书的应用方法。

1.2设计任务

南阳市一取水构筑物的扩大初步设计

1.3设计时间

2013年1月3日——2013年1月6日

第二章计算说明

2.1基本资料

2.1.1河流自然条件

1、河流水位:

最高水位为35.35m，（频率P=1%）；最低水位为20.45m（保证率P=97%）。

2、河流的流量:

最大流量为26500m3/s；最小流量为335m3/s。

3、河流的流速:

最大流速为2.45m/s；最小流速为0.5m/s

4、河流的含砂量及漂浮物：

最大含砂量0.45kg/m3；最小含砂量0.0013kg/m3。

有一定数量的水草和青苔，无冰絮。

5、河流主流及河床情况

河流近岸坡度较缓，主流离岸75m，主流最小水深3.9m。

岸边土质较好，有一定的承载力，满足使用要求。

2.1.2地区气象资料

最低气温：

－10℃，最高气温：

39℃，最大冰冻深度15㎝。

2.1.3工程要求

净水处理厂供水量为3.85万m3/d，供生活饮用和生产需要。

2.2构筑物类型确定

2.2.1取水构筑物分类及确定

按取水构筑物的构造可以将取水构筑物分为固定式取水构筑物和移动式取水构筑物。

固定式取水构筑物包括岸边式、河床式、斗槽式、底坝和低栅式。

移动式取水构筑物包括浮船式、缆车式和潜水泵直接取水。

固定式取水构筑物适用于各种取水量和各种地表水源。

固定式取水构筑物具有取水可靠，维护管理简单，适用范围广等优点，但投资较大，水下工程量较大，施工期长。

固定式取水构筑物设计时应考虑远期发展的需要，土建工程一般按远期设计，一次建成；水泵机组设备可分期安装。

活动式取水构筑物适用于水源水位变幅大，且中小取水量的情况，多用于江河、水库和湖泊取水。

移动式取水构筑物具有投资小、施工期短、见效快、水下工程量小、对水源水位变化适应性强、便于分期建设等优点，但维护管理复杂，易受水流、风浪、航运的影响，取水可靠性差。

根据本设计对水量和水质的要求，结合河床地形、河床冲淤、水位变幅、冰冻和航运等情况以及施工条件，确定本设计取水构筑物类型为固定式。

2.2.2固定式取水构筑物

固定式取水构筑物的基本形式分为岸边式取水构筑物、河床式取水构筑物和斗槽式取水构筑物。

建于河流的一岸，直接从江河岸边取水的构筑物，称为岸边式取水构筑物，由集水井和泵房两部分组成。

它适用于江河岸边较陡，但地质条件好且河床河岸稳定；主流近岸且岸边有足够的水深，水位变幅不大且能保证枯水位时安全取水；水质较好且便于施工的河段。

利用伸入江河中心的进水管和固定在河床上的取水头部取水的构筑物，称为河床式取水构筑物。

河床式取水构筑物与岸边式基本相同，取水构筑物由取水头部、进水管、集水间和泵房等部分组成。

河水经取水头部的进水孔流入，沿进水管流至集水间，然后由泵抽走。

集水间与泵房可以合建，也可以分建。

当河床稳定，河岸较平坦，枯水期主流离岸较远，岸边水深不够或水质不好，而河中心具有足够水深或较好水质时，适宜采用河床式取水构筑物。

斗槽式取水构筑物是在取水口附近设置堤坝，形成斗槽进水，由进水斗槽和岸边式取水构筑物组成。

斗槽式取水构筑物要求岸边地质稳定，河水主流近岸，并应设在河流凹岸处。

斗槽式取水构筑物施工量大，造价高，槽内排泥困难，一般采用不多。

本设计中，由于河流水位变化较大且主流离岸较远，近岸坡度较缓，故考虑采用河床式取水构筑物。

按照进水管形式的不同，河床式取水构筑物有自流管取水、虹吸管取水、水泵直接吸水和桥墩式取水等类型：

自流管取水是在重力作用下，从取水头部流入集水井，经格网后进入水泵吸水间，然后水泵抽走。

此种形式的特点为：

集水井设于河岸，可不受水流冲击和冰凌碰击，也可不影响河床水流；自流管淹没在水中，河水靠重力自流，工作较可靠；在非洪水期，利用自流管取得河心较好的水而在洪水期利用集水间壁上的进水孔或设置的高位自流管取得上层水质较好的水；冬季保温、防冻条件比岸边式好。

