6.3 取水口型式及方案论证
6.3.1 取水形式
根据 《海南省五指山市供水工程水源规划报告》及其他相关规划报告，可供取水水源主要是南圣河，而南圣河上游五指山河和七指岭河支流交汇以下主流河段目前正在开展红峡谷旅游项目，不能作为城市供水水源地。可供取水水源地只能在南圣河上游五指山河和七指岭河两条支流选取。经现场查勘、可供水源初步分析并结合五指山市相关规划，初步选择五指山河取水口位于北距军民村1.3km的峡谷地段，七指岭河取水口位于五指山河和七指岭河交汇处上游约0.9km河道相对缩窄处。根据前述方案论证，本阶段采用五指山河取水枢纽取水方案。
根据五指山河取水口附近水文条件、地形条件、拟建水厂设计高程、沿线管线布置情况进行计算分析，取水工程可以满足重力流取水方式。经工艺方案论证比选，推荐采用重力流引水方案。因此，取水枢纽只考虑进水间和拦河建筑物的布置，不考虑泵站取水形式。
结合坝址地形条件，进水间采用岸边式布置。在推荐坝址处拦河修建低溢流堰和泄冲闸控制水位，其上游左岸布置进水间，进水间内布置供水管道，溢流堰和泄冲闸联合运用，保证正常情况下进水间水位满足重力流取水条件。
6.3.2 取水构筑物形式及方案论证
取水构筑物按构造形式可分为固定式和移动式，而固定式又有岸边式、河床式、斗槽式、底栏栅式、低坝式、库坝式等多种形式；移动式又有缆车式、浮船式两种。
6.3.2.1 取水构筑物设计原则
（1）应保证在枯水季节仍能取水，并满足在设计枯水保证率下取得所需的设计水量。
（2）当自然状态下河流不能取得所需设计水量时，应修拦河坝或其他确保可取水量的措施。
（3）在洪水季节取水构筑物应不受冲刷和淹没。设计最高水位和最大流量一般按100年一遇的频率确定（小型取水构筑物按供水对象可适当降低标准）。
（4）在取水构筑物进水口处，一般要求不小于2.5～3.0m的水深；对小型取水口，水深可降低到1.5～2.0m，当河道最低水位的水深较浅时，应选用合适的取水构筑物形式和设计数据。
（5）作为生活饮用水水源的水质，应满足处理后的水质满足生活饮用水标准。
（6）取水构筑物应尽量选在地质构造稳定，承载力高的地基上。
（7）应考虑选在对施工有利的地段，尽量做到交通运输方便，有足够的施工场地，较小的土石方和水下工程量。
6.3.2.2 地表取水构筑物型式、特点及适用条件
1.移动式取水构筑物
移动式取水构筑物型式、特点及适用条件见表6.3-1。
表6.3-1 移动式取水构筑物型式、特点及适用条件较表
续表
本工程所在五指山河，为南圣河的支流。南圣河流域上游降水量大、下游降水量小，年内分配极不均匀；水源水位的变化幅度不大，枯水期来水量较少；且岸坡陡直，没有适应的倾角；台风季节风力较大。因此移动式取水形式不适合本工程的地形、气象、水文情况，不能满足取水保证率，设计方案不予考虑。
2.固定式取水构筑物
固定式取水构筑物型式、特点及适用条件见表6.3-2。
表6.3-2 固定式取水构筑物型式、特点及适用条件较表
在山区河流上，常用低坝式和底栏栅式取水构筑物。根据本工程所在五指山河的地形及水文气候等条件，适宜采用固定式取水形式的低坝式取水构筑物。对于低坝式会发生坝前淤积的问题，采取设泄洪冲沙闸来解决。具体设计见6.3.2取水枢纽布置方案论证。
6.3.3 取水枢纽布置方案论证
6.3.3.1 无坝取水与有坝取水方案
1.无坝取水
当河道的枯水位和流量都能满足灌溉、城市供水要求时，不需要在河道上修建拦河建筑物（闸坝等），只需在河岸上适宜地点开渠并修建取水建筑物，从河流侧面引水，即无坝取水。
无坝取水特点是不需修建拦河建筑物，工程对天然河道影响较小，具有工程简单、投资少、施工容易、工期短等优点，缺点是不能控制河道的水位和流量，枯水期引水保证率低，在多泥沙河流上引水时，还可能引入大量的泥沙，使渠道发生淤积现象，影响渠道正常工作。
2.有坝取水
