中美兩國水電站攔污柵設計標準的比較

高 歡

(上海勘測設計研究院有限公司,上海 200434)

1 概述

攔污柵作為一種雜物攔阻裝置，是水力發電站中應用最為廣泛的水工機械設備之一[1-2]。攔污柵主要由柵體結構、支承構件及柵槽埋件3部分組成，它對機組及下游設備的正常運行起到非常重要的保護作用。

近年來，在涉外水電站工程設計過程中，外方業主或者咨詢工程師通常會要求各類水工鋼結構設備的設計必須采用或者遵守歐美國家的設計規范。為了加快施工圖紙及計算文件的報批進度，縮短設計周期，提高工作效率，準確理解并熟練掌握歐美國家的設計規范是非常必要的[3]。

文章首先將歐美各國在水電站工程設計中采用的攔污柵設計規范或手冊進行比較，綜合考慮后采用美國規范及手冊；之后，再將美國規范和手冊中的攔污柵設計要求與我國規范中相應的條款進行比較，簡要分析；最后，采用美國設計規范對某電站的攔污柵進行結構設計及計算，以方便對該規范的理解，供討論。

2 中美規范比較

歐美國家采用的水工鋼結構設計規范或手冊主要包括美國《水工鋼閘門設計手冊》及《水工鋼結構設計規范》ETL1110-2-584；德國《水工鋼結構設計規范》DIN19704等。從規范的完整性及可操作性方面考慮，采用美國規范進行攔污柵的結構設計及計算是比較適用的。我國的水工鋼結構設計規范或者手冊主要包括有《水電工程鋼閘門設計規范》NB 35055—2015及《水電站機電設計手冊》(金屬結構二)。

中美設計規范中均對攔污柵的布置、結構設計及計算進行了規定。

2.1 攔污柵的功能及布置形式

各類型的攔污柵，主要布置在水電站引水發電系統的進口(對抽水蓄能電站而言，布置于上、下庫的進出水口)處，用來攔阻夾雜在水流中的各類漂浮物以及水體下雜物等，從而保障水輪發電機組等下游設備的運行安全[4-5]。

攔污柵的布置主要取決于電站引水系統進水口的形式。攔污柵既可采用直立式布置，又可采用傾斜式布置。當進水口為了獲得較大的過水面積和降低過柵流速時，一般可將攔污柵布置為多邊形或拱形，在平面上呈多邊形或者拱形，直立面上呈直立式。當布置在拱壩的進水口時，一般呈傾斜布置，傾角范圍約70°～75°；傾斜布置不僅可以擴大柵面，降低過柵流速，而且有利于清污機工作。

另外，攔污柵還可布置為固定式和活動式，對于多雜物水流，建議將攔污柵布置為活動式，以便于檢修及更換[6-7]。攔污柵的功能及布置形式上，美國與我國規范基本沒有明顯的差異。

2.2 設計要求

1) 荷載工況

美國及我國的設計規范，均規定了攔污柵設計時應考慮的荷載工況，具體見表1所示。

表1 攔污柵設計荷載工況的規定

從表1可以看出，美國規范中在攔污柵設計時考慮的水位差要比我國規范大一些，設計相對保守。實際工程設計中，確定水位差時，還應該分析電站所在河道的污雜物的種類及分布情況；例如我國金沙江流域的一些電站設計中，考慮雨季時河道內漂浮物增加過快，該水位差就曾采用了8 m甚至更大。

2) 材料容許應力

美國規范中關于攔污柵材料的容許應力分為兩部分規定，一部分是柵條的容許應力，另一部分是其他結構的容許應力。

攔污柵的柵條容許應力：

Sall=Sy×(1.23-0.015 3L/t)

(1)

其中Sy為柵條材料的屈服強度；L為柵條的無支承長度；t為柵條厚度。

其他構件的容許應力計算公式如下。

抗拉、彎曲應力：

Sall=0.68Sy

(2)

抗剪應力：

τall=0.39Sy

(3)

我國規范中，攔污柵(包含柵條)材料的容許應力是根據板材所處的尺寸組別來規定的。在實際工程中，進行攔污柵的結構設計計算時，通常參照閘門的規模來選取應力調整系數。

通過比較，美國設計規范在柵條的容許應力定義方面，著重考慮了柵條支承結構的側向屈曲條件，容許應力與柵條的側向支承及厚度有關；攔污柵其他構件材料的容許應力是沒有考慮板材厚度的影響。

一般情況下，由于攔污柵的各構件所采用的板材厚度不大，分布在30 mm以內。經分析表明，美國規范中規定的材料容許剪應力值是與我國規范基本一致；拉伸、彎曲容許應力值的差異約在4%以內。

