外置式攔污柵在小水電站的應用分析

【摘要】在一些小水電采用外置式攔污柵，能夠經濟有效地解決一些低水頭小水電站，因上游污物來量集中或單塊重量太大，而威脅攔污柵的過流能力和安全，影響電站機組的正常運行。

【關鍵詞】水電站；攔污柵；利用；方法

低水頭徑流式小水電站（以下簡稱電站）的站址一般處于河流的中下游河段，站址以上集雨面積大，流經人類聚居點多，這些河段的河水往往具有流量大、污物多的特點。每當雨季來時，河流的中上游，都有大量的污物被沖入河中，隨河水流走，給中下游的電站的正常運行造成嚴重的威脅。

據調查，大部分的電站都遭遇過污物帶來的麻煩。污物的影響一般來自于兩種情況：一種是大塊的污物，如枯木、樹根等，這樣的污物撞擊攔污柵，輕則使柵條變形，重則撞破攔污柵，威脅機組的安全，這種污物很難清除，若不及時清除會影響電站出力；另一種是成片的漂浮污物，由于種種原因，河面漂浮污物容易集中連成片，當大片的漂浮污物進入電站流道時，在水流的推動下緊緊附著在攔污柵上，在短短的幾秒鐘內，攔污柵的過流能力迅速降低，需要緊急停機清污，嚴重的會損壞機組或電氣控制設備。 

對于這個問題，目前最為有效的解決辦法是把攔污柵移出電站外，設于進水渠口，這樣就能擴大攔污柵面積，降低過柵流速，消除污物的不利影響。下面對外置式攔污柵的特點、設計方法及優點等進行詳細的論述。

1. 電站攔污柵的布置特點

電站攔污柵布置一般有兩種方式：一種是外置式，攔污柵布置在電站進水渠口，離開廠房有一定的距離，柵墩是獨立于廠房的砼結構，與廠房砼結構沒有聯系，柵葉立面布置一般設75°傾角，攔污柵底坎與攔砂坎結合設計，以降低土建投資。另一種是內置式，攔污柵就布置在電站廠房前部，柵墩屬于廠房的一部分，攔污柵一般設一個傾角，后面是機組檢修閘門；

外置式的布置特點是：所有的機組共用一道攔污柵，攔污柵總面積大，深度小，過柵流速較小，一般在0.8m/s以下，尤其是電站不滿發時，過柵流速更小，且流速分布較為均勻，清污方便容易。 

內置式的布置特點是：每臺機組具有獨立的攔污柵，柵面積小，深度大，過柵流速較大，一般達到1.5m/s以上，且流速分布不均勻，靠近流道口處的過柵流速更大，清污困難。

2. 外置式攔污柵的計算

外置式攔污柵的由兩部分組成——柵座及柵葉，由于攔污柵所受的荷載不大，故柵葉的強度易滿足要求，但要做到結構簡單、運行安全、經濟實用的設計目的也不易。帶來困難的不是計算方法，而是一些計算參數的確定，這些參數直接影響攔污柵的經濟及安全性，這些參數是過柵流速、設計水頭及柵座抗傾安全系數K。下面就這幾個重要參數的計算和取值進行計算分析。

2.1過柵流速的計算及確定。

過柵流速是指水流在攔污柵內的流速，用公式表達為：V=Q/A，Q——通過攔污柵的流量，A——水面以下的攔污柵面積，需要扣除攔污柵的主次梁框架面積（可按孔口的15%計算），但柵片的面積不扣除。過柵流速太大，則水頭損失較大，漂浮物的沖擊力也比較大；過柵流速太小，水頭損失很小，但柵面積就較大，造價較高。

筆者通過對設計過程中理論上的不同流速的經濟比較，及建成后實際運行效果比較，認為過柵流速V=0.6~0.8m/s較為合適。通過調整攔污柵的底坎高程，改變攔污柵高度，或調整攔污柵平面軸線與電站進水方向的夾角，改變攔污柵總長，都可以調整過柵流速的大小。 

2.2攔污柵設計水頭的選擇。

攔污柵設計水頭是指電站滿發，攔污柵正常工作時，攔污柵前后可能出現的最大的水位差。這個參數目前沒有可靠的計算方法，它是隨時都會變化的，與水位、流量及柵上的污物附著量等多種因素有關。一些設計手冊認為攔污柵的設計水頭取2~4m較合適，但目前不少低水頭電站，設計水頭在5m以下，最低的只有2m多，故攔污柵設計水頭取2~4m，顯然太高了，據此設計的攔污柵造價必然很高，故應該具體問題具體分析。 

筆者認為根據過柵水深及河流污物情況，來確定攔污柵的設計水頭較為合理。據實際經驗，低水頭電站過柵流速的攔污柵設計水頭取0.5~0.8m已足夠了。通過計算可以知道：當攔污柵實際水頭達0.5m時，在此水頭作用下的過柵流速為2.3m，在過流量不變的前提下，此時攔污柵被堵的面積約2/3。而這種情況在實際運行時是不會出現的，原因是：河面污物是以漂浮物為主，當過柵流速較小時，攔污柵前污物會積成片，上部是堵住了，但中下部是暢通的。故選擇攔污柵設計水頭時，過柵水深大、污物多的取大值，過柵水深小、污物少的取小值，污物多少可大致按電站上游流域面積來判斷。 