当河道水量比较丰富，但水位较低，不能保证自流引水，或引水量较大，无坝取水不能满足要求时，则可拦河筑坝，壅高水位，保证引取的流量满足城市供水所需流量，这种方式即为有坝取水。
3.推荐方案
本工程所在河流为五指山河，为南圣河的支流。南圣河流域地处北热带与中热带接壤地区，为热带岛屿季风气候，高温多雨，季节分明。流域上游降水量大、下游降水量小，多年平均降水量2270.1mm，年内分配极不均匀，5—11月降水量约占全年降水量的83%，其余月份仅占17%；夏秋季台风活动频繁。
根据搜集的水文资料分析，枯水期来水较少，不修建拦河建筑物水位和流量将不能满足供水工程饮水保证率的要求，必须壅高水位，一方面保证引水所需流量，另一方面满足工程重力流所需要的设计水位。
综上所述，本工程必须采用有坝取水方案，即需要修建拦河建筑物壅高水位才能保证正常引水。
6.3.3.2 泵站取水与重力流取水方案
本供水工程采用有坝取水方式，拦河建筑物采用溢流堰+泄冲闸的组合型式。
根据初步拟定的泵站引水方案，泵站引水最低液位要求为462.50m，溢流堰的高程确定根据泵站最低液位要求并考虑壅高水位对上游河道的影响，初步拟定堰顶高程为463.50m，堰高3.5m。对重力自流方案，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。
初步拟定的泵站取水方案是在五指山河C取水口处左岸岸坡修建一座取水泵站，厂区地面高程为471.00m，基本与公路同高。泵站采用正向进水，由进水流道、进水间、泵站厂房和管道组成，占地面积约260m2。土建按照提水1.65万m3/d总规模一次建成。均采用钢筋混凝土结构。泵站需安装3台机组，两用一备。进水流道上部厂房及泵房上部厂房需分别安装桥式及悬挂式起重机对设备进行检修起吊。
重力自流方案的厂区布置及土建提水规模同泵站方案。进水流道、进水间的尺寸均小于泵站方案，占地面积约100m2。不需要机组及大型起吊设备，仅需一台固定卷扬式启闭机对进水流道的拦污栅和检修闸门进行起吊，在进水间设闸板阀进行检修控制。
综合比较，重力流方案较泵站取水方案占地少、不需泵房和机电设备、运行维护简单、投资及管理费用低，故推荐重力流取水方案。
6.3.3.3 拦河建筑物布置方案
本工程采用有坝取水方案，拦河建筑物的形式有溢流堰、拦河闸等，结合本地区河流的特点，选择该地区常见的水力自动翻板闸、常规的泄洪闸、溢流堰、底横轴旋转（钢坝）闸门等形式进行对比。
由于本工程一方面要求壅高水位，同时还必须满足正常泄洪、下游河道用水、生态流量等要求，全部采用溢流堰方案是不可行的，采用全闸方案投资明显偏大，因此针对溢流堰和拦河闸的特点将其二者组合，以下对翻板闸（水力自动翻板闸）+泄冲闸布置方案、溢流堰+泄冲闸方案、底横轴旋转（钢坝）闸门三种组合进行比选。
1.翻板闸+泄冲闸布置方案
翻板闸+泄冲闸布置方案为在河道左岸布置1孔泄冲闸，泄冲闸满足低水位泄流和排沙的需要，翻板闸布置在河道右岸，水位高出正常蓄水位时满足泄洪的需要。
五指山市常见的翻板闸为造价较低、无人值守管理的滚轴连杆式水力自动翻板。翻板闸能根据上游水位自动调节，造价低，结构简单，施工期短，管理运行方便，但也存在很多问题，主要有：①阻水，经不住特大洪水的冲击，易被洪水冲毁，全国每年都有大批翻板闸被洪水冲毁；②易被漂浮物卡塞或上游泥沙淤积造成不能自动翻板而影响防洪安全；③洪水过后，翻板门再关上时被异物卡住，造成大量漏水，无法正常蓄水工作；④上游漂浮物无法清理，使河道脏乱。泄冲闸采用单孔设计，布置在河道左岸，定期开闸冲沙以保证进水流道前不淤积。翻板闸+泄冲闸布置方案纵剖面见图6.3-1。
图6.3-1 翻板闸+泄冲闸布置方案纵剖面
该工程为城市供水工程，工程区位于五指山河峡谷地段，取水枢纽推算的设计洪水位为468.60m，而闸堰设计挡水位为464.50m，洪水来时将大部分从翻板闸顶通过，很可能冲毁翻板闸。
2.溢流堰+泄冲闸方案
