瀟湘水電站浮式攔污排的設計與應用

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計與應用

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組在進水前池設置正規浮式攔污排的設計和應用經驗。通過實施

浮式攔污排；設計；應用；實施；成效

1 引言

瀟湘水電站位于湖南境內瀟水和湘江兩河交匯處，為流域規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。庫區控制流域面積21 590 km2，多年平均流量606 m3/s，設計總庫容1.82億m3。電站設計4臺燈泡貫流式機組，總裝機容量為52MW（4×13MW），工程于1993年8月動工，2002年5月第一臺機組投產發電，該工程具有航運、灌溉、城市供水、改善城市交通條件、促進土地及房地產開發、旅游等一系列綜合利用效益。

2 設置正規浮式攔污排的必要性

在水電站進水前池設置正規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，最大限度減少機組流道進水口攔污柵前垃圾擁堵量，保證機組較正常的出力，創造可觀的發電效益。

（1）瀟湘水電站為20世紀90年代初設計的，進水前池未設計攔污擋墻或攔污排、垃圾中轉站。沒有攔污擋墻，電站之前采用了木排和空油桶制作臨時攔污排，但因吃水深度不夠等原因，攔污效果不理想；沒有垃圾中轉站，從上游清出的大量垃圾又要倒入下游河道，不利于環保，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，汛期洪水時上游大量樹木、水草、水藻、漂浮物以及城市生活垃圾擁堵發電機進水口，直接影響發電出力，為了清污工作，電站專門成立了一支清污隊伍，汛期需要大量人力、物力投入到清污工作中去。

3 攔污排的設計

3.1 設計難點

（1）瀟湘水電站為徑流式大流量水電站，進水前池河面較寬，要求浮式攔污排長度也較長，達到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）浮式攔污排兩側固定端應能隨水位升降而自動沉浮，需上下浮動達7 m。

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

（4）浮式攔污排各節段的連接裝置能上下浮動、左右轉動，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，需要降低水位或設計鋼板樁圍堰，降低施工成本保證質量，設計難度較大。

3.2 攔污排的固定點和固定方式的選定

由于電站為20世紀90年代初設計，當時沒有考慮進水前池攔污排的設計，發電機進水口與電站大壩水平相連，大壩為橋壩結合形式，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。需要在發電機進水前池約100 m河面上設計大跨度浮式攔污排，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），考慮攔污排常年運行水位為正常蓄水位97～95 m之間，洪水位102 m，上游岸坡側浮箱運行水位范圍為102～95 m。另一端根據大壩現有條件，采用浮動空心鋼梁錨固在大壩4～5號閘墩檢修門槽。攔污排根據水流方向，形成最優的斜角度（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 攔污排水平設計拉力計算

3.4.1 特性參數

（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高程工作時估計平均水深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 牽引鋼纜設計

按浮標纜索考慮，安全系數k=2，即主索設計承載力按1 364 kN設計。牽引鋼纜選型為1 666 MPa鋼絞線，根據主索設計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 攔污排金屬結構設計

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結，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，設計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定的，那么整個攔污排也是穩定的。經過初步計算，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，攔污排可滿足穩定性要求。

4 攔污排的實施

（1）控制墩施工

根據電站攔污排的設計要求，由于流量大，攔污排受拉力較大，而此力主要集中在上游側岸坡上的控制墩處，控制墩通過地勘檢測，設計了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）攔污排金結部分施工

根據設計，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。主鋼纜索一側固定在大壩鋼浮梁上，一側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，在發電機進水口前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，水頭越高發電效率越高，可以通過進尾水壓差表進行比較計算：進水前池攔污排攔截垃圾提高了0.3m水頭，主要體現在豐水期。以2016年5月份為例，5月份發電上網電量2 893萬kW·h，進水前池有攔污排和無攔污排比較多上網2893×0.3/6=144.65萬kW·h，一年按4個月的豐水期計算，一年可多上網578萬kW·h，為公司多創220多萬元的收入。

（2）避免停機和減負荷清污的損失

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

（3）減少洪水時的停機時間產生的效益

原來進水前池沒安裝攔污排時洪水流量達3 500 m3/s，水頭低于3.0 m時,機組出力就很低須停機，現在提高到5 000 m3/s時，水頭低于2.0 m時才停機，大大減少了洪水造成的停機時間，從而提高了發電量。

（4）機組安全運行效益

進水前池安裝攔污排后，因沒垃圾進入機組流道，機組振動減少，機組冷卻水也無堵塞現象，溫度降低，有效的保證機組長周期安全穩定運行。

（5）排污處理效益

相較其他電站進水前池攔污排前垃圾需要第三方專項清理，瀟湘水電站由于前池攔污排設計合理，利用入庫流量大于總發電流量時通過開閘可有效排掉攔污排前垃圾，每年可為公司節省較大的清污費用。

（6）綜合效益

進水前池安裝攔污排后，減少了機組流道進水口的外來垃圾近90%，極大減輕了機組流道進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，也避免了轉運垃圾時引起陸地和城市道路的二次污染。

6 結語

進水前池攔污排在大部分電站都有安裝應用，但攔污效果也有不理想的，主要原因：①攔污排的兩固定點的連線與水流方向角度不恰當，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。瀟湘水電站進水前池攔污排投運半年，特別是主汛期可以攔截80%左右的垃圾，是由于設計角度和吃水深度適當（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，節省了大量人力、物力，直接或間接創造了超預期的效益。

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

[2]徐遠杰，楊建東，陳輝春，等.水電站進水口漂浮式攔污排張力計算[J].水利學報，2005（3）：47-52.

[3]于 暉.浮式攔污柵設計方法的探討[J].水利水電工程設計，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管理工作。

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