本发明涉及水利水电工程领域，具体涉及一种适应高水头小流量的分层取水结构。
背景技术：
基于生态环保考虑，水库泄放生态流量需采用分层取水口，目前，分层取水进水口一般采用矩形进水塔结构，大型工程多在进水塔内设置叠梁门实现分层取水，中小型工程一般在进水塔从上到下设置多层取水流道，在每层取水流道内设置一扇闸门实现分层取水。
对于大型工程，采用矩形进水塔，设置叠梁门分层取水较为合适，但对于中小型工程，尤其是高水头小流量分层取水工程，从上至下设置多层取水闸门会加大坝体厚度，增加了水利设施工程建设成本。另外目前分层进水塔取水后与有压隧洞衔接，需要在有压隧洞末端设置控制闸，投资和运行费用较高，若后接无压洞，会导致取水流道内产生负压，不满足设计要求；并且在一些水利工程中，由于地理条件的原因没无法在隧洞末端设置控制闸，无法满足工程的要求。
技术实现要素：
本发明的目的在于，提供一种适应高水头小流量的分层取水结构，本发明主要适用于小流量取水工程，相对传统方法，具有结构合理，功能实用，操作安全方便、节省投资的技术优势。
为此，本发明采用以下技术方案：
一种适应高水头小流量的分层取水结构，其特征在于：包括呈圆筒形设置的进水塔塔体，进水塔塔体在水下靠库边设置，进水塔塔体内部设置多个水平分层取水管道，多个水平分层取水管道的末端均与取水主管相连接，取水主管竖直布置在进水塔塔体的外部，取水主管出口设置消能池，消能池出口连接无压输水隧洞，所述取水主管上设置多个消能孔板，每个消能孔板的位置对应设置在相邻两个水平分层取水管道之间。
进一步的：所述取水主管由多个小段连接构成，每小段取水主管的端部设置法兰盘，相邻两个小段的取水主管之间通过法兰盘进行连接，所述消能孔板固定设置在相邻两个法兰盘之间。
进一步的：所述消能孔板为一环形孔板，相邻两个法兰盘间通过多个螺栓进行连接，所述消能孔板的外径与法兰盘外径一致或接近一致，消能孔板的内径小于取水主管的内径。
进一步的：所述进水塔塔体内部设有多层楼板。
进一步的：所述进水塔塔顶设置阀门控制室兼启闭机房，进水塔塔顶设置交通桥与水库岸边进行连接，所述进水塔塔体内不同高程的楼板之间设置楼梯，且每个楼层之间均设有吊物兼通气孔。
进一步的：所述水平分层取水管道上设有电动控制阀门，进水塔塔体顶部的水平分层取水管道上还设有空气阀，空气阀设置在控制阀门的后侧。
进一步的：所述消能池的顶部布置通气孔，通气孔的出口与吊物兼通气孔连通。
进一步的：所述进水塔塔体混凝土厚度采用变截面厚度，底部进水塔塔体的厚度大于靠近进水塔顶部的混凝土厚度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明主要适用于小流量取水工程，相对传统方法，具有结构合理，功能实用，操作安全方便、节省投资等很多技术优势，具体优点如下：
1、本发明方案采用圆筒形塔体，结构受力均匀，且将取水主管布置在塔体外部，可以大量减少取水塔塔体混凝土截面面积，大量节省工程建设成本。
2、本发明方案在各个水平分层取水管道上设置电动控制阀门，操作安全方便。本发明方案在取水主管不同高程设置多个消能孔板消能，可以有效消除取水管道内的负压，且结构简单，安装方便。
3、本发明方案将原本在水利工程中为满足其他设计要求设置的导流信号洞进行进一步的利用，且无需在隧洞的末端设置控制闸，可以节省大量投资和运行费用；本发明在取水主管出口设置消能池，可以保证消能池内水流与尾水隧洞水流平稳衔接，从而实现取水塔后接无压输水隧洞的目的。
4、本发明方案吊物孔兼做通气孔，节省了输水隧洞进口通气孔单独布置，另外在最上层水平分层取水管道上设置空气阀排气，节省了投资且减小了工程实施难度。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1a-a处的剖视图；
图3是图1a处的局部放大图；