溢流堰+泄冲闸方案是在河道的左岸布置2孔泄冲闸，满足低水位泄流和排沙的需要，溢流堰（低堰）布置在河道右岸，水位高出正常蓄水位时满足泄洪的需要，泄洪闸可以与溢流堰共同泄洪。
溢流堰结构简单、强度高、自稳性好、不需运行管理。与翻板闸对比，主要有以下优势：①水位高于堰顶高程时，从堰顶溢流，能经受洪水的冲击，不易被冲毁；②堰体防渗性好，能满足正常蓄水工作；③上游漂浮物可采用清淤设备及时清理，保持河道清洁。缺点是堰前可能在多泥沙期形成一定程度的淤积。
该方案布置2孔泄冲闸，闸堰前的部分淤沙可通过加大泄冲闸尺寸，增大冲沙能力来解决，保证进水间安全引水。对于河道右岸溢流堰侧淤沙严重时则需要采用清淤设施不定期进行清淤。
溢流堰+泄冲闸布置方案纵剖面见图6.3-2。
图6.3-2 翻板闸+泄冲闸布置方案纵剖面
3.底横轴旋转（钢坝）闸门
底横轴旋转（钢坝）闸门是一种新型可调控溢流闸门，它由土建结构、钢性门体、液压驱动装置、液压锁定装置、电器控制设备等组成。这种闸门适合于河道孔口较宽（适合10～60m）而水位差比较小的工况（适合1～5m），由于它可以设计得比较宽，可以省去数孔闸墩，所以不仅结构简单，可以节省不少土建投资，而且可以立门蓄水，卧门行洪排涝，还可以利用门顶过水，形成人工美丽景观。底横轴旋转（钢坝）闸门结构见图6.3-3。
图6.3-3 底横轴旋转（钢坝）闸门结构示意图
底横轴旋转（钢坝）闸门缺点是造价较高，维修成本也高，造价是普通闸门的2倍以上，运行可靠性不如普通平板闸门，排沙灵活性不如泄冲闸+溢流堰方案。
4.推荐方案
通过以上比较可知，本工程为城市供水工程，供水安全十分重要，枢纽设计洪水位和校核洪水位比正常运用时的河道蓄水位高出2m以上，采用“翻板闸+泄冲闸”方案在大洪水时翻板闸泄洪存在易被冲毁、易被漂浮物卡塞、淤积致闸门不能自动反转等问题，采用底横轴旋转（钢坝）闸门造价昂贵。经投资分析，翻板闸+溢流堰方案的建筑工程投资为942万元，泄冲闸+溢流堰方案的建筑工程投资为834万元，底横轴旋转（钢坝）闸门更高。综合比较，溢流堰+泄冲闸的方案优势比较明显，故推荐溢流堰+泄冲闸的方案。
6.3.3.4 进水间布置方案
1.进水方案选择
进水方案的选择不仅与坝址所处的地形条件、地质条件、水文泥沙条件有关，还与取水方式、堰后引水管道的布置等多种因素相关。
坝式进水口布置在坝体内，进水口与坝体连为一体。本工程引水管道靠近五指山河左岸岸边，左岸布置有冲沙闸，采用坝式进水方式是不合适的。
塔式进水是引水工程在库区常见的取水方式。当水库岸边地质条件差或地形平缓、不宜在岸坡上修建进水口、或采用隧洞（竖井）式进水口等会引起过大的挖方时，可采用塔式进水方式。本工程岸边地质条件好、岸边陡峻，采用塔式进水口将严重影响河道泄洪，没有任何优点，显然不能考虑塔式取水方式。
隧洞（竖井）式进水口是将进水间、检修闸等安设在从岩体开挖出来的竖井中，由进口段（隧洞）、闸门段、渐变段等组成，渐变段后接压力隧洞或竖井内泵抽提水至地面引水管道等。本工程若采用隧洞（竖井）式进水口将使施工方案复杂、工程量很大，且由于引水管道靠近五指山河左岸岸边地下埋设，没有后接的隧洞，采用隧洞（竖井）式进水口同样没有可比性。
岸边式取水是直接从河流岸边取水的建筑物，由进水流道、进水间等组成，适用于河岸较陡、主流靠近河岸、并有一定的水深等、水质和地质条件较好的情况。该方式取水简单、施工方便、投资最省。本工程位于五指山河，水质和地质条件很好，且河道狭窄，配合泄冲闸和溢流堰，取水有保证，因此，本工程选取岸边式直接取水方案。
2.进水间布置方案
进水间布置在泄冲闸上游侧河道左岸。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（采用正向进水方式）。根据工艺布置管线的要求，进水间直埋两根引水管进行取水，为保证单管检修时不影响取水，将两根管道隔开单独运行，用闸板阀控制闸孔的开闭。