水资源利用与保护课程教学设计完成.doc

-! 第一章 绪论 1.1 设计任务 巩义市取水构筑物的扩大初步设计 1.2设计基础资料 1.2.1 河流自然条件 1、河流水位: 最高水位为 36.50 m， (频率P=1%)；最低水位为 20.00 m (保证率P=97%)。 2、河流的流量: 最大流量为 27500 m3/s；最小流量为 325 m3/s。 3、河流的流速: 最大流速为 2.50 m/s；最小流速为 0.5 m/s 4、河流的含砂量及漂浮物： 最大含砂量 0.47 kg/ m3；最小含砂量 0.0015 kg/ 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，主流离岸约50—100m，主流最小水深3.8—40m。岸边土质较好，有一定的承载力，满足使用要求。 1.2.2 地区气象资料 最低气温：－5℃，最高气温：38℃，最大冰冻深度15㎝。 -! 1.1.3 工程要求 净水处理厂供水量为 5.0 万m3/d，供生活饮用和生产需要。 1.3设计成果及要求 1.3.1设计成果 1、设计计算说明书一份。 2、取水构筑物的平面布置和高程布置图一张(2#)。 3、绘制取水头部平面图和剖面图一张 (2#)。（图例1：100 4、集水间平面图和剖面图一张(2#)（图例1：100） 1.3.2设计要求 1.自觉遵守纪律，不迟到、不早退。 2.设计计算说明书： 字迹工整，干净整齐； 设计思路清晰，内容充实，原理正确，方案合理，内容表述准确； 计算有公式，公式有说明、出处； 3.图纸： 设计方案合理，线条层次分明，图面整洁，尺寸标注整齐统一；要达到扩初设计施工图的要求。 第二章 计算说明 2.1 构筑物类型确定 给水工程中从江河、湖泊、水库及海洋等地表水源中的取水构筑物，分为固定式和移动式两大类。 　　固定式取水构筑物位置固定不变，安全可靠，应用较为广泛。由于水源的水位变化幅度、岸边的地形地质和冰冻、航运等因素，可有多种布置方式。常见的有4种。 　　(1)江心进水头式:由取水头部、进水管、集水井和取水泵房组成。常用于岸坡平缓、深水线离岸较远、高低水位相差不大、含砂量不高的江河和湖泊。原水通过设在水源最低水位之下的进水头部，经过进水管流至集水井，然后由泵房加压送至水厂。集水并可与无塔供水的泵房分建或合建。当取水量小时，可以不建集水井而由水泵直接吸水。取水头部外壁进水口上装有格栅.集水井内装有滤网以防止原水中的大块漂流杂物进人水泵，阻塞管道或损坏叶轮。 　　(2)江心桥墩式:也称塔式。常用于水库，建于尚未蓄水时。构筑物高耸于水体中，取水、泵水设施齐全，用输水管送水上岸。可以在不同深度取水，以得到水质较好的原水。 　　(3)岸边式:集水井与泵房分建或合建于岸边，原水直接由进水口进入。一般适用于岸坡较陡，深水线靠近岸边的江河。对含砂量大或冰凌严重或两者均出现的河流，取水量又较大时，可采用斗槽式取水构筑物，它是一种特殊的岸边式取水构筑物，其前以围堤筑成一个斗槽，粗砂将在斗槽内沉淀，冰凌则在槽内上浮。中国西北地区有多处斗摘式取水构筑物。 　　(4)底栏栅式:以山区溪流作为水源时，为避免急流中的砂砾，用低坝抬高水位，坝内有引水渠道，渠顶盖栏栅。水流溢过坝顶时从栏栅进入渠道，流至沉砂池沉除泥沙后，再用恒压供水水泵输出。 　　移动式取水构筑物适用于水位变化大的河流。构筑物可随水位升降，具有投资较省、施工简单等优点，但操作管理较固定式麻烦.取水安全性也较差，主要有两种。 　　(1)浮船式:水泵设在驳船上，直接从河中取水.由斜管输送至岸。水泵的出水管和枪水斜管的连接要灵活，以适应浮船的升降和摇摆。当采用阶梯式连接时须随水位涨落改换接头位置。当采用摇臂式连接时，加长联络管为摇臂，不换接头，浮船也可以随水位自由升降。浮船取水要求河岸有适当的坡度(20一30)。浮船式取水构筑物在中国西南和中南地区较多。20世纪80年代，单船供水能力已超过每日10万衬。 　　(2)缆车式:由坡道、输水斜管和牵引设备等4个主要部分组成。取水泵设在泵车上。当河流水位涨落时，泵车可由牵引设备沿坡道上下移动，以适应水位，同时改换接头。缆车式取水适宜于水位涨落速度不大(如不超过2m/h)、无冰凌和漂浮物较少的河流。 本设计中由于主流离岸较远，河岸水较浅，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。 2.2 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。 2.2.1 取水头部计算 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； （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。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=500001.05=52500m3/d=0.608m3/s； 进水孔设计流速：V0=0.9m/s； 栅条厚度：s=10mm,断面为扁钢型； 栅条净距：b=40mm； 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=0.563m2 格栅尺寸选用给水排水标准图集90s321-1,每个进水口尺寸为B1H1=800mm800mm，格栅外形尺寸BH=900mm900mm，其有效面积0.63m2。 （2）进水管计算 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。 取水头部平剖面为菱形，整体为箱式。α角去90侧面进水。 设计水量：Q=500001.05=52500m3/d=0.608m3/s 自流管设计为两条，每条设计流量为： q=Q/2=0.608/2=0.304m3/s 初选自流管流速：v=0.8m/s 初步计算直径为： 选D=0.7m 采用DN700的钢管，自流管内实际流速为： 自流管损失按hw=hf+hj计算，其中： 水力坡度： 自流管沿程水头损失：Hf=iL=0.0011975=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+0.074=0.163m 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=0.70.608=0.426m3/s 此时管中流速为： 故障时产生的损失为hw’=hf’+hj’ hf’=iL=0.0019175=0.143m hj’==(0.1+1.01+0.2+1.0) hw=hf’+hj’=0.143+0.132=0.275m 考虑阻力增加因素，采用hw’=0.4m （3）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//=1.5m，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； 箱体处水深是3.95米； 河流最低水位为20m (保证率P=97%)。