但取水头部伸入河床，检修和清洗不变；敷设自流管时，开挖土石方量较大；洪水期河底易发生淤积、河水主流游荡不定，从而影响取水。

使用于河床较稳定，河岸平坦，主流距离河岸较远；河岸水深较浅且岸边水质较差；自流管埋深不大或者在河岸可以开挖隧道以敷设自流管等情况。

虹吸管式取水是河水从取水头部靠虹吸作用流至集水井中，然后由水泵抽走。

此种形式的特点是：

利用虹吸高度，可减少管道埋深，减少水下施工的施工量和自流管的大量开挖，缩短工期，节约投资。

但虹吸管对管材及施工质量要求较高，运行管理要求严格，并需保证严密不漏气；需要装置真空设备；虹吸管管路相对较长，容积也大，真空引水水泵起动时间较长，工作可靠性不如自流管。

适用于河水水位变幅较大，河滩宽阔，河岸较高，自流管埋深较深；枯水期主流离岸较远而水位较低；管道需要穿越防洪堤等情况。

直接吸水式取水是不设集水间，水泵吸水管直接伸入河中取水，此种形式的特点是：

不设集水间，利用水泵吸高，可以减少水泵房埋深，结构简单，施工方便，造价较低。

但要求施工质量较高，不允许吸水管漏气；在河流泥沙颗粒较大，易受堵塞且对水泵叶轮磨损较快。

适用于河水水质较好，水中漂浮杂质少，水位变幅不大，取水量小，吸水管不长且不需设网格的中小型水泵房使用。

桥墩式取水是整个取水构筑物设在水中，在进水间的壁上设置进水孔，其特点是：

取水构筑物设在河心，集水井与泵房合建，河水通过井壁上的进水孔流入集水井；无进水管，免除进水管淤塞的担忧；需建与岸边联系的引桥。

但由于取水构筑物建在江内，缩小了水流过水断面，容易造成附近河床冲刷；基础埋深较大，施工较复杂，造价昂贵，管理不便，影响航运，非特殊情况一般不采用。

本设计中由于主流离岸较远，河岸水深较浅，故考虑采用自流管式取水。

综上所述，本设计的取水构筑物形式采用固定式河床式。

河心处为箱式取水头部，经自流管流入集水井，在经格栅、格网截留杂质后，用离心泵送出。

2.3构筑物设计

固定式取水构筑物由集水井（岸边式和河床式）、取水头部（河床式）、进水管（河床式）、取水泵站（岸边式和河床式）等部分组成。

2.3.1取水头部设计

取水头部是河床式取水构筑物的组成部分之一，设计的一般要求是：

1）取水头部应设在稳定河床的主流深槽处，有足够的取水深度；

2）取水头部的设计对取水水质及河道水流有较大的影响，因此应选择合理的外形和较小的体积，以避免对周围水流产生大的破坏和扰动，同时防止取水头部受冲刷，甚至被冲走；

3）任何形式的取水头部均不同程度地使河道水流发生变化，引起局部冲刷，因此应在可能的冲刷范围内抛石加固，并将取水头部的基础埋在冲刷深度以下；

4）取水头部至少应分成两格，或分设两个取水头部，以便清洗和检修。

在漂浮物或泥沙多的河流中，相邻的取水头部应有较大的间距，一般沿水流方向的间距应不小于取水头部最大尺寸的3倍；

5）取水头部应防止冰块堵塞和冲击，并防止船只、木筏碰撞。

取水头部的形式很多，常用的有喇叭口、蘑菇形、鱼形罩、箱式、桥墩式等。

由于取水地点水深较浅含沙量少，有一定的水草和青苔，所以选取箱式取水头部。

α角取90°侧面进水。

头部迎水面作成尖角形用钢筋混凝土分两节预制，吊装下沉后，水下拼装。

头部周围抛石，防止河床冲刷。

取水头部构造尺寸

最小淹没深：

h/=1.25m,与河流通航船只吃水深度有关；

进水口下缘距河底：

h//=1.55m，为避免泥沙流入取水头部；

进水箱体埋深：

h///=1.4m,与该处河流冲涮程度有关；

箱体处最低水位水深不得小于3.8米；

取水头部设计图详见图2-1：

取水头部平面图和图2-2：

取水头部剖面图；

图2-1：

取水头部平面图

图2-2：

取水头部剖面图

2.3.2进水管设计

选择自流管，集水井位于河岸，可不受水流冲击和冰棱碰击，也可不影响河床水流；自流管淹没在水中，河水靠重力自流，工作可靠；冬季保温、防冻比较好。

自流管设计为两条，每条设计流量为：

q

=Q/2=0.468/2=0.234m3/s

初选自流管流速：

v

=0.8m/s

初步计算直径为：

选D=0.6m

自流管实际流速为：

自流管损失按hw=hf+hj计算，其中：

Hf=i×L=0.00119×75=0.089m

各局部阻力系数为：

喇叭口

=0.1.焊接弯头

=1.01，蝶阀

=0.2，

=1.0，局部阻力损失为：

hj=

=（0.1+1.01+0.2+1.0）×

m

则管道总损失为：

hw=hf+hj=0.089+0.035=0.124m

考虑日后淤积等原因造成阻力增大，为避免因此造成流量降低，管道总损失采用0.20m。

当一根自流管故障时，另一根应能通过设计流量的70％，即：

Q’=0.7Q=0.7×0.468=0.3276m3/s

此时管中流速为：

故障时产生的损失为hw’=hf’+hj’

