7.3 取水工程
7.3.1 工程总布置
近期为五指山河单独取水，取水口位置位于五指山河上，北距军民村1.3km，南距五指山河、南圣河和七指岭河三河交汇处约1.4km处，取水口处于峡谷地段。新建溢流堰布置在河道右侧，坝高4.5m，坝段长21m。泄洪冲沙闸布置在河道左侧，共2孔，每孔净宽8m。溢流堰与泄冲闸均采用钢筋混凝土结构。
进水间紧邻泄冲闸，布置在上游侧河道左岸。考虑到五指山河为少泥沙河流，为管道和进水建筑物布置顺畅，进水间前缘线与拦河闸堰轴线夹角垂直。进水间下部设两根DN600的钢管自取水口的集水室接出后，在五指山河左岸岸边铺设。
管理场区地面高程471.00m，与进水间检修平台高程相同，西侧紧邻水满公路。场区设有管理房、应急加药间等。场区下行通过浆砌石台阶与泄冲闸465.70m检修平台相接，上行通过钢筋混凝土步梯与泄冲闸卷扬启闭机平台（478.00m）连接。
7.3.2 工艺设计
7.3.2.1 取水规模
本工程近期在五指山河取水，取水量为1.65万m3/d，远期五指山河取水量增加到2.0万m3/d，同时增加七指岭河取水口，取水量1.3万m3/d，总取水量达到3.3万m3/d。五指山河取水构筑物、输水管道按2.0万m3/d的规模设计，一次建成。
7.3.2.2 取水头部设计
五指山河取水采用低坝取水，坝顶高程为464.50m，设计100年一遇洪水位为468.85m，坝低高程为460.00m。取水形式可分为河心取水和岸边取水。五指山河属于推移质河流，洪水期推移质较多，山洪暴发携带大量泥沙和滚石，取水头部设于河心时容易堵塞或损坏，安全性不高。因此本工程推荐采用岸边式取水构筑物。
五指山河取水头部按远期2.0万m3/d规模一次设计施工，设计水位464.50m。根据本工程水文地质情况和类似工程的实践经验，取水构筑物采用流道式进水，河水通过进水流道依次经过格栅和检修闸门进入进水室，进水室尺寸为6m×2m。进水室通过闸板阀与集水室联通，集水室设两格，方便清洗和检修，单格尺寸为3m×2.75m。进水廊道上部设操作平台，并设有格栅、检修闸门等的起吊装置。为满足引水管进水口淹没水深、悬空高度等的要求，引水管中心标高定为461.75m，进水室、集水室底板标高均为461.00m。在引水管前段设流量计和检修阀，方便控制和数据检测。
7.3.2.3 应急加药间
考虑到河道水质可能下降甚至短时间恶化，水厂出水水质要求呈逐步提高趋势，因此，为保证水源水质安全，在取水头部设置应急加药间，一旦藻类爆发可及时投加次氯酸钠进行应急处理。
次氯酸钠是一种强氧化剂，能有效杀菌、杀藻，在取水口定期投加可有效控制藻类和螺类在管道内滋生。
应急加药间布置次氯酸钠发投加装置一套，投加点在紧挨集水室的检修阀之后管道上，最大投加量为3mg/L，设备制备能力为3750g/h（有效氯产率），设备间平面尺寸8m×6m。
7.3.3 建筑景观设计
场区位于取水口枢纽东侧，水南公路西侧，面积约1700m2。东北部设置半圆形入口广场，广场中心临近道路设有入口花坛，利用花灌木烘托出热烈的气氛，起到迎宾的作用。车行出口设计在场区东南部。根据地形及场地条件，在场区中心设计植草砖休闲广场，在满足交通及人员集散功能的同时，为游人及工作人员提供休闲场所。东侧设置集散场地，铺装采用植草砖并与中心广场相连通。植物配置上考虑场地整体尺度及地形条件，选用适生乔灌草合理搭配，利用列植、孤植、群植等植物配置手法营造四季可观、可赏的植物群落景观。
