山區引水式電站前池攔污設計思考

張培 陸天壽

摘 要：貴州引水式小水電站較多，渠道較長，且多依山而建，樹枝、雜草較多，嚴重影響水電站的正常運行、設備安全，文章對山區引水式電站壓力前池攔污設計及改造提出探討思路，供山區引水電站壓力前池工程參考。

關鍵詞：引水式電站；前池；排污

1 概述

貴州省余慶縣地處黔北高原，境內海拔在400米～1386.5米之間，為典型的山區地貌。長江一級支流烏江橫慣縣境中部，受地形控制，兩岸支流眾多，蘊藏了較多的水能資源。根據水利區劃測算，全縣理論水資源蘊藏量為6.57萬千瓦（不含大烏江干流），可開發量為2.477千瓦。全縣已建電站16座，其中11座為引水式電站，動力渠道較長，樹枝、雜草經常在前池處堵塞攔污柵，影響電站出力，清污工作量大；且在秋冬季常遇松果或竹木之類的硬物堵塞機組轉輪，至導葉變形，加速機械磨損，使水輪機大修間隔縮短，影響電站經濟效益。

2 原因分析

前池是山區電站引水建筑物的重要組成，其功能除了分配水流、容蓄水量、反射水擊波等作用外，還有便于清除污物、泥沙、浮渣等功能。前池的沉砂池和攔污柵就是發揮這個功能的主要組成部分。根據電站較多類似的故障或事故分析，主要原因是在小電站設計中對相應的攔污設施功能重視不夠，結構設計、布置方式等大多不符合規范要求；其次就是沒有結合山區河流泥沙、雜草等漂浮物量多及具體機型等特點進行設計，針對性的措施不足；三是清污方式落后，清污不及時。

2.1 攔污柵存在的主要問題

（1）攔污柵未安裝到底。由于下部存在空缺，一旦攔污柵堵塞，則很多雜物就會從下部穿過攔污柵進入水輪機。2007年，我縣某電站就出現過類似的故障，運行中發現機組因導葉突然無法關閉，檢修時竟然在導葉中取出了近1m長、未破碎前直徑超過5cm的竹桿。

（2）攔污柵柵格間距設計不合理。按規范規定，攔污柵柵條間距一般宜小于50mm。但在實際運行中我們發現，有有些特殊機型，如果設計間距過大，則會引發新的問題。如我縣三跌水電站有1臺小流量混流式機組，水輪機設計水頭123m，設計流量1.29m3/s。在機組運行不久后，發現不明原因的出力減少，且這種情況在秋冬較明顯。直到后來機組大修過程中，看到轉輪縫隙塞了若干松果和玉米芯，才終于找到了出力減少的主要原因。原來該水輪機轉輪縫隙僅3～5cm大小，而攔污柵柵格間距又較大，松果雜物從柵格間進入水輪機引起故障故障。電站對攔污柵靠近水面部分進行加密改造后，機組運行正常。

（3）攔污柵變形普遍。縣內小電站攔污柵多采用30mm扁鐵或14～18mm光面鋼筋焊成，運行一段時間后，變形普遍較大。據觀察，在靠水現上層變形大，底層變形小。表明上層柵格受力大，底層柵格受力小。通過受力驗算，柵格產生的變形超過了正常設計計算值，這說明了兩個情況，一是污物堵塞較為嚴重，二是柵條材料有待加強。

2.2 沉砂池存在的主要問題

雖然沉砂池在水電站的投資、占地等方面所占的比例很小，但其作用卻不可忽視。取消沉砂池或沉砂池不合格，大量砂粒將進入水輪機，會給電站的正常運行帶來諸多隱患，得不償失。從縣內出現碎石卡阻導葉或機械磨損較重的幾個電站的情況分析，造成問題的主要原因，一部分是沉砂池沒有按規范設計，更多的是根本沒有設計沉砂池。

