洪家渡水電站錨固式攔漂排布置與優(yōu)化設(shè)計(jì)

羅德武

（中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081）

水電站庫(kù)區(qū)污物以漂浮物為主，在未泄洪狀態(tài)下大部分污物隨水流漂浮至引水發(fā)電進(jìn)水口攔污柵前，若清污不及時(shí)容易造成攔污柵堵塞，影響發(fā)電機(jī)組出力，嚴(yán)重時(shí)損壞攔污柵結(jié)構(gòu)，威脅機(jī)組安全運(yùn)行。為減輕進(jìn)水口攔污柵前的攔污、清污壓力，國(guó)內(nèi)外新建水電站大部分均考慮了庫(kù)區(qū)設(shè)置攔漂排，許多已建電站經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，亦提出增設(shè)攔漂排的需求，作為庫(kù)區(qū)攔污、清污的第一道設(shè)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(jí)“龍頭”電站，電站裝機(jī)600 MW，總庫(kù)容49.47 億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容33.61 億m3，設(shè)計(jì)洪水位1141.43 m，正常蓄水位1140 m，死水位1076 m，屬多年調(diào)節(jié)水庫(kù)。隨著上游庫(kù)區(qū)養(yǎng)殖與旅游業(yè)的興起，污物逐漸增多，隨水流漂浮至電站進(jìn)水口、溢洪道及大壩前；且近壩庫(kù)區(qū)設(shè)有多家工業(yè)企業(yè)的浮動(dòng)式泵站取水點(diǎn)，對(duì)庫(kù)區(qū)水域的清潔提出了更高要求。為保障電站的安全運(yùn)行，有效攔截庫(kù)區(qū)漂浮物，洪家渡水電站需在庫(kù)區(qū)增設(shè)一道攔漂排。

2 攔漂排方案比選

洪家渡水電站為烏江梯級(jí)的“龍頭”電站，無(wú)通航要求，壩前庫(kù)區(qū)河道較寬，水庫(kù)運(yùn)行水位變幅達(dá)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(jù)庫(kù)區(qū)規(guī)劃和現(xiàn)場(chǎng)地形、地質(zhì)勘查情況，攔漂排橫跨庫(kù)區(qū)主河道，設(shè)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(jié)構(gòu)，兩端部連接鋼絲繩錨固于庫(kù)區(qū)左、右岸混凝土張拉墩，錨固點(diǎn)高程為設(shè)計(jì)洪水位高程。由于庫(kù)區(qū)水位變幅較大，攔漂排設(shè)計(jì)馳度100 m，以滿足庫(kù)區(qū)水位變化時(shí)攔漂排仍能隨水位變化而升降運(yùn)行。方案一布置型式見(jiàn)圖1。

圖1 攔漂排方案一（上游立視）

2.2 方案二：兩端導(dǎo)軌升降型式

攔漂排由端部導(dǎo)軌、浮箱梁、過(guò)渡浮箱、浮箱、浮箱連接座等組成。端部浮箱梁與過(guò)渡浮箱連接，在其自身浮力及過(guò)渡浮箱浮力作用下隨庫(kù)區(qū)水位變化在導(dǎo)軌內(nèi)上下移動(dòng)，中間若干鋼浮箱鉸接串連形成柔性鏈狀結(jié)構(gòu)浮于水面，設(shè)計(jì)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(nèi)污物，浮箱掛攔污柵后傾斜可在浮箱內(nèi)加混凝土配重保證平衡。端部導(dǎo)軌底檻高程1074 m，頂部高程1146 m，以此保證攔漂排能隨庫(kù)水位變化而升降運(yùn)行。方案二布置型式見(jiàn)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(kù)容大，河道跨度寬，運(yùn)行水位變幅高，結(jié)合工程實(shí)際情況分析了上述兩種方案的各自特點(diǎn)。

方案一（錨固型式）：施工方便，均為水上作業(yè)，施工期對(duì)庫(kù)水位無(wú)特殊要求；土建開挖及混凝土工程量較少；攔漂排設(shè)計(jì)馳度較大，能夠滿足庫(kù)區(qū)的運(yùn)行水位變幅，但當(dāng)水位較錨固點(diǎn)高程下降較多時(shí)，兩端部有浮箱擱淺河岸，攔漂效果較好。

