洪家渡水電站錨固式攔漂排布置與優化設計

羅德武

（中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

水電站庫區污物以漂浮物為主，在未泄洪狀態下大部分污物隨水流漂浮至引水發電進水口攔污柵前，若清污不及時容易造成攔污柵堵塞，影響發電機組出力，嚴重時損壞攔污柵結構，威脅機組安全運行。為減輕進水口攔污柵前的攔污、清污壓力，國內外新建水電站大部分均考慮了庫區設置攔漂排，許多已建電站經過多年運行，亦提出增設攔漂排的需求，作為庫區攔污、清污的第一道設施。

1 工程概況

洪家渡水電站位于烏江北源六沖河下游，是烏江梯級“龍頭”電站，電站裝機600 MW，總庫容49.47 億m3，調節庫容33.61 億m3，設計洪水位1141.43 m，正常蓄水位1140 m，死水位1076 m，屬多年調節水庫。隨著上游庫區養殖與旅游業的興起，污物逐漸增多，隨水流漂浮至電站進水口、溢洪道及大壩前；且近壩庫區設有多家工業企業的浮動式泵站取水點，對庫區水域的清潔提出了更高要求。為保障電站的安全運行，有效攔截庫區漂浮物，洪家渡水電站需在庫區增設一道攔漂排。

2 攔漂排方案比選

洪家渡水電站為烏江梯級的“龍頭”電站，無通航要求，壩前庫區河道較寬，水庫運行水位變幅達64 m，漂浮物以生活垃圾、樹木及其他單體漂浮雜物為主。根據庫區規劃和現場地形、地質勘查情況，攔漂排橫跨庫區主河道，設于溢洪道上游，兩端直線距離460 m，擬定了兩種鋼浮箱型式的攔漂排方案。

2.1 方案一：兩端錨固型式

攔漂排由端部錨固墩、連接鋼絲繩、浮箱、浮箱連接座等組成。中間若干鋼浮箱鉸接串連形成柔性鏈狀水面攔漂結構，兩端部連接鋼絲繩錨固于庫區左、右岸混凝土張拉墩，錨固點高程為設計洪水位高程。由于庫區水位變幅較大，攔漂排設計馳度100 m，以滿足庫區水位變化時攔漂排仍能隨水位變化而升降運行。方案一布置型式見圖1。

圖1 攔漂排方案一（上游立視）

2.2 方案二：兩端導軌升降型式

攔漂排由端部導軌、浮箱梁、過渡浮箱、浮箱、浮箱連接座等組成。端部浮箱梁與過渡浮箱連接，在其自身浮力及過渡浮箱浮力作用下隨庫區水位變化在導軌內上下移動，中間若干鋼浮箱鉸接串連形成柔性鏈狀結構浮于水面，設計弛度40 m。浮箱底部迎水面掛水下攔污柵，可攔截水面以下1.5 m 范圍內污物，浮箱掛攔污柵后傾斜可在浮箱內加混凝土配重保證平衡。端部導軌底檻高程1074 m，頂部高程1146 m，以此保證攔漂排能隨庫水位變化而升降運行。方案二布置型式見圖2。

圖2 攔漂排方案二（上游立視）

2.3 攔漂排方案比選

洪家渡水電站為“龍頭”電站，庫容大，河道跨度寬，運行水位變幅高，結合工程實際情況分析了上述兩種方案的各自特點。

方案一（錨固型式）：施工方便，均為水上作業，施工期對庫水位無特殊要求；土建開挖及混凝土工程量較少；攔漂排設計馳度較大，能夠滿足庫區的運行水位變幅，但當水位較錨固點高程下降較多時，兩端部有浮箱擱淺河岸，攔漂效果較好。

方案二（導軌升降型式）：施工難度大，需在庫區低水位運行的窗口期施工，且存在水下作業；土建開挖及混凝土工程量大；攔漂排能隨水位變化整體升降，攔漂效果好。

兩種方案的工程量及經濟指標對比見表1。

表1 工程量及經濟指標對比表

方案二攔漂效果雖更好，但其施工難度大，土建部分特別是土石方開挖工程量較大，工程投資約為方案一的4 倍，因此洪家渡電站庫區攔漂排布置型式采用方案一。

3 荷載分析與計算

3.1 工況與荷載組合

攔漂排所承受外力主要為水流、波浪、風及污物對浮箱的荷載，冰、雪荷載相對其他主要載荷較小，可忽略不計。洪家渡電站攔漂排以庫區水位為工況分類基準，擬定了各工況的運行條件及荷載組合見表2。

