偏远地区小型取水口优化设计

偏远地区小型取水口优化设计

张建荣赵斌

中国电建市政建设集团有限公司天津300384

摘要：对东非偏远地区小型取水口建设案例进行了简单介绍，根据当地水文条件，将水库中心合建式取水构筑物方案优化为趸船取水方案，保证了工程效果，大幅提升了工程效益。

关键词：偏远地区取水口设计优化

前言

随着中国建筑承包商在海外承包市场的快速发展，需要面对各个发展阶段的建筑市场，各市场的施工资源差距很大，在成熟的建筑市场，能够通过分包和租赁资源来完成工程建设，在非洲偏远地区，由于当地缺少大型机械设备，主要依靠简易设备和人力施工，为此，在保证安全、质量的前提条件，需要工程师根据现有的、特定的条件，优化设计和施工方案以满足客户的需求，保证工程进度，顺利履约，同时也能通过切实可行的方案取得良好的经济效益。

一、工程介绍

2014年公司在肯尼亚承接一个小型的城镇供水项目，工程内容包含一个取水口。该取水口位于一个湖泊型水库中，离岸200米，枯、丰季节水深分别为5和26米，岸坡地势平缓，库底1米左右为淤泥。水库补给水源为地表水，水流速度0.5米/秒，流向不定，库区最大风速为浦福6级，全年库区无浪，无封冻期。水库内无明显的水生植物，库区内无通航要求，只有少量渔民捕鱼作业。

二、设计方案比选

原设计为取水口与泵站合建，位于水库中，泵房位于由四根混凝土桩基础支撑的平台上。按照此方案，须在水库中心部位进行灌注桩施工，需要设置水上施工平台。主要方法有两种。

第一，采用打桩船搭建水上施工平台或直接利用船体作为施工平台。由于当地没有可用水上施工设备，且工程体量不大，如果配备相关设备或者从外部调入，代价太大而且耗时过长。

其二、采用填土筑岛搭建施工平台，由于丰水深为26米，枯水季节仍有5米深，需要的填筑的土方量较大，施工完成后拆除填土的难度大，而且影响取水泵站的运行。

由此可见，如采用水库中心灌注桩施工工艺，不能获得满意方案，因此须从设计层面进行优化。

经详细勘察，该项目具有水库河床岸坡平缓、滩地宽阔，优质取水点离岸较远，取水量不大等特点，根据《城市给排水设计手册》，有三种方案可选。第一，开挖引水渠道从水库中心引水；第二，采用趸船取水；第三，取水量大或者配合景观设计时采用水库中心合建式取水构筑物。原设计采用的是第三方案。通过与业主和设计单位沟通后认为，该项目没有景观需求，取水量较小，施工难度大，工程造价高，因此整体性价比较低。对于第一方案业主单位担心渠道容易淤塞，后期维护难度大，而且水质不能保证，因此拒绝采用。考虑到水库水流不大，且流向不明确，全年无大风浪，枯、丰水期间水位差高达6米，满足趸船取水的应用条件，因此作为推荐方案和业主进行了充分沟通。经各方充分交流后认为，该方案可以满足业主的需求，后期维护方便，而且施工简单，整体造价大幅降低，无需大型施工设备即可完成，因此趸船取水方案最终获得了业主和设计的认同。