7.3.4 结构设计
7.3.4.1 水力计算
1.闸底板顶部高程
闸底板顶部高程的确定应满足运行要求，并结合经济条件一并考虑，定得高则可能造成淤积，低则可能加大闸墩高程，同样也可能造成淤积，一般情况可选择与河床齐平。根据2012年10月份实测地形资料，五指山河C取水口处河床实测高程为459.70～460.40m，现阶段暂定闸底板顶部高程为460.00m，基本与河床齐平。
2.溢流堰形式及堰顶高程选择
溢流堰形式的选择主要考虑溢流堰要有较高的流量系数，泄流能力大；水流平顺，不产生不利的负压和空蚀破坏；体型简单，造价低，便于施工。
溢流堰顶部曲线是控制流量的关键部位，常用的有克—奥曲线和WES曲线。由于WES曲线的流量系数大且剖面较瘦、工程量省、堰顶曲线用方程控制、施工方便，因此我国重力坝溢流堰常用WES曲线。本工程溢流堰规模较小，也选择常用的WES曲线。
根据重力流水力计算要求，进水间最低引水位应不低于464.50m，同时考虑到上游350m左右水陂高程466.00m，溢流堰高程的确定还应考虑正常情况下壅高水位不应对上游水陂产生淹没影响，因此确定溢流堰的高程为464.50m，堰高4.5m。
3.拦河建筑物工程等别和建筑物级别
4.拦河建筑物泄流能力计算和设计（校核）洪水位确定
（1）泄流能力计算。取水口枢纽的整体过流能力是溢流堰过流能力Q1与泄冲闸过流能力Q2二者之和。因此需分别对这两个拦河建筑物进行过流能力计算。
1）溢流堰过流能力计算。溢流堰采用开敞式，上游面铅直，堰顶下游堰面采用WES幂曲线，堰身净宽24.5m，堰高4.5m。根据《混凝土重力坝设计规范》（SL 319—2005）中，开敞式溢流堰泄流能力计算公式如下：
式中 Q1——流量，m3/s；
B——溢流堰净宽，m；
Hw——计入行进流速的堰上总水头，m；
g——重力加速度，m/s2；
m——流量系数，取0.502；
C——上游面坡度影响修正系数，当上游面为铅直面时，值取1.0；
ε——侧收缩系数，根据闸墩厚度及墩头形状而定，取ε=0.95；
σs——淹没系数，视泄流的淹没程度而定，不淹没时σs=1.0。
2）泄冲闸过流能力计算。泄冲闸结构采用三孔开敞式设计，单孔净宽6m，闸墩顶高程465.70m，洪水期闸门完全吊起，闸门下缘高于校核洪水位0.5m，不影响河道行洪。根据《水闸设计规范》（SL 265—2001）规定，水闸过流型式为堰流，因此按平底宽顶堰流计算过流能力，水闸净宽计算采用的公式为：
式中 B0——闸孔总净宽，m；
Q——过闸流量，m3/s；
σs——为堰流淹没系数；
ε——为堰流侧收缩系数；
m——为堰流流量系数，无坎高的平底宽顶堰取值0.385；
H 0——为计入行进流速水头的堰上水深。
3）取水枢纽整体体过流能力Q。取水口枢纽的整体过流能力Q=溢流堰过流能力Q1+泄冲闸过流能力Q2，经计算，当设计水位达到468.85m时，Q=931.46m3/s，略大于926m3/s（100年一遇设计洪水标准）。
溢流堰+泄冲闸过流水位流量关系曲线见图7.3-1。
图7.3-1 溢流堰+泄冲闸过流水位流量关系曲线
（2）设计洪水位。拦河建筑物的整体过流能力是溢流堰和泄冲闸过流能力之和，根据水力学计算，468.85m水位能够满足下泄100年一遇洪水的流量，所以确定468.85m为100年一遇设计洪水位。
7.3.4.2 泄冲闸设计
