攔漂排失事案例分析處理及思考

汪艷青，周 浩

(中水珠江規劃勘測設計有限公司，廣州 510610)

1 概述

2021年，《水電工程攔漂排設計規范》(NB/T 10609—2021)發布實施。該規范在廣泛調查、深入研究的基礎上，總結了我國水電工程攔漂排設計科研、制造安裝、運行維護等方面的實踐經驗，為水電工程攔漂排的設計提供了一定的指導和依據[1]。

長期以來，我國攔漂排的設計沒有相應的設計規范和標準，沒有成熟的結構形式，缺乏真實反映攔漂排受力狀態的結構計算分析方法[2-3]，很多已建工程攔漂排的設計過程都是摸著石頭過河，造成許多已建工程的攔漂排不可靠，攔污、排污效果差，洪水期污物經常堵塞進水口攔污柵，輕則導致發電水頭降低，機組出力減少，影響發電效益，重則導致攔污柵甚至攔漂排自身結構破壞，嚴重危及機組運行安全[4-5]。

由于工程布置情況各異，庫區污物來量和類型不同，水電站所在地形條件、氣候條件、發電和泄洪洪水標準不一等因素[6]，甚至在不同運行條件下，攔漂排的運行工況都具有特殊性，目前雖有規范指導，但攔漂排的設計仍存在諸多不確定因素。目前關于攔污排的相關文獻資料，大多是關于攔漂排布置和設計方案的探討[7-14]，對于工程實際運行中出現的關于攔漂排工程質量事故的報道及分析總結較少。因此，為盡可能的避免攔漂排出現質量事故，影響工程安全運行，需要設計者從已建工程的攔漂排工程質量事故中的汲取經驗教訓，并結合工程實際，不斷優化攔漂排設計方案。

2 攔污排失事案例分析及處理

2.1 攔漂排拉斷

廣東省某航運樞紐工程位于連江上 、下梁州河段之間，由泄水閘、廠房 、船閘、副壩及護岸等組成。廠房設有3臺燈泡貫流式機組，裝機容量為10 MW，正常蓄水位為29.0 m，死水位為28.5 m。在電站進水口前緣設置了1道攔漂排，攔漂排軸線長度為55 m，與水流夾角為61°。攔漂排設置在攔沙坎上，高出攔沙坎頂2 m。攔漂排由9個鋼質雙浮筒串連組成，中間用十字鉸連接，上下游兩端用自浮式錨頭。2012年3月，電站3臺機組同時發電運行時，攔漂排發生翻轉斷排事故。斷排位置發生在靠上游浮體連接處，連接拉桿扭成麻花狀(見圖1)。

圖1 節間拉桿扭曲示意

經現場查看和分析，翻轉斷排主要原因是由于排軸線與水流夾角太大，排前污物未能及時清理，大量污物堆積排前，急劇增大阻水面積，進而增大傾覆力，同時攔沙坎處水流紊亂，浮體承受超設計荷載。

處理措施是在每節雙浮筒浮體后再增加1個平衡浮筒，形成三浮筒結構，增加浮體穩定性，同時要求運管單位及時清理排前污物，減小排前荷載(見圖2)，目前攔漂排運行正常。

圖2 攔漂排增加平衡浮筒示意

2.2 攔漂排錨墩翻倒

廣東省某中型航電樞紐工程由泄水閘、電站廠房、船閘3部分組成，電站廠房布置在右側，泄水閘布置在電站左側。水庫正常蓄水位為75.0 m，設計洪水位(5%)為75.12 m，校核洪水位(1%)為76.22 m。電站設有3臺燈泡貫流式機組，裝機容量11.7 MW。電站進水口前緣設置了1道攔漂排，在進水口設置了傾斜式攔污柵配耙斗式清污機清污，攔漂排前采用人工清污。攔漂排軸線長度為55 m，與水流夾角為66°。浮體為雙浮筒拉桿連接，上下游錨頭為自浮式浮筒，上錨頭設在上游錨墩內，下錨頭設在靠近廠壩導水墻上游的錨墩內。2004年蓄水初期，電站運行后，攔漂排下游錨墩發生傾覆(見圖3～圖4)。

圖3 某工程全貌示意

圖4 攔漂排下游錨墩傾覆示意

經現場查看和分析，錨墩傾覆的主要原因是由于攔漂排與水流夾角太大，過排水流紊亂；攔漂排下游端錨墩為懸臂結構，與廠壩導水墻結構分開設計，承受較大的水平荷載；下游錨墩底部受水流沖刷，基礎被淘空。

處理措施是對下游錨墩和基礎重新施工，與廠壩導水墻澆注成整體結構，同時做好抗沖刷措施。

2.3 攔漂排翻轉

江西省某大型航電樞紐工程由船閘、泄水閘、電站廠房、魚道、連接壩段等組成，電站廠房布置在右側，泄水閘布置在電站左側。水庫正常蓄水位為32.5 m，設計洪水位為36.57 m，校核洪水位為37.95 m。電站裝機容量為112 MW，設有7臺燈泡貫流式機組。為改善監控泄水閘側的機組取水效果，在廠壩連接的導墻上設了2扇補水攔污柵。攔漂排采用若干個鋼浮箱，中間用鋼質十字鉸連接，端部用自浮式錨頭。攔漂排分為兩跨，上跨長度為158 m，排軸線與水流方向夾角為49.2°；下跨長度為255 m，排軸線與與水流方向夾角為17.1°。攔漂排下跨中后部設置拉錨裝置，防止泄洪期攔漂排隨意擺動或反向拖曳，拉繩通過托繩浮筒浮于水上。2019年6月30日，泄水閘開啟，電站初期7臺機低水位運行，同時泄水閘再部分下泄洪水；7月1日，下跨攔漂排整體翻轉，部分掛柵被沖掉，上跨攔漂排排前污物堆積，呈傾斜狀態攔污；2019年8月，清理完污物后將攔漂排翻轉過來；2020年2月15日，下跨攔漂排再次翻轉。翻排前一天泄水閘有開啟泄洪，電站6臺機發電，發電時庫前水位約為30 m，發電流量接近設計流量。下跨攔漂排錨墩及邊機組導墻補水柵及下跨攔漂排翻轉見圖5～圖6。