三、趸船设计稳定性验算

3.1趸船主要设计参数

现场趸船设计参数如表1。

表1浮船基本参数

3.2、校验目的

船设计已经完成，需要就浮船在最不利条件下，浮船整体的稳定性进行验算。主要有以下二个方面：

1）浮船在最不利风压力和水流力的作用下不产生移动。

2）浮船在最不利风压力力矩和水流力矩下不产生侧向滚动。

3.3、浮船所受风压力和水流力计

以下计算公式采用美国Quinn海港工程设计与施工

1）浮船所受的风压力Ru

Ru=0.00256U2kB（1）

式中：Ru风压力合力（磅）

U风速，可用最大风速（英里/小时）；

k船体体型系数，一般取1.3；

B浮船水上部分受风面积（平方英尺）。

第一情况风垂直吹长边面，面积计算如下：

分为a、b、c三个部分计算，顶棚部分受风面积Ba1、浮体露出水面受风面积Bb1，其余为中部支柱和各设备Bc1，分别计算如下：

Ba1=11×1=11平米=11×10.76=118.36平方英尺

Bb1=0.5×11=5.5平米=5.5×10.76=59.18平方英尺

Bc1=3×11×0.1=3.3平米=3.3×10.76=35.51平方英尺

总面积为213.05平方英尺。

第二中情况风垂直吹短边面，面积计算如下：

分为三个部分计算，顶棚部分受风面积Ba2、浮体露出水面受风面积Bb2，其余为中部支柱和各设备Bc2，分别计算如下：

Ba2=5×1=5平米=5×10.76=53.80平方英尺

Bb2=0.5×5=2.5平米=2.5×10.76=26.40平方英尺

Bc2=3×5×0.1=1.5平米=1.5×10.76=16.14平方英尺

总面积为96.34平方英尺.

代入公式（1）中得：

第一种情况：

Rua1=0.00256×242×1.3×118.36=226.89（磅）=1.00（千牛）

Rub1=0.00256×242×1.3×59.18=113.44（磅）=0.50（千牛）

Ruc1=0.00256×242×1.3×35.51=68.18（磅）=0.30（千牛）

Ru1=1.8（千牛）

第二种情况：

Rua2=0.00256×242×1.3×53.80=103.30（磅）=0.46（千牛）

Rub2=0.00256×242×1.3×26.40=50.69（磅）=0.22（千牛）

Ruc2=0.00256×242×1.3×16.14=30.99（磅）=0.14（千牛）

Ru1=0.82（千牛）

2）浮船所受的水流力Rv（磅）

作用在船体上的总水流力由两部分组成：水流冲击船体水下部分在垂直投影面上产生的动水压力Rvd和作用在船体浸润面上的摩擦力Rvf，两力的值由下列公式计算：

Rvd=2.86×Ad×Kd×V2（2）

Rvf=Af×Kf×V2（3）

式中：Rvd动水压力（磅）；

Rvf摩擦力（磅）；

Ad船体水下部分在垂直面上的投影面积（平方英尺）；

Af船体在此处键入公式。浸润面积之和（平方英尺）；

Kd常数，其值根据船体水下部分的形状变化于0.75-1.0之间，本项目取1.0.

Kf常数，其取值取决于浮船长度通常取为0.01；

V流速（节），本项目0.5米/秒，折合为0.97节。

第一种情况水流垂直长边面时：

Ad1=11×0.5=5.5平米=5.5*10.76=59.18平方英尺

Af1=（5+0.5×2）×11=66.00平米.00=66*10.76=636.78平方英尺

第二种情况水流垂直短边面时：

Ad2=5×0.5=2.5平米=2.50×10.76=26.90平方英尺

Af2=（5+0.5×2）×11=66.00平米=66.00×10.76=710.17平方英尺

将以上结果代入公式（2）和（3）得：

第一种情况：

Rvd1=2.86×59.18×1.0×0.972=159.25（磅）=159.25×0.45×9.8/1000=0.70（千牛）

Rvf1=636.78×0.01×0.972=5.99（磅）=5.99×0.45×9.8/1000=0.03（千牛）

第二种情况：

Rvd2=2.86×26.90×1.0×0.972=72.39（磅）=72.39×0.45×9.8/1000=0.32（千牛）

Rvf2=710.17×0.01×0.972=6.68（磅）=6.68×0.45×9.8/1000=0.03（千牛）。

3.4、浮船受力分析

通过第三章分析第一种情况即风压力和水流力垂直浮船长边作用时为最不力条件。

针对浮船在水平面上不能产生明显位移，其受力分析如下图4：

1)

