淺析南水北調東線大屯水庫清污設施改造方案

張 明 王立健 任澤儉

（1.水發(fā)公用事業(yè)集團有限公司，山東 濟南 250109；2.南水北調東線山東干線有限責任公司，山東 濟南 250109）

0 概述

大屯水庫位于德州市武城縣，南水北調東線一期工程末端。該水庫的主要功能是調蓄向德州市供水。大屯水庫最大庫容5 209 萬m3，相應蓄水設計位29.80 m，死庫容745萬 ，相應設計死水位21.00 m，水庫調節(jié)庫容4 464 萬m3。入庫泵站設計流量為12.65 m3/s，引江水通過水庫調蓄后，向德城區(qū)和武城縣城區(qū)全年均勻供水，利用壓力管道輸水至德城區(qū)及武城縣水廠。主要建筑物有圍壩、入庫泵站樞紐、供水洞及六五河節(jié)制閘等工程。機組運行時前池水位為19.4 m ～19.8 m。

該次清污設施功能完善工程屬入庫泵站附屬工程，清污閘設計流量12.65 m3/s，攔污索處引水流量12.65 m3/s，設計水位20.00 m。該處六五河防洪流量226 m3/s，除澇流量149.2 m3/s。六五河節(jié)制閘設計擋水位21.00 m，排澇水位22.40 m。

1 現(xiàn)狀清污閘優(yōu)化改造的必要性

1.1 現(xiàn)狀清污設施

現(xiàn)狀清污閘長12.0 m，凈寬4.0 m，上游采用M10 漿砌石扭面與引渠銜接，清污閘采用鋼筋砼開敞式閘室結構，墩頂高程22.00 m，上設攔污柵與清污機，并設有檢修橋與清污橋。清污閘下游接泵站前池，水平投影長20 m，底寬由4.0 m 漸變至18.3 m，擴散角19.672°，滿足最小擴散錐角要求。前池底板為鋼筋混凝土結構，厚0.5 m，底板頂高程由17.90 m 降至15.90 m，底板頂高程由17.90 m 降至16.30 m，底坡1 ∶12.5。

清污閘上設清污機一臺，孔口寬4.0 m。該處渠底高程17.90 m，渠頂高程22.0 m。清污機為往復式液壓抓斗式，柵體與渠底呈傾斜角70°布置。清污機柵條規(guī)格為80 mm×10 mm/Q235，柵條凈距為120 mm，柵條背水面上下各用一道槽鋼橫梁加固，設計上、下游水頭差1.0 m。用清污機攔截水流中的漂浮物，并將污物自動卸在清污橋面上，由人工運出。

1.2 現(xiàn)有清污機在運行中存在的問題

泵站調水運行期間，上游河道兩側的被風吹進的生活垃圾、樹木、樹枝、雜草等經(jīng)過水流的沖擊，大量的污物都堵塞在攔污柵上[4]，大大減小了過柵流量。同時因清污機工作動作復雜、單耙效率低下、卸污效果差，且每個洞口都需人工手動操作，費時費力，又不能及時將污物從渠道內清理出來，在進水口處形成擁堵，嚴重影響泵站正常調水作業(yè)。主要存在以下4 個問題。1）耙斗自重小，隨著污物增多及種類變化，耙斗不能較好地清理污物，尤其是水草漂浮在水面，積聚多時，造成耙斗不能下沉打撈污物。2）清污機上部缺少有效的卸污翻轉裝置，由于耙斗式清污機工作的線性原理，污物到達頂部后，部分污物難以落到皮帶機上，而是重新滑落至柵前水面上。3）自動化控制系統(tǒng)與清污機PLC 中斷，不適應工程的運行管理。4）在不考慮柵條阻水損失的情況下，根據(jù)凈寬4 m、底板高程17.9 m、柵前水位19.9 m，泵站設計流量12.65 m3/s 時，初步計算孔口流速為1.58 m/s，過柵流速明顯大于要求。對泵站前池水流流態(tài)影響較大，很紊亂，泵站機組運行存在較大安全隱患[3]。

1.3 清污機技術改造的必要性

由于南水北調東線渠道大部分利用原有湖泊和河道，特別是利用老六五輸水河道，沒有護砌和封閉管理，造成泵站調水運行期間，引水渠中污物量大，種類繁雜，攔污柵淤堵嚴重，上下游水頭差較大。同時因清污機工作動作復雜、單耙效率低下、卸污效果差，污物清除不及時，在進水口處形成擁堵，嚴重影響泵站的正常調水作業(yè)。為了防止污物進入泵站前池，提高水泵的運行效率，對大屯水庫清污設施進行優(yōu)化改造和功能完善十分必要。

2 清污機的選型

清污機的形式主要有耙斗式和回轉齒耙式2 類。清污機在選型時一般根據(jù)運行時可能存在的污物量的多少和污物的類型，再結合工程現(xiàn)場設計布置方式來確定，在進行方案設計時，應先調查運行狀態(tài)和控制目標。耙斗式清污機按安裝方式分為固定式和移動式，耙斗的開閉方式又分為繩索式和液壓驅動式，耙斗式清污機適用于水電站進水口攔污柵的清污比較多。而回轉齒耙式清污機在南水北調東線泵站工程進水口的清污與攔污柵做成整體運用比較成功。液壓馬達驅動和電動機驅動是目前清污機動力驅動主要方式。

