烏弄龍水電站攔污排選型、布置及設(shè)計(jì)

黃 偉，邱崇俊，李 斌

（1.華能瀾滄江水電股份有限公司烏弄龍·里底水電工程建設(shè)管理局，云南 維西 674606；2.中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650216）

0 引言

水電站受漂浮物危害嚴(yán)重，現(xiàn)階段水電站治理漂浮物的主要方式有攔漂、排漂和清漂[1]?，F(xiàn)有的設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定，攔污設(shè)施的布置型式應(yīng)根據(jù)河流中污物的種類、數(shù)量及對(duì)清污的要求來(lái)確定[2-3]，在進(jìn)水口應(yīng)設(shè)置攔污柵，并采取門(mén)前撈漂、機(jī)械清污或提柵清污等防污措施，必要時(shí)可設(shè)置攔漂、導(dǎo)污設(shè)施，集中清污[4-5]。最近幾年，對(duì)于污物較多的河流上的電站，為緩解和減小水電站進(jìn)水口攔污柵污物堵塞的壓力，常在進(jìn)水口前設(shè)置（或增設(shè)）一道攔污排，將進(jìn)入電站進(jìn)水口水域表層的漂浮物先行攔截，待合適時(shí)機(jī)將漂浮物清除或?qū)胖料掠?，從而減輕攔污柵的攔污和清污機(jī)清污壓力。

目前我國(guó)攔污排的設(shè)計(jì)還沒(méi)有相應(yīng)的規(guī)程規(guī)范，只能憑借工程經(jīng)驗(yàn)，參考已建工程進(jìn)行設(shè)計(jì)。此外，由于不同電站的樞紐布置、地理地形、風(fēng)向及風(fēng)速、水流條件、污物形式各不相同，也很難做結(jié)論性的技術(shù)設(shè)計(jì)指導(dǎo)[6]。本文結(jié)合烏弄龍攔污排的選型、布置及設(shè)計(jì)，在總結(jié)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)柔性攔污排的設(shè)計(jì)做了進(jìn)一步的探索。

1 工程概況

烏弄龍水電站位于云南省迪慶州維西縣巴迪鄉(xiāng)境內(nèi)，為瀾滄江上游水電規(guī)劃7個(gè)梯級(jí)電站中的第2個(gè)電站，壩址控制流域面積8.59萬(wàn)km2，多年平均流量744 m3/s，多年平均徑流量235億m3，工程屬二等大（2）型工程。電站主要任務(wù)以發(fā)電為主，水庫(kù)總庫(kù)容2.84億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容0.36億m3，為日調(diào)節(jié)水庫(kù)，電站裝機(jī)容量990 MW。

烏弄龍水電站庫(kù)區(qū)漂浮物主要是因暴雨沖刷至河道的樹(shù)枝、原木和部分生活垃圾。庫(kù)區(qū)漂浮物主要有以下兩個(gè)來(lái)源，一是水庫(kù)蓄水和汛期隨雨水沖刷帶進(jìn)江中的樹(shù)枝、原木和柴草等；二是沿江進(jìn)入江內(nèi)的生活垃圾。水庫(kù)漂浮物一般暴發(fā)在主汛期及蓄水期。主汛期漂浮物主要來(lái)自于陸地面源被雨水沖刷后帶入河流中的雜物；蓄水期的漂浮物則主要來(lái)源于蓄水期間被淹沒(méi)的兩岸植被及淹沒(méi)地的垃圾。一般每年的第一次洪水期漂浮物來(lái)量較大，如遇大暴雨漂浮物來(lái)量也會(huì)明顯增加。

2 攔污排選型

目前國(guó)內(nèi)外均沒(méi)有攔污排設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)范 ，也沒(méi)有明確的設(shè)計(jì)導(dǎo)則做指導(dǎo)，攔污排的結(jié)構(gòu)形式也多種多樣。對(duì)國(guó)內(nèi)部分水電站攔污排進(jìn)行了調(diào)查統(tǒng)計(jì)，經(jīng)分類比較，根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)用廣泛的主要有鉸接型攔污排和柔性攔污排兩種。