圖5 下跨攔漂排錨墩及邊機組導墻補水柵示意

圖6 下跨攔漂排翻轉示意

經現場查看并分析，主要是由于攔污排下跨為電站流量主要過流區，兩次翻排均在泄水閘開啟泄洪過程中或泄洪后，庫水位較低，均在30 m左右，低于正常蓄水位2 m多，且由于攔污排布置位置在攔沙坎處，攔沙坎頂高程為26.0 m，加之污物擁堵，實際過水高度僅3 m左右，7臺機組或6臺機組發電時，引用流量接近設計流量，過排流速遠大于正常運行流速，且多為橫向水流，排前后水流流態紊亂，低水位大流量外加橫向高流速下，攔污排運行條件極差。初步設計階段的水工模型試驗未模擬攔污排，對進水前沿包括攔沙坎處未提示橫向流過大及流態紊亂問題。根據電站實際運行觀測，電站進水口前沿水流流態與模型試驗結果存在一定差異。另外，水流紊亂流速過大，無法在發電工況下及時清理排前污物，攔污排前污物堆積較多，引起排身不穩而傾覆。

處理建議：將攔漂排翻轉歸位后，控制攔污排運行水位不低于31.5 m；若確需在低水位下運行，應提前解開攔污排拉至右側岸邊固定，或者改造攔污排，利用電站停機時段，將攔污排上的欄桿、掛柵等附件拆除，僅留下浮箱，以便低水位運行時，減輕污物和水流對浮排運行的不利影響，減小對過排水流的阻礙，避免出現翻轉、斷排等安全事故。排前污物應及時停機借助清污機械清理。

3 思考和建議

結合以上的攔漂排工程案例，對水電站攔漂排在布置設計及運行管理方面提出以下幾點思考和建議。

1)攔漂排應布置在地形和水流條件都有利的位置，應充分考慮水工結構的影響。為增強下跨端錨墩的抗傾覆能力，宜將下錨墩與廠壩導水墻澆注成整體結構。攔漂排軸線應盡量避開攔沙坎布置，因布置在攔沙坎處，將引起過排水流斷面減小，水流流速突變，流態也往往比較紊亂，容易引起攔漂排張力增大，排身翻轉。

2)攔漂排前流速不宜太大，需充分重視低水位大流量運行的工況。從工程實際運行看，攔漂排軸線處流速過大，攔漂排張力增大，攔漂排清漂難度增大。在低水頭河床式水電站中，一般采用正常蓄水位下的平均流速和校核水位下端面平均流速來計算兩種工況下浮排張力，往往會忽略電站低水位運行，但引用流量較大甚至接近設計流量的工況，這種情況過排流速相當大，張力也相當大，甚至會對錨墩和浮排自身結構造成破壞。因此，建議結構設計時考慮此工況，如果有條件，低水位大流量運行時考慮解排運行。

3)有條件的工程在水工模型試驗階段應提前納入攔漂排進行試驗驗證。由于攔漂排設計的特殊性，存在很多不確定因素，在初期布置方案和結構形式確定后，應整體納入水工模型試驗，模擬各種運行工況下攔漂排的布置和結構的安全性，從而及時調整設計方案。進行水工模型試驗時，是否納入攔漂排對進水口前沿流速場的確定有一定影響，上述翻排案例工程水工模型試驗時未納入攔漂排，模型試驗結果進水口前沿水流流態平順，橫向流角度不大，與實際運行中流態紊亂、橫向流過大的情況存在較大差異。

4)加強運行管理，攔漂排前及時排污、清污。通常，攔漂排只有靠近壩端的反向水流產生的反弧段的污物才能被泄洪水流帶走，自動導污效果不理想。大部分工程主要還是將攔漂排前的污物打撈上岸處理，但實際上攔漂排的清污較為困難，通常清漂船在風力4級以下、流速2 m/s以下的情況下才能夠進行正常的清漂工作，而攔漂排前的水流流速極不均勻，最大流速往往是平均流速的2～3倍，且往往流態紊亂，一般的清漂船難以在不停機工況下安全工作。這也對清漂船的各項技術參數性能提出了更高的要求，希望可依托水電站攔漂排前的復雜水流條件，研發出能在電站不停機情況下安全運行的智能化清漂機器人，為運行管理單位解決實際難題。另外，在攔漂排運行中應隨時注意每個攔污浮箱或浮筒的平衡情況，并通過調整平衡塊以保證攔漂排的平衡。

4 結語

低水頭河床式電站發電水頭非常寶貴，電站進水口的攔污、清污設計方案至關重要，關系到運行安全及發電效益，往往需要統籌考慮，選擇最優的方案。攔漂排作為第一道攔污防線，因其布置設計存在諸多不確定因素及工程的獨特性，往往成為工程攔污、清污方案成敗的關鍵。從業人員只有不斷總結和吸取已建工程的經驗和教訓，主動將攔漂排納入水工整體模型試驗，優化布置設計方案，避免攔漂排設計失誤。同時也寄希望于研發單位能夠研發出電站不停機情況下安全運行的智能化清漂機器人，為運行管理單位解決攔漂排清污難題。