2.1 耙斗式清污機

根據(jù)布置方式可以采用固定式、移動式和單軌懸吊式[5]。耙斗的形式有斗狀或齒耙狀。而斗狀耙斗主要適合清理樹枝、樹根及塊狀等浮游桿狀及大尺寸垃圾。齒耙式耙斗主要適用清理水草等較細軟的污物。

2.2 回轉齒耙式清污機

這種形式的清污機主要適用于小樹枝、水草等體積較小而數(shù)量較多的情況下的雜物清理[1]。大屯水庫工程自2013 年運行以來，大體積的污物如樹根、大的塊狀建筑垃圾已經(jīng)很少量存在，主要是以小樹枝、水草等體積較小的污物為主。清理不干凈易影響泵站機組的安全穩(wěn)定運行。

綜合比較，采用回轉齒耙式清污機，符合該工程實際。

3 清污閘優(yōu)化改造的主要建設內容

大屯水庫清污設施功能完善工程任務是通過改建入庫泵站清污閘和在六五河上增設攔污索，攔污索[2]和清污閘共同運用，可基本清除所控范圍內六五河河道內的污物。提升清污設施清污能力，改善前池進水流態(tài)和泵站運行條件，提升泵站機組運行效率。

3.1 清污閘改建工程

大屯水庫清污設施改造工程順水流向依次為上游連接段、清污閘及下游連接段。

上游銜接段采用M10 漿砌塊石扭面長8 m。清污閘段長16.5 m，布置回轉式清污機2 臺，攔污柵2 扇，配套污物輸送皮帶機1 臺，首端設有吊物柱、手動葫蘆及檢修橋以便檢修及維護，檢修橋寬1.5 m，清污閘末端設清污橋，考慮到清污機滾筒及齒輪占用寬度及污物多，需要雙向交通等因素，擬定橋面寬8 m，兩側設橋頭搭板，橋面設置鋪裝層。清污閘后接前池連接段，底坡仍為1 ∶12.5，兩側采用U 型槽與現(xiàn)狀擋墻銜接。

3.2 增設攔污索工程

在六五河節(jié)制閘和引水閘順水流向軸線交點處六五河上游50 m 處新建攔污索1 道，包括固定樁柱、固定索、套索及行走裝置。設置2 排固定樁柱，左右岸各2 棵，直徑0.6 m 鉆孔灌注樁，樁頂高程20.00 m，底高程2.4 m，樁上部為C30 鋼筋混凝土柱，柱頂高程22.00 m，與左岸戧臺平齊，兩排樁間距2.6 m，上游側樁設置固定索2 根，長50 m，下游側樁設固定索2 根，攔污索1 根，抓斗及行走裝置固定在固定索上。左岸設置5 t 卷揚機拉伸，抓斗采用往復式運動于固定索上，以達到將污物拉至左岸進行清除之目的。

3.3 閘基防滲、排水設計

根據(jù)地質資料，閘基為裂隙黏土，閘基允許滲流坡降值水平段建議為 0.15，出口段建議為0.25。清污閘防滲長度16.5 m，滿足規(guī)范要求。閘室下游前池兩側擋土墻立墻根部均設置PVC 排水管，管徑50 mm，及時消減墻后水壓力。

3.4 電氣部分

六五河節(jié)制閘160 kVA 變壓器，能夠滿足其上游一道攔污索配套的3 kW 的卷揚機電機的起動要求。可以接至閘配電柜出線回路。泵站500 kVA 站用變壓器，能夠滿足18.5 kW 清污機電機的起動要求[6]?？梢越又疗渑潆姽癯鼍€回路。因此，對改建后電纜走線及控制均按原型式予以恢復。

3.5 金屬結構部分

泵站前池進口設回轉式清污機2 臺。清污機型號為HQ 5.0 mm×5.0 m，設計安裝角度70°，清污機前最高水位為21.80 m，設計水頭差2.0 m。清污機柵條規(guī)格為80 mm×10 mm，柵條凈距為100 mm。每臺清污機配套電動機功率5.5 kW。攔污柵主體材質為Q235B，聯(lián)接螺栓螺母、滾子、套筒、鏈板等材料為不銹鋼材料。清污機預埋件采用型鋼和鋼板焊接件，全部為一期預埋。清污機將污物自動卸在清污橋的皮帶輸送機上，然后人工集中裝車運出。清污機各部件的防腐蝕處理嚴格按照要求執(zhí)行。

3.6 觀測設計

清污閘觀測項目包括水位、沉降以及水平位移等。水位標尺設在清污閘上下游水面平穩(wěn)、受水流影響較小的位置。利用在水庫己建好的基網(wǎng)和基點、工作基點，將沉陷、水平位移觀測標點分別布設在閘墩上下，各觀測標點宜設在同一條視準線上。

4 結語

大屯水庫清污閘優(yōu)化改造項目的實施，大大提升了清污設施清污能力，改善了前池的進水流態(tài)，解決了困擾大屯水庫的清污技術問題，改善了泵站的運行條件，水流入前池更為順暢，水泵運行更平穩(wěn)，噪聲更小，提升泵站機組運行效率，達到預期效果，有利于大屯水庫安全經(jīng)濟運行。