高流速攔漂系統的研究與實踐
——以桐子林水電站為例

陳啟春，鄧仕路，洪盛榮，張惠明，李邦宏，鐘衛華，賈 剛，崔家仲

（1.東方水利智能科技股份有限公司，四川 德陽 618000；2.雅礱江流域水電開發有限公司，四川 成都 610056；3.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610031）

0 前言

以往國內外水利水電工程攔漂排一般是在低流速下工作，隨著水利水電工程的不斷建設和發展，以及對河流污染控制和環境保護要求的提高，水利水電工程出現了高流速攔漂、清漂的要求。其中，雅礱江桐子林水電站攔漂工程最具代表性，設計最大過漂流速3.6 m/s，工程建設面臨諸多挑戰，主要技術難點為：①攔漂流速大，無同類攔漂工程案例參考；②運行狀況難預測，設計風險大；③安全性與經濟性矛盾突出。

為此，雅礱江流域水電開發有限公司聯合東方水利智能科技股份有限公司以桐子林水電站攔漂工程為依托，開展了高流速攔漂系統研發的技術攻關。經過模型試驗和設計探索，研究出一種可在高速水流下運行的新型攔漂系統。

1 高流速攔漂排實驗研究

1.1 攔漂排張力模型

攔漂排的張力是一個非常重要的技術參數，對攔漂排及其錨固墩的安全和造價影響極大，以往沒有一個統一的算法，采用懸鏈線公式計算攔漂排張力較多，有必要對采用懸鏈線公式計算攔漂排張力算法進行試驗驗證[1-5]，為此，構思了如圖1所示的攔漂排張力測試原理模型，其試驗測試模型如圖2 所示。

圖1 攔漂排張力測試原理模型

圖2 攔漂排張力測試試驗模型

1.1.1 模型參數

試驗水渠1 寬12.3 m，水深2.6 m，水流速度約1 m/s；試驗水渠2 寬4.5 m，水深2.5 m，水流速度約2.4 m/s；攔漂排懸掛點直線距離L=11.2 m，浮箱尺寸600 mm×600 mm×600 mm，浮箱數量10 個，浮箱吃水深度約300 mm。

1.1.2 試驗數據記錄

（1）攔漂排各個浮箱所受沖擊力如表1 所示。

表1 實測攔漂排浮箱所受沖擊力 單位：kgf

（2）攔漂排鋼絲繩懸鏈實測張力如表2 所示。

表2 攔漂排鋼絲繩懸鏈實測張力

（3）各個浮箱位置流速大小如表3 所示。

表3 實測攔漂排各浮箱對應位置流速 單位：m/s

1.1.3 實驗數據與計算數據對比分析

（1）懸鏈均布力q。

1）按載荷平均分布簡化方式計算（計算張力會小于實際張力）。

10 個浮箱共同受到的水流沖擊力：

懸鏈單位長度分布受力：

2）按受力最大的兩個浮箱平均值計算（計算張力會大于實際張力）。

受力最大的兩個浮箱沖擊力平均值：

懸鏈單位長度的分布力：

（2）按上述q1、q2方式分別對矢高1.232 m、1.592 m、1.852 m、2.392 m 的攔漂排懸鏈張力進行計算，并與實測值進行比較分析，如表4 所示。

表4 不同矢高的攔漂排懸鏈實測張力與計算張力對比

1.2 高流速下浮箱運行狀況及浮箱水流沖擊力模型試驗

通過試驗探索浮箱在高速水流作用下的運行狀況和受力特點，高速水流下浮箱沖擊力試驗模型如圖3 所示，高速水流下浮箱運行狀況模型試驗如圖4 所示，高速水流下單個浮箱沖擊力試驗浮箱位置流速如表5 所示。

表5 高速水流下單個浮箱沖擊力試驗浮箱位置流速

圖3 高速水流下浮箱沖擊力模型

圖4 高速水流下浮箱運行狀況模型試驗

（1）浮箱沖擊力理論計算

單位面積（1 m2）所受的理論沖擊力：

式中：Cw為水流阻力系數，取Cw=1.8；pw為水的密度，pw=9.8 kN/m3；Vw為水流速度，Vw=2.424 m/s（根據表1 數據，取大值）；hD為單位面積1 m2正方形的高度，hD=1 m；g為重力加速度。