2.3 結構設計

中國及美國的水工鋼結構設計規范中均就攔污柵的結構設計提出了規定，主要包含柵條形狀、柵條間距、主梁鋼度等(見表2)。

表2 柵條結構及剛度的規定

從表2可以看出，美國規范中關于攔污柵的柵條厚度有較為嚴格的要求，其余結構尺寸要求與我國規范基本一致；在攔污柵主梁的剛度要求方面，美國規范比我國規范要求的嚴格，設計也就偏于保守[8-9]。

另外，美國規范還在條文說明里規定了攔污柵的銹蝕裕量，其取值范圍為1～2 mm，一般在進行結構計算時需要扣除該值[10]。而我國規范僅僅對閘門面板規定了1～2 mm的銹蝕裕量，攔污柵則沒有明確的要求，但實際設計過程中也會有一定的考慮。

從表3可見，無論是美國規范還是我國規范，柵條間距的確定均與水輪機組的型號息息相關。實際設計過程中，在確定柵條間距時還應該考慮水輪機導水機構的最小開度尺寸。柵條間距不易過大，過大會使得雜物隨水流進入機組，影響機組運行安全；過小則會增加攔污柵的水頭損失，反而更容易造成攔污柵的堵塞，也會影響到電站正常運行。此外，確定柵條間距時還應該考慮到機組生產廠家的意見。

表3 柵條間距的規定

2.4 計算要求

無論是美國規范還是我國規范，均對攔污柵的過柵流速、水頭損失、柵條振動等規定了計算方法以及限制條件。

1) 過柵流速

過柵流速是攔污柵設計過程中提出的一個重要指標，其綜合考慮了水電站的電能成本及水體中的雜物情況。美國及我國規范均對過柵流速提出了具體的控制指標(見表4所示)。

表4 攔污柵的過柵流速規定 m/s

從表4可以看出，美國規范中人工清污方式時的過柵流速值要比我國規范要求的數值大，其余情況下規定的數值是比較接近的。

2) 水頭損失

水流通過攔污柵時，其流向不論與柵條縱軸重合還是存在偏角，均或多或少的與柵條存在撞擊和約束，阻礙水流，使得水流斷面收縮從而產生水頭損失。

我國設計規范與美國設計規范中所采用的水頭損失計算公式均是Kirschmer-Thoma的實驗推導公式:

(4)

式中h為柵條高度；t為柵條厚度；k為柵條斷面形狀系數，當矩形截面h/t≥5時，k為2.42;d為柵條凈距；v0為過柵流速；g為重力加速度；α為攔污柵安裝傾角。

盡管我國與美國規范所采用的水頭損失計算公式相同，但該公式僅僅考慮的是柵條對水流的阻礙約束作用而產生的水頭損失，沒有考慮攔污柵本體及柵前雜物堆積對水頭損失的影響。實際上，在中國及美國規范的條文說明中均對以上述情況加以說明。如果攔污柵前有雜物堵塞時，美國規范要求按照35%的柵面被阻來進行水頭損失估算；中國手冊則是規定按照無阻礙計算值的3～5倍來考慮水頭損失。

從總的對比結果分析，我國規范規定的水頭損失經驗算法要比美國規范計算值稍微保守一些。按照美國規范考慮攔污柵阻塞情況下，水頭損失的計算值是沒有阻塞情況下計算值得2.5倍左右。

3) 柵條振動

水流通過攔污柵的柵條時，當其流速增大到某一范圍后，柵條尾部將出現交替的渦流脫落現象，從而造成振動，一旦該振動頻率接近柵條固有頻率時，將會發生共振，破壞攔污柵，危害電站安全運行。

不論是美國規范還是我國規范，所規定的渦流脫落的干擾頻率計算公式及單根柵條固有頻率的計算均公式相同。

渦流脫落產生的干擾頻率計算公式：

ft=Stv/t

(5)

式中St為Strouhal數，由公式St=0.12+0.012b/t確定；v為過柵流速；t為柵條厚度。

單根柵條固有頻率計算公式：

(6)

單根柵條的固有頻率應該大于渦流脫落引起的干擾頻率，關系如下：

n=fn/ft>2.5，柵前有堆積物阻礙。

n=fn/ft>2.0，柵前無堆積物阻礙。

盡管我國與美國的設計規范采用了相同的柵條頻率計算公式，但是在計算公式中各項系數的取值是有區別的；比如，我國規范中規定：過柵流速有試驗時為實測最大值，否則應該采用2.25倍的平均過柵流速值；而美國規范則規定：平均過柵流速應該分為柵前有阻礙時(35%阻礙面積)的流速及柵前無阻礙時的流速，兩種情況來進行計算[11-12]。