取水头部顶面距最低水位不低于0.5m，考虑航运船只吃水深度1.25m，所以取水头部顶面距最低水位以下的水深为1.25m。 （4）箱体设计尺寸： 自流管管径为 d=700mm 吸水喇叭口直径为D=1.4d=1.4700=980mm（一般取D=（1.3-1.5d））； 吸水喇叭口至墙体的距离：α2=0.8D=0.8980=784mm (一般取α2=（0.75～1）D) 取水头部墙体厚度δ=150mm； 取水头部箱体宽度为B=D+2α2+2δ=980+2784+2150=2848mm； 取水头部箱体长度为L=2（D+2α2）+3δ=2（980+2784）+3150=5546mm； 两根自流管之间的间距：S=L-2δ-2α2-D=2698mm （5）取水头部标高计算： 取水头部箱体顶部标高：20.00-1.25=18.75m 箱式取水头部底部标高：18.75-0.152-0.8-1.5-1.4=14.75m 取水头部自流管的中心标高：14.75+0.3+1/20.7=15.40m 喇叭口顶端标高：18.75-0.152-0.8=17.65m 河床标高：14.75+1.4=16.15m 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 2.3.3 集水井计算 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。 1、集水间计算 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=0.4m/s； 网眼尺寸：b=8mm8mm； 网丝直径：d=1mm； 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B1H1=2000mm2000mm，选用两个，格网外形尺寸BH=2130mm2130mm，其有效面积为2.76 m。 （3）集水间平面尺寸 采用四台泵（三用一备） 每个吸水管设计流量为： Q吸==0.203 m/s。 初选吸水管v吸=1.3m/s。（吸水管流速一般为1.0到1.5m/s） 初选管径d== =0.45 m。 选取管径d=500mm，V吸==1.0m/s。 集水间墙体厚度取500mm 1)吸水管吸水喇叭口直径为： D=(1.3~1.5)d=1.5d=1.5500=750mm。 2)喇叭口边缘距井壁间净间距： α吸2=0.8D =600mm。（系数一般采用0.75到1.0） 3)喇叭口净间距α吸1=1.8D =1350mm。（系数一般采用1.5到2.0） 4)喇叭口的最小悬空高度h1=（0.6—0.8）D，且h1≥0.5m,取h1=0.8D =600mm。 5)喇叭口的最小淹没深度h2≥0.5—1.0m，取h2=0.8m。 6)单个吸水间的宽度L吸=α吸1+2α吸2+2D=1350+2600+7502=4050mm. 7）格网出水至吸水喇叭口中心的流程长度L不小于吸水喇叭口直径的3倍，取3倍，即2250m。 8)单个吸水间的长度L吸=α吸2+0.5D+3D=600+0.5750+3750=3225mm。 （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=36.50+0.5+0.25=37.25m。 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=20.00-0.20-0.1=19.70m。 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 =19.70-0.2=19.50m 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： 19.50-0.1-0.2-1.8=17.40m。 吸水间最小水深=吸水间最低动水位-集水间底部标高=19.50-17.40=2.1m。 水泵的吸水喇叭口距吸水间底部的高度为：h1=（0.6—0.8）D，且h1≥0.5m,取h1=0.8D =600mm=0.6m。水泵的吸水喇叭口淹没水深为：h2≥1.0-0.5m，取h2=0.8m。则h1+h2=0.6+0.8=1.4m<2.1m。固可满足水泵吸水要求。 5)集水间深度： 顶部标高-底部标高=37.25-17.40=19.85m。 集水间深度校核： 当自流管用一根管输送Q=0.426m3/s，v=1.06m/s，水头损失为h=0.40m，此时吸水间最低水位为: 20.00-0.1-0.40-0.2=19.30m 吸水间最小水深为：19.30-17.40=1.9m小于1.4m，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。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=2.0kN； P——平板格网两侧水位差产生的压强，p=2.0kPa； F——每个格网的面积，F=2.75m； 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=(2.0+2.00.442.75)1.5=6.63kN B）吊架高度的计算与设备选择 平板格网高2.0m，格网吊环高0.25m，电动葫芦吊钩至工字梁下缘最小距离为0.78m，格网吊至平台以上的距离取0.2m，操作平台标高36.10m，则起吊架工字梁下缘的标高为： 36.10+0.2+2.0+0.25+0.78=39.33m 格栅起吊高度=起吊工字梁下缘的标高-电动葫芦吊钩至工字梁下缘最小距离-集水间底部标高-平板格网下缘与集水间底部高差-平板格网高-平板格网吊环高 39.33-0.78-17.90-0.2-2.0-0.25=18.20m 故选用MD1-24D型电动葫芦，起吊重量为9.80kN，起重最大高度为24m。 采用机械或水力方法及时清理格栅，在进水孔前设置挡草木排，在压力管中设除草器等措施可以有效防止水草堵塞进水口。 集水间设计详见图2-3：集水间平面图和图2-4：集水间剖面图。 图2-3：集水间平面图 图2-4：集水间剖面图