1.泄冲闸墩顶高程和启闭机平台顶高程确定
根据《水闸设计规范》（SL 265—2001），挡水部位顶高程为：相应运行工况水位+波浪爬高+安全超高。4级建筑物安全加高在泄水运用情况下为0.5m。波浪爬高参照《水闸设计规范》（SL 265—2001）附录E进行计算。
由于设计洪水位468.85m较高，正常蓄水位为464.50m，如果墩顶不允许过水则闸墩需要修高，同时也会阻水，闸墩工程量太大。为减少闸墩工程量，墩顶高程适当降低，允许大洪水时墩顶过水，这样墩顶高程只需比正常蓄水位高程高出风浪高度、安全超高即可，初步计算分析，风浪高度加安全超高约为1.0m，为安全计确定墩顶高程较正常蓄水位高出1.2m，这样确定墩顶高程为465.70m。
泄冲闸启闭机平台顶高程的确定依据校核洪水位高程、闸门高度共同确定，要求在设计洪水位下闸门开启后，闸门底缘高于校核洪水位0.5m以上，不影响设计洪水位泄洪，按此原则确定泄冲闸启闭机平台顶高程为476.50m。
闸墩与泄冲闸启闭机平台间设高排架。闸墩墩顶465.70m平台通过浆砌石台阶与471.00m高程场区相接，泄冲闸启闭机平台（476.50m）则通过钢筋混凝土步梯与场区连接。
2.泄冲闸布置
泄冲闸的布置紧邻进水间，同时满足一般来水泄洪平顺，为此选择泄冲闸布置于河道左岸。闸基为砂砾石地基，为此泄冲闸按整体式设计，设三孔总宽度24m。泄冲闸上游设0.6m厚钢筋混凝土铺盖，长15m，下游设综合式消力池。泄冲闸每孔净宽6.0m，闸室底板和闸墩的厚度均为1.5m。泄冲闸设计洪水位为468.85m，泄冲闸为4级建筑物，考虑安全超高0.5m，闸顶高程为465.70m，允许闸墩过水。墩顶设高排架，排架顶部设启闭机房，内置三台卷扬式启闭机，平台高程为476.50m。
3.基础处理
本工程拦河建筑物所在河床为砂砾石地基，覆盖层厚度5～7m（目前为推测，尚缺乏勘探资料），地基具有承载力高、透水性强的特点。结合本工程建筑物的特点，基础处理的目的主要解决闸（堰）基防渗问题，一方面减小出口渗透坡降，防止渗透破坏，另一方面则减少库区渗漏损失。虽然延长铺盖理论上也能解决防渗问题，但经验表明，垂直防渗远比水平防渗安全可靠，为工程安全考虑，本阶段对闸（堰）基进行基础防渗处理。
结合本工程地质特点，选择高压旋喷桩、混凝土板桩、混凝土防渗墙对比。
（1）高压旋喷桩适应于处理淤泥、粉土、砂土、碎石土甚至砂砾石等地基，具有适用范围广、技术成熟、施工方便、投资较省的特点。
（2）混凝土板桩是常用的垂直防渗措施，处理深度一般5～15m，满足本工程深度要求。但板桩通常适应于粉细砂地层，同时板桩通常预制，施工方法采用锤击打入法施工、或采用水冲洗法沉桩、或液压沉桩等，对本工程砂砾石地基适应性差。
（3）混凝土防渗墙对砂砾石地基适应性好，防渗效果好、安全可靠，但施工工艺复杂，需要专门的施工设备，投资高。本工程覆盖层5～6m，覆盖层浅，采用混凝土防渗墙处理没有优势，投资过大。
经初步比选，现阶段推荐采用高压旋喷桩进行防渗处理，旋喷桩直径采用1.0m，相邻桩基相互搭接形成防渗墙，桩中心距0.7m，桩长6.0m。
4.泄冲闸稳定计算
泄冲闸整体稳定计算包括抗滑稳定计算、基底应力分析、抗浮稳定计算。
（1）计算荷载和计算工况。作用在闸室上的主要荷载有：闸室自重、永久设备自重、水重、静水压力、扬压力和浪压力等。
1）闸室自重。闸室自重包括闸体和上部启闭机房、永久设备重、闸体范围内的水重等。