hf’=i×L=0.00224×75=0.168m

hj’=

=（0.1+1.01+0.2+1.0）×

hw=hf’+hj’=0.168+0.069=0.237m

考虑阻力增加因素，采用hw’=0.35m

2.3.3集水井设计

集水井一般由进水间、格网和吸水间三部分组成，进水间和吸水间用纵向隔墙分开，在分隔墙上可以设置平板格网。

集水井顶部设操作平台，安装格栅、格网、闸门等设备的起吊装置。

集水井和取水泵站可以合建，也可以分建。

分建时集水井的平面形式可为圆形、矩形、椭圆形等。

圆形集水井结构合理，水流阻力小，便于沉井施工，但不便于布置设备；矩形集水井安装滤网、吸水管、分格及布置水泵和管线较为方便，但造价较高。

通常当集水井深度不大，可用大开槽施工时，采用矩形集水井，否则用圆形。

综上所述，本设计采用合建式矩形设计。

1、集水间计算

（1）格栅计算

格栅设于进水孔上（或取水头部）的入口处，用以拦截水中粗大的漂浮物及鱼类。

格栅由金属框架和栅条组成，框架外形与进水孔形状相同。

栅条断面有矩形、圆形等。

格栅的栅条厚度或直径一般采用10mm，栅条净距通常采用30—120mm，本设计采用30mm。

格栅栅条可以直接固定在进水孔上，或者放在进水孔外侧的导槽中，一般可按可拆卸设计，并考虑有人工或机械清除的措施，以便清洗和检修。

栅条断面形状有矩形、扁圆形和圆形等多种。

Q=38500×1.05=40425m³/d=0.468m³/s；

进水孔设计流速：

V0=0.6m/s；

栅条厚度：

s=10mm,断面为扁钢型；

栅条净距：

b=50mm；

格栅阻塞系数：

k2=0.75；

栅条引起的面积减少系数

进水孔或格栅的面积：

进水口数量选用两个，每个面积为：

F=F0/2=0.624m2

格栅尺寸选用给水排水标准图集90s321-1,每个进水口尺寸为B1×H1=900mm×700mm，格栅外形尺寸B×H=1000mm×800mm。

（2）格网计算

格网设在进水间和吸水间之间，用以拦截水中细小的漂浮物。

格网有平板格网和旋转格网两种形式，当每台泵出水量小于1.5m3/s时，采用平板格网，故本设计采用平板格网。

平板格网构造简单、不单独占用面积，可缩小集水井尺寸，适用于中小水量、漂浮物不多时。

通过格网的流速：

v1=0.3m/s；

网眼尺寸：

b=6mm×6mm；

网丝直径：

d=0.9mm；

金属丝直径s=2.5mm

网丝引起的面积减少系数

格网阻塞后面积减少系数：

K2=0.5；

水流收缩系数：

=0.7；

格网面积：

选用给水排水标准图集90S321-6，格网进水口尺寸为B1×H1=1900mm×1700mm，面积3.23m

，选用两个，总面积为B×H=2000mm×1800mm。

（3）集水间平面尺寸