2.3柵座抗傾穩定系數K的計算。

柵座抗傾穩定系數K，是柵座的抵抗轉動彎矩MG與轉動彎矩MF的比值，即K=MG/MF，是衡量柵座抗傾穩定性的參數。柵座承受的荷載來自于攔污柵，攔污柵的主要的荷載是動水壓力，這是一個均布的面積力，其大小為p=γh，γ是水容重，大小為9.8KN/m2，h是攔污柵的設計水頭，按上面的分析進行選擇。代入h計算可以知道，攔污柵的荷載并不大，只有5~8KN/m2，故柵座的結構強度和抗滑穩定性容易滿足要求。正是由于荷載小，柵座的結構尺寸比較小，這使得抗傾穩定成了柵座是否安全的控制條件。實際設計中要考慮到計算誤差和不可預見的不利因素，要求達到K≥2，同時，為了保證柵座結構的經濟性，K值也不宜取太大，以K<3為好。 

K值計算中要注意的兩個易出錯的地方：一是轉動中心的確定，計算假設基礎承載力是足夠的，故當柵座發生轉動時，一定是繞著底板下游立面最低點轉動的，這點就是彎矩計算的轉動中心點；二是計算結構自重時，水下部分結構要用浮容重計算。注意了這些易出錯的地方， K值就計算準確了。

3. 外置式攔污柵的優點

3.1對污物適應性強。

攔污柵外置后，它的面積大幅度增加，過柵流速大幅度降低，這增強了對不規則污物的適應性。故外置攔污柵能較好地消除成片污物，或大塊的污物對電站正常運行的影響，提高了攔污效果。 

當漂浮的成片污物隨水來時，會在水面以下約1m深的范圍內被攔污柵擋住，漂浮污物一般不會被吸入水下，攔污柵的中下部還是暢通無阻，但過柵流速及水頭損失均有所增加，攔污柵過流能力能滿足要求，電站發電出力有所下降，但不致于停機清污。而當上噸重的大塊污物沖向攔污柵時，由于物體的動能與速度的平方成正比例，當一塊污物以0.5m/s的速度（柵外置時），或以1.5m/s的速度（柵內置時）撞擊攔污柵時，它們的能量相差了9倍，故即使外置攔污的設計強度比內置降低一半，其抗撞擊安全系數也能比內置的提高4.5倍。由此可見，外置式攔污柵的抗大塊污物撞擊能力有了成倍提高，不會輕易被大塊污物撞壞。 

3.2經濟效益顯著。

對內置式和外置式這兩種攔污柵布置方式，沒有進行過經濟比較的設計者，可能會認為外置式的造價太高，不經濟。其實不然，從長遠利益來說，外置式攔污柵經濟性更好。雖然從一次性投資來看，外置式比內置式高，但外置式的過柵水頭損失小，電站年發電量比內置式多，即使不計內置式可能因污物造成的停機等事故的經濟損失，外置式還是有經濟優勢的。下面通過實例來比較這兩種布置方式的經濟性。 

某電站設計水頭為3.5m，共裝機 3臺機，滿發流量為90m3/s，攔污柵為內置式。其進水口的尺寸為4×4m（寬×高，下同），設攔污柵處進水口上部有所擴大，按4×5m計，其單發或滿發的過柵流速均為1.76m/s，經計算，其水頭損失為0.135m。后因過柵水頭損失大及清污不便，廠方決定把攔污柵改為外置式。改造后，設了7孔5×3.5m的攔污柵，其滿發過柵流速為0.86m/s（非滿發時更小），其水頭損失為0.028m。攔污柵改造投資估算總額為約20萬元（其中柵葉投資約7萬元），改造后，平均每年可以多發約21.7萬度電，平均增加年產值5.4萬元（年利用小時數按3000小時，電價按0.25元/度），投資回報年限僅為3.7年，而目前一般低水頭電站的投資回報年限超過10年。由此可見，采用外置式攔污柵的經濟效益顯著。 

3.3人工清污比較方便。

小水電站一般是采用人工清污的，外置式攔污柵對人工清污提供了方便。主要表現在兩方面：一是攔污柵的高度小了，清污耙易伸至柵底，清污變得容易；二是過柵流速降低，污物在攔污柵上的吸附力小，易于清除。

〖JP2〗由于水電站進水口頂需要有一定的淹沒深度，而清污平臺是高于校核洪水位的，故當攔污柵采用內置式時，攔污柵很高，一般高于5m，人工清污較困難，且效果不好。采用外置式時，攔污柵底坎與攔砂坎結合，攔砂坎的設計高程較高，且清污平臺只需高于正常水位就行了，不需高于校核洪水位，攔污柵的高度大幅度縮小，一般僅為內置式的一半，故外置式攔污柵清污相對容易。

正是因為外置式攔污柵有如此多的優勢，不但在新建電站采用，而且一些原來采用了內置式攔污柵的已建電站，由于清污不便，或由于過柵水頭損失太大，也要求對內置式攔污柵進行改造，把攔污柵改成了外置式，并在實踐中取得了較好的經濟及管理效果。

4. 采用外置式攔污柵需要注意的問題

攔污柵內置式時，由于攔污柵就設在廠房前部，如果人、畜或其它雜物，不小心掉入電站進水渠中，會被攔在攔污柵上，不會被沖入水輪機中。但外置式攔污柵，與廠房之間有一定的距離，隔著電站的進水渠，如有人、畜或其它雜物，掉入電站進水渠內，就會被直接沖入水輪機中，從而威脅人、畜生命安全及電站的運行安全。為了解決這個問題，需要把攔污柵與廠房之間的這一段區域，用攔桿結合鋼絲網、或者圍墻，封閉起來，任何尺寸大于鋼絲網孔徑的物體都不可能掉入這一段危險的區域，從而保證電站的運行安全。

［文章編號］1619-2737（2012）02-18-310