浮箱迎水面所受的理論沖擊力：

根據單個浮箱沖擊力試驗所測數據（160～196 kg），試驗浮箱所受沖擊力均值為：

（2）誤差比例及分析

誤差比例：

誤差分析：由于浮箱的迎水面較小，沖擊水流存在從浮箱兩側及上下流走的情況，使水流所受阻力減小，即浮箱所受沖擊力減小。

模型試驗表明，采用懸鏈公式計算攔漂排的張力與試驗實測誤差不大，是可適用的計算方法，水流阻力系數Cw=1.8 合理；在常規流速下浮箱所受沖擊力是恒定的，但在高速水流下浮箱受到的沖擊力變化較大，浮箱運行狀況不穩定，因此，在高流速下，攔漂系統設計必須考慮浮箱劇烈波動這一工況。

1.3 高流速浮箱研究

試驗表明，浮箱在高速水流下迎水面受沖擊力大，為了減小沖擊力，應將浮箱迎水面設計為水流阻力較小的圓弧面；從抗傾翻角度出發，浮箱與鋼絲繩的理想懸掛點位置為浮箱迎水面端高度方向的中間部位，但不便于安裝和清漂，因此將其設計在浮箱迎水面的上部；為了增強浮箱抗沖擊的穩定性，浮箱的重心在高度方向應盡量的低，在水平方向應盡量遠離懸掛點。高流速浮箱結構及其工作姿態如圖5 所示。

圖5 高流速浮箱結構及其工作姿態

浮箱俯視圖呈凸字形，浮箱迎水面較寬，且箱體空腔容積較大，主要用于產生浮力；浮箱背水面較短，且箱體空腔容積較小，主要用于存放配重物，使浮箱重心距懸掛點更遠，從而加大浮箱的抗傾斜能力。浮箱懸掛點設置在迎水面端斜上方，這種懸掛方式保證了浮箱在任何流速下都只會圍繞鋼絲繩向下游方向轉動，但永遠不會翻轉。從圖5 可以看出，隨著水流速度的增加，浮箱上游端面繞鋼絲繩逐漸向下游方向轉動，水流對浮箱的沖擊力P雖在加大，但其作用力臂H卻在不斷減小，當達到一定流速時，水流沖擊力P的作用力臂將會接近于零，此時，水流沖擊力P對浮箱不再有傾轉力矩，而起平衡作用的浮箱自重G的作用力臂LG仍大于產生傾翻作用的浮箱浮力F的作用力臂LF，G與F大小相同，此時浮箱總的平衡力矩仍然大于傾翻力矩，因此浮箱永不翻轉。隨著水流速度的降低，浮箱又會回到正常的工作狀態，這就是采用該種浮箱攔漂排永不翻轉的運行機理。在桐子林水電站實際運行中，該浮箱長6 m、掛柵入水深度0.8 m、自重4 409 kg、配置配重2 000 kg，其抗水流沖擊穩定性能良好，在3.2 m/s 流速時，實測浮箱僅傾斜了約40°。而此前被各大水利水電工程廣泛使用的攔漂排箱形浮箱，相似規格浮箱（寬1.6 m，高1.2 m，長6 m，掛柵入水深度0.8 m，自重4 800 kg，配重2 000 kg）最大只能承受約1.5 m/s 的流速，當大于這個水流速度時，浮箱就會發生翻轉。

1.4 浮箱與鋼絲繩連接方式

攔漂排浮箱與鋼絲繩傳統連接方式采用壓板固定式，如圖6 所示。

圖6 浮箱與鋼絲繩傳統連接方式

在高水流速度下，浮箱與鋼絲繩共同高頻擺動，而攔漂排相鄰浮箱的擺動姿態各異，鋼絲繩被壓緊部位附近將會產生疲勞破壞，導致鋼絲繩的使用壽命大大縮短。為此，研發了回轉鉸接懸掛裝置，其工作原理為，在鋼絲繩上安裝剖分式固定套，固定套緊扣鋼絲繩，固定套與鋼絲繩不產生相對運動，浮箱連接件的套筒與鋼絲繩上的固定套相互轉動，設計優點是鋼絲繩固定不動，鋼絲繩不會產生疲勞破壞，大幅延長了鋼絲繩的使用壽命。浮箱與鋼絲繩回轉鉸接連接方式如圖7 所示。