图5浮船力矩分析

以浮船bc侧吃水线为转动轴，受到的力矩情况如下：

作用于顶棚的风压力Rua，其力臂L1为4.00米；

作用于水面以上的浮船体的风压力Rub，其力臂L2为0.25米；

作用于浮船围栏就、设备的风压力Ruc，其力臂L3为2.00米；

水流力Rvd，其力臂L4为0.25米；

水流力Rvf，其力臂L5为0.5米；

水浮力F与船体重力G的力矩相抵消；

锚链Ta和Td，定义单根在垂直方向上的拉力Tv，其力臂L6为11米；

力矩平衡方程如下：

Rua×L1+Rub×L2×Ruc×L3+Rvd×L4+Rvf×L5=2×TV×L6（5）

早八点以前或下午四点以后光照强度极低，光伏组件与逆变器均无法达到工作条件，因此下文仅对早八点到九点、下午三点到下午四点光伏阵列出现的遮挡情况进行分析。

对比阵列布置间距5280mm和8000mm两种设计方案的无遮挡时间，经对比可知，在存在遮挡情况的11月10日到次年1月31日的时间段内，间距8米的方案较5.28米的方案在早八点和下午四点左右分别多26到41分钟的完全无遮挡时间，而且每天早晚得遮挡时间关于当天12点对称，每日遮挡情况基本关于12月22日对称。

二）辐射量分析

根据收集到的11月小时辐射观测数据，辐射数值的日变化规律显著，基本上遵循正态分布规律，计算11月11日到11月30日的小时观测数据的平均值，对数据进行分别正态分布拟合，得到辐射值正态分布曲线，经过北京时间和当地真太阳时的换算，对应前面遮挡分析的结果，可以通过上面曲线计算得出遮挡时间的水平面上的总辐射值和散射值。再根据水平面到光伏组件倾斜面上直接辐射与散射的对应关系，可以计算得到倾斜面上的总辐射值。

三）发电量分析

根据光伏组件特性，低照度下光伏组件的转换效率会降低，光辐射强度为200W/m2时，效率下降月6%，光辐射强度低于200W/m2时，效率和开路电压会继续降低。

分析遮挡时段均为低照度情况，转换效率在此均按照200W/m2的6%计算，考虑系统效率80%，电池转换效率14%，得到电池板对辐射能量的综合转换效率为10.5%。根据计算出的各时刻辐射值推算全部遮挡时间所能产生的电量，按照遮挡情况下光伏阵列全部停止发电考虑（在有遮挡情况下阵列仍应有发电，只是效率会大幅下降），则采用8000mm较5280mm设计方案每年最多多发电量约为42.93万kWh。

四）经济分析

光伏阵列间距采用8000mm较5280mm设计方案带来征地面积的增加、电缆长度的增长以及场平工作量的增加，分别估算用地、电缆长度、场平工作量几项费用可知，采用8000mm方案较5280mm方案会增加初始投资235万元，以及运营期每年多缴土地使用税16.1万元，按照8%的折现率，摊到运营期平均每年约增加费用38.11万元。

四结论

根据以上分析，可以得到结论如下：

1、项目的光伏阵列布置符合设计规范，满足规范要求的最小布置形式；

2、项目的光伏阵列布置与当地附近其他设计院所设计项目的设计取值相近；

3、对比扩大间距（8000mm）设计方案，项目节约占地约400亩，所节约用地可扩建光伏规模超过10MW；

4、按照遮挡时段光伏阵列全部不发电的最坏情况考虑，采用8000mm较5280mm设计方案每年多发电量最多约为42.93万kWh，带来售电收入（含税）每年增加最多约49.37万元，但投资和占地的增加带来费用每年增加38.11万元。

综上所述，项目的现有设计方案在技术角度上已经满足相关规范的要求，并结合工程设计相关经验，多种方案比较表明，工程经济上节省与扩大间距方案带来的收入与费用相当，规划上可以节约土地带来续建规模的扩大，因此现有5280mm间距的设计是合理有据的。

参考文献：