2.1 鉸接型攔污排

鉸接型攔污排主要由排體和滑槽及埋件組成，排體分成若干排節(jié)，節(jié)間鉸接，排體兩端嵌在混凝土墩滑槽內(nèi)，滑槽內(nèi)設(shè)有鋼埋件。每節(jié)排體由鋼板焊接而成，分為浮箱、柵條。該種型式的攔污排可隨水位的變化自動(dòng)升降，兩側(cè)有滑槽，浮箱一般采用金屬浮箱，柵條也一般采用金屬柵條。由于這種攔污排結(jié)構(gòu)可承受拉力較大，一般為一跨，中部不設(shè)拉錨裝置。這種攔污排工程量較大，重量少則幾十噸，多則幾百噸。該種型式現(xiàn)已成功地應(yīng)用于國(guó)內(nèi)許多大中型水電站中，如糯扎渡水電站、魯?shù)乩娬尽⒕昂樗娬?、功果橋水電站等?/p>

2.2 柔性攔污排

柔性攔污排主要由浮箱、攔污網(wǎng)、鋼絲繩、地錨墩（或滑槽）組成。該種型式的攔污排可隨水位的變化自動(dòng)升降，兩端可為固定形式或滑槽形式。浮箱可采用金屬浮箱或非金屬浮箱，非金屬浮筒由 PE高分子材料制成，與金屬浮箱相比重量較輕，不需要進(jìn)行定期防腐處理，制造和維護(hù)成本低。由于這種攔污排排體結(jié)構(gòu)輕，拉力較小，兩端和中間設(shè)拉錨裝置，承受荷載較小，為鉸接型的1/10，可大幅減少錨墩邊坡開(kāi)挖、支護(hù)及鋼筋混凝土工程量，容易施工。該型式攔污排使用的電站有：瀑布溝水電站、深溪溝水電站、龔咀水電站等，該類型的攔污排國(guó)內(nèi)有專業(yè)的制造安裝企業(yè)。

2.3 攔污排類型選擇

鉸接型攔污排與柔性攔污排相比，鉸接型攔污排工程量遠(yuǎn)大于柔性攔污排，后期防腐等維護(hù)費(fèi)用也大于柔性攔污排。鉸接型攔污排兩端必須采用滑槽，而柔性攔污排兩端可采用滑軌或地錨墩形式，滑槽荷載和工程量也大于滑軌或地錨墩。若清污不及時(shí)發(fā)生意外導(dǎo)致斷排等事故時(shí)，鉸接型攔污排對(duì)電站進(jìn)水口的危害也大于柔性攔污排。

根據(jù)樞紐布置特點(diǎn)，結(jié)合電站庫(kù)區(qū)污物的種類、數(shù)量，經(jīng)綜合比選，烏弄龍水電站攔污排選用可隨水位自動(dòng)升降的柔性攔污排結(jié)構(gòu)。這種攔污排結(jié)構(gòu)能隨水位自動(dòng)升降保證了攔污范圍無(wú)死角；運(yùn)行期除清污和例行檢查外無(wú)需人工干預(yù)，增加了運(yùn)行的靈活性；采用柔性結(jié)構(gòu)，使攔污排具有“隨波逐流”的特性，改善了攔污排結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。

3 攔污排布置

烏弄龍水電站攔污排布置在引水發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)水口前約30 m處，使漂浮物與電站進(jìn)水口有一定的距離。攔污排軸線大致與進(jìn)水口壩段的壩面平行。攔污排一端固定在泄洪壩段壩體上的P1點(diǎn)，另一端固定在大壩右岸的P2點(diǎn)。庫(kù)區(qū)污物采用導(dǎo)排方案，通過(guò)攔污排將污物導(dǎo)排至大壩表孔進(jìn)口，結(jié)合大壩表孔泄洪進(jìn)行排污。

圖1 攔污排布置示意圖

由于攔污排整體跨度較大，為改善攔污排在正常工作時(shí)的受力狀態(tài)，減小攔污排兩端的基礎(chǔ)荷載，在排體上設(shè)置兩根鋼絲繩作為安保系統(tǒng)，鋼絲繩固定在左岸岸坡上的P3點(diǎn)，安保系統(tǒng)鋼絲繩將攔污排沿跨徑分成三段。由于大壩溢洪道表孔泄洪時(shí)，攔污排靠近大壩處P1點(diǎn)局部流速過(guò)大，最大流速為3.58 m/s，為改善在此種情形下攔污排的受力狀態(tài)，減少排體和P2點(diǎn)荷載，在排體上設(shè)置三根鋼絲繩作為反向拉錨，鋼絲繩固定在進(jìn)水口閘墩上P4、P5和P6點(diǎn)，反向拉錨鋼絲繩將攔污排沿跨徑分成不等長(zhǎng)的四段。