2）静水压力。按相应计算工况下上下游水位计算。
3）扬压力。扬压力为浮托力及渗透压力之和，根据阻力系数法计算各工况渗透压力。
4）浪压力。本工程闸前水面宽度较小，风浪的影响可忽略不计。
5）地震力。地震动峰值加速度0.05g，地震基本烈度为Ⅵ度。根据《水工建筑物抗震设计规范》（SL 203—97），该水闸不考虑地震作用。
荷载按最不利的挡水工况考虑，上游水位465.70m，下游水位460.00m，该工况水位差最大，荷载组合见表7.3-1。
表7.3-1 闸室稳定及应力计算荷载组合表
设计工况及水位组合见表7.3-2。
表7.3-2 闸室稳定与应力计算水位组合表
（2）基底应力。基底应力按材料力学偏心受压公式进行计算。
1）当结构布置及受力情况对称时，按下式计算。
式中 ∑G——作用在闸室上全部竖向荷载；
∑M——作用在闸室上的全部竖向和水平向荷载对基础底面垂直水流方向的形心轴的力矩；
A——闸室基底面的面积；
W——闸室基底面对于该底面垂直水流方向的形心轴的面积矩。
2）当结构布置及受力情况不对称时，其计算公式如下。
式中 ∑Mx、∑My——作用在闸室上的全部竖向和水平向荷载对基础底面形心轴x、y的力矩；
Wx、Wy——闸室基底面对于该底面形心轴x、y的面积矩。
（3）抗滑稳定。抗滑稳定计算采用以下公式：
式中 Kc——闸室抗滑稳定安全系数；
f——闸室基底面与地基之间的摩擦系数，取0.55；
∑G——作用在闸室上全部竖向荷载；
∑H——作用在闸室上的全部水平向荷载。
根据上述特征水位，按照水闸经常出现的工况和不利组合进行基本组合和特殊组合，选取一联进行计算，计算结果见表7.3-3。
表7.3-3 闸室稳定应力计算成果表
计算结果表明，水闸抗滑稳定和基底不均匀系数等均满足规范要求。
（4）抗浮稳定。抗浮稳定计算采用以下公式：
式中 Kf——闸室抗浮稳定安全系数；
∑V——作用在闸室上全部向下的铅直力之和，kN；
∑U——作用在闸室基底面上的扬压力，kN。
根据上述特征水位，按照水闸经常出现的工况和不利组合进行基本组合和特殊组合，选取一联进行计算，计算结果分别见表7.3-4。
表7.3-4 闸室抗浮稳定应力计算成果表
计算结果表明，水闸抗浮稳定满足规范要求。
7.3.4.3 溢流堰设计
1.溢流堰结构布置
溢流坝堰顶下游堰面采用WES幂曲线，上游堰面铅直。堰顶高程464.50m，堰底高程459.00m，上游设0.6m厚钢筋混凝土铺盖，长15m。下游设综合式消力池，消力池斜坡段与堰面反弧段底部衔接，消力池底板厚1.0m，总长14m，池深0.8m，坎高1.0m。溢流堰总长度21.0m。
基础处理方案与泄冲闸相同。
2.溢流堰整体稳定计算
溢流堰整体稳定计算包括坝基底面抗滑稳定计算、基底应力分析。溢流堰按混凝土重力坝考虑。
（1）坝基底面抗滑稳定。根据《混凝土重力坝设计规范》（SL 319—2005）规定，采用抗剪断强度公式计算坝基底面的抗滑稳定安全系数。计算公式为：
式中 K′——按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；
f′——坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数；
c′——坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力，kPa；