集水间分为两格，两格间设连通管并装阀门，集水间平面尺寸见图。

（4）集水间的标高计算

集水井选择非淹没式，在最高水位时仍能露出水面，操作管理方便，在漂浮物多的洪水期可以及时清理格网，供水较为安全。

1）顶面标高：

采用非淹没式，集水间顶面标高=1﹪洪水位+浪高（0.25m）+0.5m：

H

=35.35+0.5+0.25=36.10m。

2）进水间最低水位：

97﹪枯水位-取水头部到进水管段水头损失-格栅损失=20.45-0.20-0.1=20.15m。

3）吸水间最低水位：

进水间最低动水位标高-进水间到吸水间的平板格网水头损失=20.15-0.2=19.95m

4）集水间底部标高：

平板格网净高为1.80m，其上缘应淹没在吸水间动水位以下，取为0.1m；其下缘应高出底面，取0.2m，则集水间底面标高为：

19.95-0.1-0.2-1.8=17.85m。

集水间深度：

顶部标高-底部标高=36.10-17.85=18.25m。

集水间深度校核：

当自流管用一根管输送Q

=0.3276m3/s，v=1.16m/s，水头损失为h

=0.35m，此时吸水间最低水位为:

20.45-0.1-0.35-0.2=19.80m

吸水间最低水位为：

19.80-17.85=1.95m，可满足水泵吸水要求。

2、排泥、启闭及起吊设备

1）进水间和吸水间中的水流速度较小，当河水中含泥沙较多时，集水井中会沉淀泥沙。

为了不影响正常取水，需及时排除。

常用的排泥装备有排沙泵、排污泵、射流泵、压缩空气提升器等。

大型进水间多用排沙泵或排污泵排泥，也可次采用压缩空气提升器排泥，排泥效果都较好。

小型进水间或积泥不严重时，可用高压水带动的射流泵排泥。

为了提高排泥效果，一般在井底设有穿孔冲洗管或冲洗喷嘴，利用高压水边冲洗、边排泥。

2）在进水间的进水孔、格网和横向隔墙的连通孔上须设置闸阀、闸板等启闭设备，以便在进水间冲洗和设备检修时使用。

为了减小所占地位，常用平板闸阀、滑阀及蝶阀等。

3）为便于格栅、格网的清洗和检修及闸门的启闭和检修，需在操作平台上设置起吊设备。

常用的起吊设备有电动绞车、电动和手动单轨吊车等，其中以单轨吊车采用较多。

当泵房较深，平板格网冲洗次数频繁时，采用电动绞车起吊；当设备较重时，可采用电动桥式吊车。

A）起吊设备

W=（G+pfF）K

其中W——平板格网起吊重量，kN；

G——平板格网与钢绳重量，G=1.47kN；

P——平板格网两侧水位差产生的压强，p=1.96kpa；

F——每个格网的面积，F=3.6m

；

f——平板格网与导轨间的摩擦系数，f=0.44；

K——安全系数，K=1.5。

W=（G+pfF）K=（1.47+1.96×0.44×3.6）×1.5=6.86kN

B）吊架高度的计算与设备选择

平板格