4 攔污排主要參數(shù)

最大風(fēng)速：19 m/s

斷面流量：1 380 m3/s （四臺(tái)機(jī)滿負(fù)荷發(fā)電流量）

斷面水流速（正常發(fā)電）：1.0 m/s

局部最大流速（泄水時(shí)靠近P1點(diǎn)）：3.58 m/s

水庫(kù)正常蓄水位：1 906.00 m

攔污排最低運(yùn)行水位：1 901.00 m

攔污排最高運(yùn)行水位：1 908.70 m

滑軌底部高程：1 899.00 m

滑軌頂部高程：1 909.50 m

水上攔污高度：0.43 m

水下攔污深度：2.12 m

攔污排跨度：238.4 m（直線距離）

5 攔污排結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 功能組成

攔污排主要由三部分構(gòu)成：第一部分為攔污系統(tǒng)，由滑軌及支架、滑車、浮箱、連接桿、浮漂、攔污網(wǎng)、重錘等組成，是攔污排的主要部分，攔污系統(tǒng)在水位變幅區(qū)間可隨水位升降而自由升降，無(wú)需人工干預(yù)；第二部分為安保系統(tǒng)，由安保系統(tǒng)鋼絲繩、錨固點(diǎn)裝置、浮漂等組成，安保系統(tǒng)可以改善排體受力，限制排體移動(dòng)，并可有效防止失控船只等損壞攔污排之后排體無(wú)序漂浮而誘發(fā)的事故；第三部分為反向拉錨系統(tǒng)，由反向拉錨鋼絲繩、錨固點(diǎn)裝置、浮漂等組成，反向拉錨系統(tǒng)可以改善泄洪時(shí)排體的整體受力，限制排體移動(dòng)，也可保證排體在受到不可抗拒外力等原因斷排后，排體仍被拉住，避免對(duì)溢洪道表孔工作弧門(mén)安全造成威脅。

5.2 攔污排荷載及計(jì)算分析

攔污排由若干連接桿鉸結(jié)相連成鏈狀, 屬柔性結(jié)構(gòu)體系, 在壩前水域受到復(fù)雜水流、大風(fēng)、波浪和漂浮物沖擊等荷載單獨(dú)或共同作用，由于不同工程水電站樞紐布置情況各異、庫(kù)區(qū)污物來(lái)量和種類不同，水電站進(jìn)水口所在地域、地形、地貌和氣候條件變化、發(fā)電與泄洪設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)不一等因素，使得在不同運(yùn)行條件下，漂浮式攔污排產(chǎn)生不同的張拉形狀和張力[7]。攔污排在水面受到的全部荷載將轉(zhuǎn)化為張力并經(jīng)過(guò)約束在滑軌內(nèi)的滑車最終傳遞給攔污排兩端的支架，并通過(guò)支架的錨固件傳遞到基礎(chǔ)上。

在攔污排的設(shè)計(jì)中，通常將水流力、風(fēng)壓力、浪壓力、由于水壓差引起的壓力，以及撞擊力等主要荷載疊加作用在攔污排上來(lái)進(jìn)行分析和計(jì)算，從而驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的安全性。計(jì)算中假定攔污排的浮漂和連桿結(jié)構(gòu)自身的剛度較大，水流、風(fēng)和波浪力對(duì)攔污排結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的位移遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)本身的變形，各種荷載對(duì)攔污排結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的作用力局限于水平面內(nèi)[7]。

周坤[6]在研究了國(guó)內(nèi)攔污排張力計(jì)算的相關(guān)文獻(xiàn)后指出，按鏈狀柔性結(jié)構(gòu)體系假設(shè)理論來(lái)計(jì)算攔污排的張力，可以比較合理地反映浮式攔污排的受力情況，但這種方法對(duì)水流參數(shù)要求較多，參數(shù)值需較準(zhǔn)確，而設(shè)計(jì)時(shí)這些參數(shù)的獲取是比較困難的，且計(jì)算公式較為復(fù)雜，故在實(shí)際工程中應(yīng)用的相對(duì)較少；按拋物線形假設(shè)理論來(lái)計(jì)算浮式攔污排的張力，雖然計(jì)算結(jié)果與實(shí)際有一定的差異，但計(jì)算方法簡(jiǎn)單易行，工程上普遍采用。