A——坝基接触面截面积，m2；
∑W——作用于坝体上全部荷载（包括扬压力，下同）对滑动平面的法向分值，kN；
∑P——作用于坝体上全部荷载对滑动平面的切向分值，kN。
考虑堰上游正常蓄水位464.50m、下游水位460.00m的挡水工况为计算的不利工况，经计算，该工况的抗滑稳定安全系数为27，远远超过规范要求的安全系数K=3，满足规范要求。
（2）基底应力计算。重力坝坝基面坝踵、坝趾的垂直应力应符合在运行期：在各种荷载组合下，坝踵垂直应力不应出现拉应力，坝趾垂直应力应小于坝基容许压应力。
重力坝坝基截面的垂直应力按下列公式计算：
式中 σy——坝踵、坝趾垂直应力，kPa；
∑W——作用于坝段上或1m坝长上全部荷载（包括扬压力，下同）在坝基截面上法向力的总和，kN；
∑M——作用于坝段上或1m坝长上全部荷载对坝基截面形心轴的力矩总和，kN·m；
A——坝段或1m坝长的坝基截面积；
x——坝基截面上计算电到形心轴的距离；
J——坝段或者1m坝长的坝基截面对形心轴的惯性矩，m4。
经计算，坝踵和坝趾的垂直应力分别为60.85kPa、43.9kPa。根据地质资料知，河床分布为冲洪积砾卵石层，容许承载力为120kPa，垂直应力均小于容许承载力，满足规范要求。
7.3.4.4 进水间设计
进水流道按单孔设计，流道墩墙厚1.5m，净宽2.0m，设有拦污栅和平板检修闸门。进水间用隔墩分为前后室，前室蓄水，通过闸板阀与后室连通。进水间边墙厚1.5m，前后室隔墩厚1.0m，净宽5.0m。后室分两个隔间，每个隔间连接一根管道。后室隔墙厚0.5m。进水流道和进水间底高程均为461.00m。上部顶板高程为471.00m。进水流道和进水间平面布置见图7.3-2。
进水流道及进水间上部不设厂房，拦污栅和检修闸门的检修通过上部排架上的卷扬式启闭机起吊。
7.3.4.5 场区布置
取水枢纽厂区占地面积约为1700m2，厂区高程与地面高程一致，为471.00m。厂区内配置应急加药间和管理房，建筑面积约100m2。厂区内设交通路与水南公路连通。厂区地面与泄冲闸之间通过台阶连通，可通过台阶下至闸墩顶、上至启闭机平台。除建筑、道路与广场铺装外均考虑绿化，绿化面积约1000m2。
厂区总体布置考虑空间的可赏性、生态性和以人为本的设计理念，结合工程区的范围和场址气候特点、厂区地层特点等进行布置，使厂区具有和谐、舒适的环境。
图7.3-2 进水流道和进水间平面布置图（单位：m）
7.3.5 金属结构
根据水工建筑物的布置，本工程金属结构设备主要布置在取水泵站的进水口和泄洪冲沙闸，承担引水供水和泄洪的任务。全部设备包括拦污栅1扇，平面滑动闸门7扇，台车式启闭机1台和固定卷扬式启闭机6台。金属结构设备总重约为175t。金属结构特性及工程量详见表7.3-5。
表7.3-5 金属结构特性及工程量表
7.3.5.1 进水间进水口
进水间进水口依次布置拦污栅、检修闸门。
拦污栅为平面滑动直栅，1孔1扇，孔口尺寸为2.0m（宽）×2.5m（高），底槛高程461.00m，设计水头2m；清污方式为人工清污。栅体和埋件主要材料选用Q235B。主支承型式为滑动支承，滑块材料为自润滑复合材料。采用台车式启闭机进行操作，启闭容量为2×50kN，扬程11.00m。
