瀟湘水電站浮式攔污排的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李一平

（湖南省永州市瀟湘水電站，湖南 永州 425000）

瀟湘水電站浮式攔污排的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李一平

（湖南省永州市瀟湘水電站，湖南 永州 425000）

詳盡介紹了低水頭、大流量燈泡貫流式機(jī)組在進(jìn)水前池設(shè)置正規(guī)浮式攔污排的設(shè)計(jì)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。通過實(shí)施

浮式攔污排；設(shè)計(jì)；應(yīng)用；實(shí)施；成效

1 引言

瀟湘水電站位于湖南境內(nèi)瀟水和湘江兩河交匯處，為流域規(guī)化中湘江干流上游的第二個梯級水電站，地處永州市城市中心。該電站屬于徑流式低水頭電站，距上游瀟水南津渡電站29.4 km，距上游湘江支流太洲電站32.1 km，下游距祁陽浯溪梯級電站約50 km。庫區(qū)控制流域面積21 590 km2，多年平均流量606 m3/s，設(shè)計(jì)總庫容1.82億m3。電站設(shè)計(jì)4臺燈泡貫流式機(jī)組，總裝機(jī)容量為52MW（4×13MW），工程于1993年8月動工，2002年5月第一臺機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，該工程具有航運(yùn)、灌溉、城市供水、改善城市交通條件、促進(jìn)土地及房地產(chǎn)開發(fā)、旅游等一系列綜合利用效益。

2 設(shè)置正規(guī)浮式攔污排的必要性

在水電站進(jìn)水前池設(shè)置正規(guī)的浮式攔污排是各個水電站的攔污措施，可以有效攔截汛期大量垃圾，最大限度減少機(jī)組流道進(jìn)水口攔污柵前垃圾擁堵量，保證機(jī)組較正常的出力，創(chuàng)造可觀的發(fā)電效益。

（1）瀟湘水電站為20世紀(jì)90年代初設(shè)計(jì)的，進(jìn)水前池未設(shè)計(jì)攔污擋墻或攔污排、垃圾中轉(zhuǎn)站。沒有攔污擋墻，電站之前采用了木排和空油桶制作臨時(shí)攔污排，但因吃水深度不夠等原因，攔污效果不理想；沒有垃圾中轉(zhuǎn)站，從上游清出的大量垃圾又要倒入下游河道，不利于環(huán)保，且清污效率低、清污壓力很大。

（2）瀟湘水電站地處瀟水和湘江兩河交匯處，且位于城市正中心，汛期洪水時(shí)上游大量樹木、水草、水藻、漂浮物以及城市生活垃圾擁堵發(fā)電機(jī)進(jìn)水口，直接影響發(fā)電出力，為了清污工作，電站專門成立了一支清污隊(duì)伍，汛期需要大量人力、物力投入到清污工作中去。

3 攔污排的設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

（1）瀟湘水電站為徑流式大流量水電站，進(jìn)水前池河面較寬，要求浮式攔污排長度也較長，達(dá)到202 m，在整個湘江干流上的電站中是最長的，兩固定端所受水平拉力很大，其型式的選擇難度大。

（2）浮式攔污排兩側(cè)固定端應(yīng)能隨水位升降而自動沉浮，需上下浮動達(dá)7 m。

（3）浮式攔污排要求長期工作在1 000 m3/s的大流量環(huán)境下保持平衡，以保證攔污排的攔污效果和攔污排上的工作平臺的平穩(wěn)，以便于工作人員清理垃圾。

（4）浮式攔污排各節(jié)段的連接裝置能上下浮動、左右轉(zhuǎn)動，而且能承受較大的荷載和剪切扭矩力。

（5）浮式攔污排一側(cè)固定在宋家洲東岸邊的控制墩，其施工平臺開挖至水面5 m以下，需要降低水位或設(shè)計(jì)鋼板樁圍堰，降低施工成本保證質(zhì)量，設(shè)計(jì)難度較大。

3.2 攔污排的固定點(diǎn)和固定方式的選定

由于電站為20世紀(jì)90年代初設(shè)計(jì)，當(dāng)時(shí)沒有考慮進(jìn)水前池?cái)r污排的設(shè)計(jì)，發(fā)電機(jī)進(jìn)水口與電站大壩水平相連，大壩為橋壩結(jié)合形式，橋面通車，橋下為27孔弧形閘門，溢流壩全長369 m，河面寬度約為500 m。需要在發(fā)電機(jī)進(jìn)水前池約100 m河面上設(shè)計(jì)大跨度浮式攔污排，長度較長（202 m），其兩固定端水平拉力大，并要求兩固定端能隨水位升降。攔污排一端采用固定錨墩錨固在上游宋家洲東岸坡（需要澆筑砼控制墩），考慮攔污排常年運(yùn)行水位為正常蓄水位97～95 m之間，洪水位102 m，上游岸坡側(cè)浮箱運(yùn)行水位范圍為102～95 m。另一端根據(jù)大壩現(xiàn)有條件，采用浮動空心鋼梁錨固在大壩4～5號閘墩檢修門槽。攔污排根據(jù)水流方向，形成最優(yōu)的斜角度（大壩水平線61°）。