3 美國規范設計攔污柵實例

國外某水電站工程，引水發電系統的進水口前緣處布置1道攔污柵，攔污柵支撐跨度為5 m，單節高度約為3.1 m，傾斜80°安裝。攔污柵的結構見圖1所示。

圖1 攔污柵結構示意

單節攔污柵的各項設計參數具體如下：縱向布置的柵條間距b=120 mm，設計水位差q=6.0 m，柵條采用扁鋼制作，斷面尺寸為t=16h=80 mm；橫向布置的主梁采用矩形截面，尺寸為26 mm×600 mm；柵條支承跨度L=620 mm；攔污柵材料采用Q235C，屈服強度fy=235 MPa；平均過柵流速約1.2 m/s，要求考慮2 mm銹蝕裕量。

3.1 柵條結構計算

1) 容許應力

σall=235×(1.23-0.015 3×620/14)=129.8 MPa 。

2) 結構強度計算

作用在單根柵條上單位長度的荷載：

q=q′b=0.06×120=7.2 N/mm 。

柵條最大彎矩(按5跨連續梁計算第2支座處)：

Mmax=0.107ql2=0.107×7.2×6202=296 142 N·mm。

柵條截面面積：

A=th=14×80=1 120 mm2。

支座處最大剪力(第2跨左側)：

R=0.607ql=0.607×7.2×620=2 710 N 。

支座處剪應力校核：

τ=R/A=2 710/1 120≈2.4 MPa<τall=91.6 MPa 。

柵條截面特性：

W=th2/6=14×802/6≈14 933 mm3。

I=th3/12=14×803/12≈597 333 mm4。

彎曲應力校核：

σ=M/W=296 142/14 933≈19.8 MPa<σall。

撓度校核(5跨連續梁)：

Δf=0.006 5×ql4/EI=0.006 5×7.2×6204/206 000×597 333≈0.056 mm

3.2 主梁計算

1) 容許應力

抗拉及抗彎容許應力：

抗剪應力容許應力：

2) 結構強度計算

作用在主梁上單位長度的荷載：

q″=q′b′=0.06×620=37.2 N/mm 。

主梁最大彎矩：

116 250 000 N·mm 。

主梁截面面積：

A′=t′h′=24×620=14 880 mm2。

主梁支座反力：

R′=q″l′/2=37.2×5 000/2=93 000 N 。

支座剪應力校核：

支座截面特性計算：

W′=t′h′2/6=24×6202/6≈1 537 600 mm3。

I′=t′h′3/12=24×6203/12=476 656 000 mm4。

彎曲應力校核：

撓度校核：

Δf′=5q′l′4/384EI′=5×37.2×5 0004/384×206 000×476 656 000≈3.1 mm

3.3 水頭損失計算

水頭采用Kirschmer-Thoma的實驗推導公式：

(7)

式中k為柵條斷面形狀系數，取2.42；t為柵條厚度，取1.4 cm；h為柵條高度，取8 cm；d為柵條凈距，取10.4 cm；v0為平均過柵流速，取120 cm/s；g為重力加速度,取981 cm/s2；α為攔污柵安裝傾斜角,取80°。

攔污柵的柵面不被雜物阻塞的情況下：

Δh=2.42×(1.4/10.4)4/3×(1202/2×981)×sin80°≈1.2 cm 。

攔污柵的柵面被雜物堵塞35%的情況下：

Δh=2.42×(1.4/10.4)4/3×(184.62/2×981)×sin 80°≈2.86 cm 。

3.4 柵條振動計算

1) 單根柵條的固有頻率計算，具體的計算公式及注釋如下所示：

(8)

2) 渦流脫落產生的干擾頻率，計算公式及注釋如下所示：

ft=Stv/t

(9)

式中t為柵條厚度，取1.4cm；St為Strouhal數，取St=0.12+0.012b/t=0.12+0.012×12/1.4=0.22。

第1種情況：攔污柵未被堵塞；v=120 cm/s;

ft=Stv/t=0.22×120/1.4≈18.9 Hz 。

單根柵條的固頻率與渦流脫落引起的干擾頻率之比值：

n=fn/ft=165/18.9≈8.7>>2.0 。

單根柵條的固頻率與渦流脫落引起的干擾頻率之比值：

n′=fn/ft=165/29≈5.7>2.5 。

根據攔污柵的上述各項計算結果分析，攔污柵的設計滿足美國設計規范的要求。

4 結語

通過對美國《水工鋼閘門設計手冊》及《水工鋼結構設計規范》中關于攔污柵的各項設計要求的解讀，并與我國《水電站鋼閘門設計規范》及《水電站機電設計手冊》(金屬結構二)中相應的攔污柵設計條款的對比，不難看出，兩國的設計標準有很多相近之處，但美國的設計標準在攔污柵的強度及剛度設計方面相比我國規范要求更加嚴格一些。根據多年來涉外工程的設計經驗，以及與歐美咨詢工程師的溝通角度考慮，掌握及熟悉歐美設計規范是非常有必要的；尤其，在施工圖紙及計算文件的報批環節，可以極大的提高圖紙及計算文件的通過率，縮短設計周期，提高效益。