烏弄龍攔污排設(shè)計(jì)時(shí)考慮安保鋼絲繩和反向拉錨鋼絲繩的作用，并按拋物線形假設(shè)理論來(lái)計(jì)算攔污排的張力，最終得到攔污排最大張力為238 kN，安保鋼絲繩最大拉力為154 kN，反向拉錨鋼絲繩最大拉力為172 kN。

5.3 各主要部件選型設(shè)計(jì)

（1）攔污系統(tǒng)

滑軌及支架采用焊接結(jié)構(gòu)，滑車可以沿滑軌垂直滑動(dòng)。滑軌安裝在泄洪壩段壩體上的P1點(diǎn)和大壩右岸岸坡上的P2點(diǎn)，安裝高程為1 899.00 m～1 909.50 m，滑軌通過(guò)支撐桿焊接在錨板上，滑軌的設(shè)計(jì)拉力為300 kN。

連接桿采用特制高強(qiáng)度閉式螺旋扣，強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到CB/T 3818要求的T級(jí)，設(shè)計(jì)荷載250 kN，破斷荷載不小于875 kN，安全系數(shù)不小于3.5。

浮箱和滑車采用不銹鋼焊接結(jié)構(gòu)。浮箱主要作用是為端部設(shè)備提供浮力，保證端部設(shè)備在浮力、摩擦力及重力的作用下能隨水位自動(dòng)升降，浮箱箱體四周焊縫封口后必須做滲漏試驗(yàn)保證不漏水?；囍饕饔檬菍r污排張力傳遞給滑軌及支架，滑車設(shè)計(jì)荷載為250 kN。

浮漂的主要作用是產(chǎn)生浮力，浮漂采用無(wú)毒無(wú)味、不污染水體的LLDPE（線性低密度聚乙烯）材料制作。浮漂內(nèi)部充滿聚氨酯泡沫，保證即使在浮漂漏水情況下，也能由聚氨酯發(fā)泡提供浮力，保證浮漂浮力的耐久性。浮漂直徑為Φ700 mm，長(zhǎng)度為1 000 mm，壁厚10 mm，外部整體承壓強(qiáng)度大于0.05 MPa。

網(wǎng)體采用鍍鋅鋼絲繩編織成菱形，網(wǎng)目為200 mm×200 mm，通過(guò)Φ8 mm的鍍鋅鋼絲繩綁扎在浮漂的肋槽中，網(wǎng)體底部掛有直徑為Φ135 mm的鑄鐵重錘，防止在水流的作用下網(wǎng)體飄起。

圖2 攔污系統(tǒng)示意圖

（2）安保系統(tǒng)

安保鋼絲繩選用40 ZAA6×36 WS+IWR-1 670 ZS的鍍鋅鋼絲繩，最小破斷拉力951 kN，鋼絲繩安全系數(shù)大于5，安保系統(tǒng)鋼絲繩用卸扣與攔污系統(tǒng)和錨固裝置相連。安保鋼絲繩上靠近兩端處每隔5 m設(shè)一個(gè)直徑為Φ800 mm的浮漂，防止連接點(diǎn)過(guò)重局部下沉。

（3）反向拉錨系統(tǒng)

反向拉錨系統(tǒng)鋼絲繩選用40 ZAA6×36 WS+IWR-1 670 ZS的鍍鋅鋼絲繩，最小破斷拉力951 kN，鋼絲繩安全系數(shù)大于5。反向拉錨系統(tǒng)鋼絲繩用卸扣與攔污系統(tǒng)和錨固裝置相連。鋼絲繩與排體連接部位固定直徑為Φ800 mm的浮漂，防止連接點(diǎn)過(guò)重局部下沉。

6 結(jié)語(yǔ)

烏弄龍水電站攔污排于2019年1月安裝完成并投入運(yùn)行，投入運(yùn)行后，攔污效果較明顯，有效地減輕了電站進(jìn)水口攔污柵及清污抓斗的工作壓力。烏弄龍水電站采用的柔性攔污排結(jié)構(gòu)能有效地適應(yīng)攔污排跨度大、兩端基礎(chǔ)承載力小、局部流速大的特點(diǎn)，值得其他類似工程借鑒和推廣。