3 攔污柵設計

3.1 縣內小水電站攔污柵設計中注意的問題

攔污柵柵體設計直接影響其性能。在小電站設計中，應有符合規范的過流面積、足夠的剛度、較小的水除系數，以及有效地攔截污物，且方便清污功能。

（1）孔口面積的先擇。攔污柵孔口面積的大小決定于過柵流速的大小和結構形式，對于以發電為目的小水電站，為了減小水頭損失，宜采用0.8～0.9m/s的過柵流速，當超過1m/s的流速時，小水頭損失會明顯增大。（2）攔污結構設計。常見的攔污柵即格柵式攔污柵，由柵條、主梁和一些細部構件構成。攔污柵的結構設計要求滿足荷載要求、便于清污及檢修更換要求。柵條間距是其最主要的部件構成，設計中，柵條間距可以參照水輪機的類型和轉輪直徑D控制。軸流式水輪機D/20，混流式水輪機D/30，沖擊式水輪機為噴嘴直徑的1/5。在具體工程設計中，柵條間距還應結合水流中污物的性質和數量進行綜合考慮。對大流量大機組，如軸流式水輪機，適當考慮以“排”為主。對小流量小機組，如混流式水輪機，則應以“攔”為主。結構設計中，由于柵條截面的狹長矩形特性，其側向抗彎剛度和抗扭剛度相對其他型鋼而言較低，故設計時應特別注意，不但要進行強度計算，還必須驗算其穩定性。驗算矩形截面用的穩定安全系數不應小于2。（3）合理設置攔污柵的布置方式。適當改變攔污柵的安放角度，利用水流的推力將污物推到攔污柵上部，再配合合適的清污方式，可以有效減少污物的堵塞。有實驗表明，對于攔污柵的傾斜角度，當傾角大于60度時，其下部有少量雜劃堆積；而當傾角小于45度時，各種水草都能被推向柵格的頂部，且在實驗條件下不發生與污物纏繞。此外，還可以考慮分級雙重設置。如前述解決松果問題的例子中，電站采用了單獨加設一道較密的攔污柵的方式，設在靠近水面的上半部分，既解決了攔截松果、玉米芯的目的，也起到了兼顧水損的目的。所以，具體的部署方式，應結合地形、流速等結合考慮設置。

4 沉砂池設計

沉砂池有豎流式、渦流式及平流式自然沉砂池等形式的沉砂池，豎流式由于除砂效果差，運行管理不便，因而極少采用；渦流式雖然有占地小、除砂效率高，但是這種池型及其除砂設備均為國外專利；而平流式自然沉砂池構造簡單，效果較也好，國內所有的小型電站幾乎都是采用這一類型的沉砂池。在《水利水電工程沉砂池設計規范》中，對自然沉砂池的布置及尺寸都有詳細的規定。沉砂池的大小一般按池內水平流速和停留時間來確定，而決定流速大小的關鍵因素就是沉砂池橫斷面。貴州山區水電站沉淀池多數采用矩形水池，池的大小是根據設計流量、水的平均流速取值、沉淀泥沙粒徑大小而定。設計中，一般采用允許平均流速反算沉砂池橫斷面面積。

即：橫斷面面積：A=Q/V

式中：A-沉淀池過水斷面面積；Q-取水設計流量；V-允許平均流速確定。

根據經驗，過水平均流速一般取V=0.2-0.8m/s，流速過快，則沉砂效果會受到影響。設計中還要根據水流含砂量、沖砂條件等情況，對沉砂池的水深、池長等進行綜會考慮，以保證沉砂效果。在較長或比降較大的渠道中，建議設置兩級以上的沉砂池來確保沉砂效果。總之，作者建議在設計山區引水式電站前池時，除按規范控制關鍵參數外，還應結合山區河流泥沙、樹枝、雜草等漂浮物量多及裝機機形的特點，采取有針對性的措施，才能最終實現“攔污干凈，沉沙徹底，清污快捷、排沙容易”的效果。

5 結束語

前池的攔污設施雖然只是水電站前池的輔助設施，但對保證水電站安全、經濟和高效運行發揮了重要的作用。針對攔污設施在使用中出現的問題，可以從沉砂池及攔污柵的結構設計、安裝形式等方法方面強化攔污性能。結合自身運行和管理情況，在可能情況下，可以增加攔污柵啟閉裝置，以及采用機械化自動清污等方法，進一步提高電站效益，確保安全運行。

參考文獻

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