3.3 浮式攔污排的總體布置

浮式攔污排兩固定端之間的連線盡量與水流平行，為減少兩固定端的拉力，攔污排的軸線布置為弧形，其矢高選為兩固定端距離的1/8～1/12（圖1）。

圖1 浮式攔污排示意圖

3.4 攔污排水平設(shè)計(jì)拉力計(jì)算

3.4.1 特性參數(shù)

（1）軸線長L=202 m；

（2）浮排弧垂f=23.6 m；

（3）攔污深度Hs=1.85 m；

（4）流量Q=1 000 m3/s；

（5）攔污排低水位95 m高程工作時(shí)估計(jì)平均水深6 m（弧門底坎高程89 m，檢修門底坎高程86 m）。

3.4.2 攔污排前后水位超高的計(jì)算

選擇最不利的情況，即柵格被污物全部堵死的情況，近似將被污物全部堵死的攔污排看做半開啟的閘門，按閘孔無水躍式淹沒出流公式計(jì)算攔污排前后水位超高。

Q=μeB×（2g（h0-h1））0.5

1000=0.67×（6-1.85）×202×（2×9.8×（6-h1））0.5

h1=5.838 m

前后水位超高=0.162 m

式中：Q流量，μ流量系數(shù)0.65～0.7，e閘門開度，B孔口寬度，g重力加速度，h0上游水深，h1下游水深。

3.4.3 上下游水位差產(chǎn)生的均布荷載

q=0.5×r×（Hs2-Hx2）

q=0.5×10×（1.852-（1.85-0.162）2）=2.87 kN/m

式中：r為水的重度，Hs為攔污排總深度，Hx為攔污排凈深度。

3.4.4 攔污排兩固定端水平拉力

N=qL2/8f=2.87×202×202/（8×23.6）=620 kN

動水拉力＝1.1×620＝682 kN

3.5 牽引鋼纜設(shè)計(jì)

按浮標(biāo)纜索考慮，安全系數(shù)k=2，即主索設(shè)計(jì)承載力按1 364 kN設(shè)計(jì)。牽引鋼纜選型為1 666 MPa鋼絞線，根據(jù)主索設(shè)計(jì)承載力反算鋼索直徑，選擇Φ48 mm的鋼纜索可以滿足要求。

3.6 攔污排金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

浮式攔污排主要由浮箱、攔污排等組成。浮式攔污排的浮箱采用圓鐵桶，桶壁不宜太厚，外涂防銹漆。浮桶前后布置，兩浮桶間用鋼支撐聯(lián)結(jié)，迎水面的浮桶上焊接攔污排格。為了保證攔污排在水中的平衡，設(shè)計(jì)迎水面的浮桶長一些，平衡浮桶略短一些。

主浮筒與平衡浮筒均采取圓柱筒型式，即半徑為0.3 m的圓柱。浮筒壁厚6 mm，材料采用Q235鋼板。中間采用鋼支撐桁架的連接方式。浮筒上鋪鋼格網(wǎng)供行走，人工定期清理浮渣。攔污排格間距0.12 m，柵條高度為1.8 m。

浮式攔污排由多個攔污排體連接而成，只要單個攔污排體在水中是穩(wěn)定的，那么整個攔污排也是穩(wěn)定的。經(jīng)過初步計(jì)算，浮筒以及各部件重量約為1 058 kg，排水重量約為1 200 kg，攔污排體的重力低于浮力，攔污排可滿足穩(wěn)定性要求。

4 攔污排的實(shí)施

（1）控制墩施工

根據(jù)電站攔污排的設(shè)計(jì)要求，由于流量大，攔污排受拉力較大，而此力主要集中在上游側(cè)岸坡上的控制墩處，控制墩通過地勘檢測，設(shè)計(jì)了6根直徑800 mm的沖擊灌柱樁打入基石，上面澆筑長8 m寬6 m高7 m約400 m3C30砼塊（圖2）。

（2）攔污排金結(jié)部分施工

根據(jù)設(shè)計(jì)，每個攔污排體長4 m，共有50個，每個攔污排主浮筒正面焊接了3個主耳柄，穿在Φ48mm的主鋼纜索上，主浮筒兩側(cè)還各焊接1個耳柄，用Φ20 mm螺栓連接各個攔污排體。主鋼纜索一側(cè)固定在大壩鋼浮梁上，一側(cè)固定在宋家洲東岸邊控制墩上。各個攔污排串接后穿在主鋼纜索上，在發(fā)電機(jī)進(jìn)水口前100 m形成了一道長200多m，深2 m的攔污“屏障”（圖3）。