圖7 浮箱與鋼絲繩回轉鉸接連接方式

2 新型攔漂排結構特點

（1）浮箱的懸掛點設置在浮箱迎水面端斜上方，這種懸掛方式保證了浮箱在任何流速下都只會圍繞鋼絲繩向下游方向轉動，當水流速度增加到一定程度后，浮箱會達到自平衡狀態，此時浮箱受到的水流沖擊力對回轉點（鋼絲繩繩心）的傾轉力臂接近于零，水流沖擊力不再推動浮箱轉動，浮箱實現永不翻轉；隨著水流速度的降低，浮箱又會回到正常的工作狀態。

（2）浮箱的水平面投影呈凸字結構，浮箱迎水面較寬，箱體空腔容積較大，主要用來產生浮力，浮箱背水面較短，箱體空腔容積較小，主要用于存放配重物，這種結構拉長了浮箱沿水流方向的尺寸，浮箱的重心距懸掛點更遠，使重力對浮箱的穩定力矩更大，從而加大了浮箱的抗傾斜能力。

（3）采用在浮箱里填充新型高分子低吸水輕質材料，浮箱內部空間填滿后，即使浮箱破壞也不會發生沉沒，留有充足的處理時間，預防了事故隱患。

（4）浮箱與鋼絲繩間采用了可回轉式懸掛結構。在回轉連接座和鋼絲繩之間設置了組合護套，組合護套由兩個帶把合法蘭的啞鈴形半瓦組成，半瓦中間無法蘭，半瓦兩端有把合法蘭，兩個半瓦卡在鋼絲繩上，通過兩半瓦的法蘭進行把合，把緊后兩法蘭間及兩半瓦間均留有間隙，以確保組合護套與鋼絲繩卡為一體，即使在外力作用下，組合護套與鋼絲繩間仍保持緊密接觸，不產生軸向移動和相互轉動。浮箱回轉座采用開合軸承座結構，套于啞鈴形組合護套的中間軸上，回轉連接座與組合護套中間軸為間隙配合，浮箱通過回轉連接座與組合護套中間軸配合轉動實現繞鋼絲繩自由擺動，避免了鋼絲繩因高頻扭動而破壞；回轉連接座被夾在啞鈴形組合護套的大端之間，使回轉連接座得到了軸向定位，從而使浮箱在鋼絲繩長度方向得以定位[6-9]。

3 與國內外同類工程主要技術指標對比

桐子林水電站高流速攔漂系統工程總體性能指標與國內外同類工程對比，如表6 所示。

表6 桐子林水電站高流速攔漂系統總體性能指標與國內外同類工程對比

由表6 可知，該項目研發的高流速攔漂系統，可適應的水流速度大大高于國內外其他攔漂工程，浮箱懸掛點布置在浮箱迎水面端上方，凸字形、非對稱結構的永不翻轉浮箱，浮箱回轉鉸接懸掛裝置，可抗彎抗扭的攔漂排自潰安全保護裝置等技術的應用，均屬國內外首創。攔漂系統實際運行狀況如圖8 所示。

圖8 攔漂系統實際運行狀況

4 應用效果

該項目擁有完全自主知識產權，開發了多項關鍵技術，獲得了國家授權的發明專利2 項，實用新型專利4 項[10-15]。該項目的研發成果已在桐子林水電站進行了全河面攔漂應用，攔漂排軸線長度286 m，自2016 年投入運行以來，最高運行流速達3.2 m/s，攔漂排前漂浮污物最大囤積量約15 000 m3、厚度約2.0 m，運行穩定，效果良好，達到了預期的設計效果。