方案二（導(dǎo)軌升降型式）：施工難度大，需在庫(kù)區(qū)低水位運(yùn)行的窗口期施工，且存在水下作業(yè)；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(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 工程量及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)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(kù)區(qū)攔漂排布置型式采用方案一。

3 荷載分析與計(jì)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(fēng)及污物對(duì)浮箱的荷載，冰、雪荷載相對(duì)其他主要載荷較小，可忽略不計(jì)。洪家渡電站攔漂排以庫(kù)區(qū)水位為工況分類基準(zhǔn)，擬定了各工況的運(yùn)行條件及荷載組合見(jiàn)表2。

表2 攔漂排各工況運(yùn)行條件及荷載組合

3.2 荷載計(jì)算

（1）水流作用在攔漂排水面以下結(jié)構(gòu)的水平荷載[1]：

式中：Kc為水流阻力系數(shù)，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(jù)各工況分別取值。

（2）風(fēng)作用在攔漂排水面以上結(jié)構(gòu)的水平荷載[1]：

式中：Ka為空氣流阻力系數(shù)，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(fēng)為計(jì)算風(fēng)速，取14 m/s。

（3）根據(jù)《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》，當(dāng)擋水建筑物迎水面前水深H＞Hcr和H＞Lm/2 時(shí)，擋水建筑物單位長(zhǎng)度上的浪壓力值[2]：

式中：Pwk單位長(zhǎng)度迎水面上的浪壓力；Lm平均波長(zhǎng)；h1%累積頻率為1%的波高；hz波浪中心線至計(jì)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(shù)，0.0＜η≤1.0。

（4）攔漂排張拉力計(jì)算

為計(jì)算攔漂排各運(yùn)行工況下的最大張力，假設(shè)攔漂排同時(shí)受到的水流、風(fēng)和波浪三種主要荷載，且風(fēng)的方向與水流方向一致，同時(shí)考慮攔漂排500 N/m 的攔污能力。計(jì)算得出攔漂排各運(yùn)行工況下的荷載及張拉力見(jiàn)表3。

表3 各工況荷載及張拉力

由表3 可知，當(dāng)庫(kù)區(qū)水位在設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，機(jī)組滿發(fā)加最大泄洪流量下，攔漂排同時(shí)受水流、風(fēng)和波浪的荷載值最大，且受載跨度最長(zhǎng)，因此以攔漂排在工況3 運(yùn)行條件下的張拉力作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制條件。

4 攔漂排結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)兩端錨固式攔漂排的布置情況，當(dāng)庫(kù)區(qū)水位降低時(shí)兩端部有部分浮箱擱淺河岸邊，易損壞浮箱結(jié)構(gòu)，對(duì)攔漂排運(yùn)行是安全隱患。因此，對(duì)攔漂排結(jié)構(gòu)做了以下優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析：

（1）在浮箱上、下游面設(shè)置吊耳，張拉繩穿過(guò)每個(gè)浮箱吊耳后錨固于兩端張拉墩，浮箱所受水流、風(fēng)、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(fā)生翻轉(zhuǎn)或傾斜；

（3）由于浮箱不承載張拉力，浮箱框架工字鋼型號(hào)及面板厚度均減小，浮箱之間的連接軸直徑減小，節(jié)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(jié)構(gòu)，能提供水平與豎直方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，形成高度柔性的鏈狀系統(tǒng)，避免因水位變化時(shí)，浮箱之間因自由度干涉而破壞浮箱結(jié)構(gòu)；

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

攔漂排結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的細(xì)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 攔漂排細(xì)部結(jié)構(gòu)（俯視）

5 結(jié)語(yǔ)

洪家渡水電站庫(kù)區(qū)攔漂排建成以來(lái)，攔漂效果較好，有效降低了引水發(fā)電進(jìn)水口的攔污、清污壓力。兩端錨固式攔漂排通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用張拉繩作為主要受力部件，鋼浮箱掛設(shè)于張拉繩上，在保證攔漂效果的同時(shí)，工程投資更省，施工更便利。目前國(guó)內(nèi)外水電站庫(kù)區(qū)攔漂排型式各異，本工程的攔漂排布置型式、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)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。