圖2 控制墩施工

圖3 攔污排

5 攔污排產(chǎn)生的效益

（1）提高水頭的效益

瀟湘水電站是低水頭電站，水頭越高發(fā)電效率越高，可以通過進(jìn)尾水壓差表進(jìn)行比較計(jì)算：進(jìn)水前池?cái)r污排攔截垃圾提高了0.3m水頭，主要體現(xiàn)在豐水期。以2016年5月份為例，5月份發(fā)電上網(wǎng)電量2 893萬kW·h，進(jìn)水前池有攔污排和無攔污排比較多上網(wǎng)2893×0.3/6=144.65萬kW·h，一年按4個月的豐水期計(jì)算，一年可多上網(wǎng)578萬kW·h，為公司多創(chuàng)220多萬元的收入。

（2）避免停機(jī)和減負(fù)荷清污的損失

進(jìn)水前池沒設(shè)計(jì)安裝攔污排時(shí)，每年因機(jī)組進(jìn)水口垃圾太多造成全停機(jī)（5 000 m3/s以下）3～5次，每次損失上網(wǎng)電量15萬kW·h。安裝攔污排后可避免此類損失。

（3）減少洪水時(shí)的停機(jī)時(shí)間產(chǎn)生的效益

原來進(jìn)水前池沒安裝攔污排時(shí)洪水流量達(dá)3 500 m3/s，水頭低于3.0 m時(shí),機(jī)組出力就很低須停機(jī)，現(xiàn)在提高到5 000 m3/s時(shí)，水頭低于2.0 m時(shí)才停機(jī)，大大減少了洪水造成的停機(jī)時(shí)間，從而提高了發(fā)電量。

（4）機(jī)組安全運(yùn)行效益

進(jìn)水前池安裝攔污排后，因沒垃圾進(jìn)入機(jī)組流道，機(jī)組振動減少，機(jī)組冷卻水也無堵塞現(xiàn)象，溫度降低，有效的保證機(jī)組長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（5）排污處理效益

相較其他電站進(jìn)水前池?cái)r污排前垃圾需要第三方專項(xiàng)清理，瀟湘水電站由于前池?cái)r污排設(shè)計(jì)合理，利用入庫流量大于總發(fā)電流量時(shí)通過開閘可有效排掉攔污排前垃圾，每年可為公司節(jié)省較大的清污費(fèi)用。

（6）綜合效益

進(jìn)水前池安裝攔污排后，減少了機(jī)組流道進(jìn)水口的外來垃圾近90%，極大減輕了機(jī)組流道進(jìn)水口攔污柵的清污量，減少了汛期清污工作的人力、物力的大量投入，也避免了轉(zhuǎn)運(yùn)垃圾時(shí)引起陸地和城市道路的二次污染。

6 結(jié)語

進(jìn)水前池?cái)r污排在大部分電站都有安裝應(yīng)用，但攔污效果也有不理想的，主要原因：①攔污排的兩固定點(diǎn)的連線與水流方向角度不恰當(dāng)，使攔污排受水流垂直沖力較大，攔污排前的垃圾堆存較多，不便于隨水流方向自然流走；②攔污排的吃水深度較淺，只能攔截表面較少一層垃圾。瀟湘水電站進(jìn)水前池?cái)r污排投運(yùn)半年，特別是主汛期可以攔截80%左右的垃圾，是由于設(shè)計(jì)角度和吃水深度適當(dāng)（約需2 m），這樣大部分污物（水草、樹林、垃圾等）都能被有效攔截，而且大部分垃圾可以隨水流方向自然沖走，節(jié)省了大量人力、物力，直接或間接創(chuàng)造了超預(yù)期的效益。

[1]楊逢堯，魏文煒.水工金屬結(jié)構(gòu)[M].北京：中國水利水電出版社，2005.

[2]徐遠(yuǎn)杰，楊建東，陳輝春，等.水電站進(jìn)水口漂浮式攔污排張力計(jì)算[J].水利學(xué)報(bào)，2005（3）：47-52.

[3]于 暉.浮式攔污柵設(shè)計(jì)方法的探討[J].水利水電工程設(shè)計(jì)，2002（3）：16-17.

TV732.2

B

1672-5387（2017）01-0063-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.01.019

2016-09-30

李一平（1980-），男，高級工程師，從事水電工程施工和水電站技術(shù)管理工作。

此浮式攔污排對提高發(fā)電效益發(fā)揮了重要作用，成效顯著。可為其他電站類似應(yīng)用提供借鑒。