图4是图3b-b的剖视图。
附图中的标记为：1-进水塔；2-水平分层取水管道；3-取水主管；4-消能孔板；5-消能池；6-通气孔；7-取水主管出口；8-无压输水隧洞；9-控制阀门；10-空气阀；11-楼板；12-阀门控制室兼启闭机房；13-交通桥；16-吊物兼通气孔；17-楼梯；18-消能孔板；19-消能孔板内壁；20-法兰盘；21-螺栓；24-消能孔板外壁。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
如图1-图4所示，本发明提供的一种适应高水头小流量的分层取水结构，包括呈圆筒形设置的进水塔1塔体，进水塔1塔体在水下靠库边设置，进水塔1塔体内部设置多个水平分层取水管道2，相邻两个水平分层取水管道2的间距相同，多个水平分层取水管道2的末端均与取水主管3相连接，取水主管3竖直布置在进水塔1塔体的外部，取水主管3出口设置消能池5，所述取水主管出口7和消能池5的底部高度低于进水塔1塔体内部底部的高度；若取水管道内为无压流会引起管道振动及强大的噪音，为保证进水塔1工作环境及稳定性，要求水平分层取水管道2和取水主管3内为有压流，因此，取水主管出口7设置消能池5，取水主管出口7和消能池5底部的高度均低于无压输水隧洞8底部的高度，且取水主管3出口淹没出流，以保证取水主管3内为有压流，消除取水主管3出流的富余水头，保证消能池5内水流与尾水隧洞水流平稳衔接，消能池5出口连接无压输水隧洞8，所述取水主管3上设置多个消能孔板4，每个消能孔板4的位置对应设置在相邻两个水平分层取水管道2之间。。所述水平分层取水管道2的数量及间距根据取表层水的范围确定，最上层水平分层取水管道2应布置在正常蓄水位以下，最下层水平分层取水管道2应布置在死水位以下。
本发明的分层取水结构适用于高水头小流量的取水工程，取水管一般在0.3～1.5m之间，超出范围应该与常规进水塔1做经济对比分析。当取水主管3内的水流通过取水主管出口7流入消能池5时，水流会产生波动，形成浪高，导致水流在流入无压输水隧洞8时，撞击无压输水隧洞8与消能池5连接部位的隧洞洞口上方，导致无压输水隧洞8内部产生压力，无法满足无压输水隧洞的要求，因此，本发明将隧洞洞口顶部设置向上倾斜的斜坡，防止水流对隧洞洞口顶部进行撞击。
所述取水主管3由多个小段连接构成，每小段取水主管的端部设置法兰盘20，相邻两个小段的取水主管之间通过法兰盘20进行连接，所述消能孔板4固定设置在相邻两个法兰盘20之间。为满足低水位取水量要求，取水主管3直径按最低取水管道取水设计，导致其它取水管道取水时，存在富余水头，从而在管道内产生负压，会导致管道压瘪或管道内水体气化，危害较大。所以本发明在相邻两个水平分层取水管道2之间布置一个消能孔板4，消能孔板4的设计应正好消除两个相邻水平取水管道之间的水头，消能孔板4主要参数为孔板过流面积，该参数可由模型试验或流体力学仿真技术(cfd)确定。
所述消能孔板4为一环形孔板，材质为钢板，相邻两个法兰盘20间通过多个螺栓21进行连接，所述消能孔板4的外径与法兰盘20外径一致或接近一致，消能孔板4的内径(过流孔口半径)小于取水主管3的内径，当取水主管3内部的水流经过消能孔板4时，由于消能孔板4的内径(过流孔口半径)小于取水主管3的内径，水流产生突然收缩和突然放大的局部阻力，从而降低水体的势能，达到消能的效果。
所述进水塔1塔体内部设有多层楼板11，且每个楼板11均对应布置在每个水平分层取水管道2的下方，最顶层的楼板11设置在阀门控制室兼启闭机房12的下方，设置楼板11可方便工作人员进行检修。
所述进水塔1塔顶设置阀门控制室兼启闭机房12，进水塔1塔顶设置交通桥13与水库岸边进行连接，所述进水塔1塔体内不同高程的楼板11之间设置楼梯17，且每个楼层之间均设有吊物兼通气孔16。