表2 攔漂排各工況運行條件及荷載組合

3.2 荷載計算

（1）水流作用在攔漂排水面以下結構的水平荷載[1]：

式中：Kc為水流阻力系數，取1.8；γc為水的重度，取10000 N/m3；hc為浮箱的入水深度，取0.43 m；v水為水流速，根據各工況分別取值。

（2）風作用在攔漂排水面以上結構的水平荷載[1]：

式中：Ka為空氣流阻力系數，取1.9；γa為空氣的重度，取12.64 N/m3；ha為浮箱的出水高度，取0.57 m；v風為計算風速，取14 m/s。

（3）根據《水工建筑物荷載設計規范》，當擋水建筑物迎水面前水深H＞Hcr和H＞Lm/2 時，擋水建筑物單位長度上的浪壓力值[2]：

式中：Pwk單位長度迎水面上的浪壓力；Lm平均波長；h1%累積頻率為1%的波高；hz波浪中心線至計算水位的高度；H 擋水建筑物迎水面前的水深；η 為考慮只有部分浪壓力作用在攔污排上而引入的波浪壓力集度修正系數，0.0＜η≤1.0。

（4）攔漂排張拉力計算

為計算攔漂排各運行工況下的最大張力，假設攔漂排同時受到的水流、風和波浪三種主要荷載，且風的方向與水流方向一致，同時考慮攔漂排500 N/m 的攔污能力。計算得出攔漂排各運行工況下的荷載及張拉力見表3。

表3 各工況荷載及張拉力

由表3 可知，當庫區水位在設計洪水位時，機組滿發加最大泄洪流量下，攔漂排同時受水流、風和波浪的荷載值最大，且受載跨度最長，因此以攔漂排在工況3 運行條件下的張拉力作為結構設計的控制條件。

4 攔漂排結構優化設計

針對兩端錨固式攔漂排的布置情況，當庫區水位降低時兩端部有部分浮箱擱淺河岸邊，易損壞浮箱結構，對攔漂排運行是安全隱患。因此，對攔漂排結構做了以下優化設計及分析：

（1）在浮箱上、下游面設置吊耳，張拉繩穿過每個浮箱吊耳后錨固于兩端張拉墩，浮箱所受水流、風、波浪、污物沖擊等荷載傳至張拉繩，張拉繩作為攔漂排的主要受力部件；

（2）浮箱上、下游面分別掛于張拉繩上，可避免因水流沖擊浮箱發生翻轉或傾斜；

（3）由于浮箱不承載張拉力，浮箱框架工字鋼型號及面板厚度均減小，浮箱之間的連接軸直徑減小，節省鋼材重量約90 t；

（4）浮箱與浮箱之間采用十字交叉的鉸接結構，能提供水平與豎直方向的轉動自由度，形成高度柔性的鏈狀系統，避免因水位變化時，浮箱之間因自由度干涉而破壞浮箱結構；

（5）兩端距離錨固點50 m 范圍內掛設塑料浮箱替代鋼浮箱，避免水位下降時剛浮箱擱淺河岸而損壞，節省鋼材重量約56 t。

攔漂排結構優化設計后的細部結構見圖3。

圖3 攔漂排細部結構（俯視）

5 結語

洪家渡水電站庫區攔漂排建成以來，攔漂效果較好，有效降低了引水發電進水口的攔污、清污壓力。兩端錨固式攔漂排通過結構優化設計，采用張拉繩作為主要受力部件，鋼浮箱掛設于張拉繩上，在保證攔漂效果的同時，工程投資更省，施工更便利。目前國內外水電站庫區攔漂排型式各異，本工程的攔漂排布置型式、結構設計，對其他水位變幅大、河道較寬的水利水電工程具有借鑒推廣意義。