检修闸门为平面滑动闸门，1孔1扇，孔口尺寸为2.0m（宽）×2.5m（高），底槛高程461.00m，设计水头7.30m。门体和埋件主要材料选用Q235B。主支承型式为滑动支承，滑块材料为自润滑复合材料。平时闸门处于开启状态，当需要检修水泵进口水池时下门挡水。运用方式为静水启闭。与拦污栅共用台车式启闭机。
7.3.5.2 泄洪冲沙闸
泄洪冲沙闸进口依次布置有检修闸门和工作闸门。
检修闸门为平面滑动闸门，1孔1扇，孔口尺寸为6.0m（宽）×4.5m（高），底槛高程460.00m，设计水头4.50m。门体和埋件主要材料选用Q235B。主支承型式为滑动支承，滑块材料为自润滑复合材料。当需要工作闸门检修时下门挡水。运用方式为静水启闭，节间充水平压。采用移动式电动葫芦进行操作，启闭容量为3×125kN，扬程10.00m。
工作闸门为平面滑动闸门，1孔1扇，孔口尺寸为6.0m（宽）×4.5m（高），底槛高程460.00m，设计水头4.50m。门体和埋件主要材料选用Q235B。主支承型式为滑动支承，滑块材料为自润滑复合材料。运用方式为动水启闭。采用固定卷扬式启闭机进行操作，启闭容量为3×250kN，扬程10.00m。
7.3.5.3 启闭设备及控制要求
台车式启闭机为现地控制。设有行程限位开关，用于控制闸门的上、下极限位置，具有闸门到位自动切断电路的功能。
固定卷扬启闭机装有荷载限制器，具有动态显示荷载、报警和自动切断电路功能。当荷载达到90%额定荷载时报警，达到110%额定荷载时自动切断电路，以确保设备运行安全。启闭机装有闸门开度传感器，可以实时测量闸门所处的位置开度，并将信号输出到现地控制柜和远方控制中心，通过数字仪表显示闸门所处的位置。传感器可预置任意位置，实现闸门到位后自动切断电路，启闭机停止运行。启闭机上还装有主令控制器，控制闸门提升的上、下限位置，起辅助保护作用，与开度传感器一起，对启闭机上下极限和重要的开度位置实现双重保护。要求既可现地控制又可实现远方自动化控制。
7.3.5.4 防腐涂装设计
1.表面处理
门体和门槽埋件需要防腐的部位采用喷砂除锈，喷射处理后的金属表面清洁度等级为：对于涂料涂装应不低于《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》（GB 8923）中规定的Sa2.5级，与混凝土接触表面应达到Sa2级。机械设备采用手工动力除锈，表面除锈等级为Sa3级。
2.涂装材料
（1）闸门采用金属热喷涂保护，金属喷涂层采用热喷涂锌，涂料封闭层采用超厚浆型无溶剂耐磨环氧树脂涂料。
（2）埋件外露表面采用免维护复合钢板，不需要防腐。埋件埋入部分与混凝土结合面，涂刷特种水泥浆（水泥强力胶），既防锈又与混凝土黏结性能良好。
（3）启闭机按水上设备配置3层涂料防护，由内向外分别为环氧富锌底漆、环氧云铁防锈漆和氯化橡胶面漆。
7.3.6 混凝土防腐蚀设计
依据前述水文地质分析资料，场区内南圣河河水对混凝土存在重碳酸型中等腐蚀性，为此对南圣河水影响大的取水口混凝土结构进行必要的防腐蚀设计。参照《工业建筑防腐蚀设计规范》（GB 50046—2008）的规定，对取水口溢流堰、防冲闸、进水间等混凝土建筑物采取以下防腐蚀措施：①结构混凝土的混凝土强度等级为C35，最小水泥用量320kg/m3，最大水灰比为0.45；②钢筋混凝土的保护层的厚度满足《工业建筑防腐蚀设计规范》（GB 50046—2008）4.2.5条的规定；③基础设素混凝土垫层，素混凝土强度等级采用C15。