所述水平分层取水管道2上设有电动控制阀9门，每个水平分层取水管道2上均单独设置一个电动控制阀门9，满足自动控制需求，对于控制阀门9的设置，底部水深较深部位可选择承压能力更好的阀门，顶部选择承压能力相对较弱的阀门，满足承压和控制要求即可。进水塔1塔体顶部的水平分层取水管道2上还设有空气阀10，空气阀10设置在控制阀门9的后侧，空气阀10的设置满足排气要求。
所述消能池5的顶部布置通气孔6，通气孔6的出口与吊物兼通气孔16连通，以保证消能池5及无压隧洞进口为无压流。设置通气孔6以保证消能池5及无压隧洞进口为无压流，本发明将通气孔6与进水塔1内吊物孔连接，利用吊物孔通气，一般设计流量较小，通气量相对吊物孔来说较小，风速较小，不影响吊物功能，设计时应考虑风速要求。另外消能池5顶部通气孔6设计时，应尽量考虑利用通气孔6对消能池5进行检修，尤其下游无压隧洞较长或者隧洞断面较小，检修不方便时。
所述进水塔1塔体混凝土厚度采用变截面厚度，进水塔1塔体底部的厚度大于靠近进水塔1顶部的混凝土厚度。进水塔1塔体底部承受水压力较大，因此，适当加厚塔体厚度，靠近进水塔1顶部可适当减小塔体混凝土厚度，达到节省工程投资的目的。
本发明根据取水水库水位落差范围及取表层水的深度确定水平分层取水管道2的布置数量和每一层管道的布置高程，要求各管道之间高程差相等。根据取水流量确定分层取水管道、取水主管3的直径及控制阀9门的参数。同时满足取水管道、楼梯17和吊物孔等布置要求设计圆筒形进水塔1的尺寸。
以上实施例仅为本发明的一种较优技术方案，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明的原理和本质情况下可以对实施例中的技术方案或参数进行修改或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
1.一种适应高水头小流量的分层取水结构，其特征在于：包括呈圆筒形设置的进水塔塔体，进水塔塔体在水下靠库边设置，进水塔塔体内部设置多个水平分层取水管道，多个水平分层取水管道的末端均与取水主管相连接，取水主管竖直布置在进水塔塔体的外部，取水主管出口设置消能池，消能池出口连接无压输水隧洞，所述取水主管上设置多个消能孔板，每个消能孔板的位置对应设置在相邻两个水平分层取水管道之间。
2.根据权利要求1所述的一种适应高水头小流量的分层取水结构，其特征在于：所述取水主管由多个小段连接构成，每小段取水主管的端部设置法兰盘，相邻两个小段的取水主管之间通过法兰盘进行连接，所述消能孔板固定设置在相邻两个法兰盘之间。
3.根据权利要求2所述的一种适应高水头小流量的分层取水结构，其特征在于：所述消能孔板为一环形孔板，相邻两个法兰盘间通过多个螺栓进行连接，所述消能孔板的外径与法兰盘外径一致或接近一致，消能孔板的内径小于取水主管的内径。
4.根据权利要求1所述的一种适应高水头小流量的分层取水结构，其特征在于：所述进水塔塔体内部设有多层楼板。
5.根据权利要求4所述的一种适应高水头小流量的分层取水结构，其特征在于：所述进水塔塔顶设置阀门控制室兼启闭机房，进水塔塔顶设置交通桥与水库岸边进行连接，所述进水塔塔体内不同高程的楼板之间设置楼梯，且每个楼层之间均设有吊物兼通气孔。
6.根据权利要求1所述的一种适应高水头小流量的分层取水结构，其特征在于：所述水平分层取水管道上设有电动控制阀门，进水塔塔体顶部的水平分层取水管道上还设有空气阀，空气阀设置在控制阀门的后侧。
7.根据权利要求5所述的一种适应高水头小流量的分层取水结构，其特征在于：所述消能池的顶部布置通气孔，通气孔的出口与吊物兼通气孔连通。
8.根据权利要求1所述的一种适应高水头小流量的分层取水结构，其特征在于：所述进水塔塔体混凝土厚度采用变截面厚度，底部进水塔塔体的厚度大于靠近进水塔顶部的混凝土厚度。
技术总结