攔污漂在河床式廠房水電站的設(shè)計與應用

文勝良，曹 波，趙鴻文

（1.中國電建集團海外投資有限公司，北京市 100048；2.湖北長江工程設(shè)計有限公司，湖北省武漢市 430010）

1 項目概況和背景

南歐江一級水電站壩址位于老撾 13 號公路南歐江大橋上游約10km，距離南歐江和湄公河匯口約18km，為南歐江七個梯級開發(fā)中的最下游梯級。工程的開發(fā)任務為發(fā)電，電站校核洪水位311.01m，正常蓄水位 307.00m，死水位305.00m，有效庫容 0.22×108m3，具有日調(diào)節(jié)性能，最大壩高 52.5m，裝機容量 180MW（4×45MW）。樞紐建筑物主要由左岸非溢流壩段、11孔泄洪閘壩段、安裝間和發(fā)電廠房壩段、右岸非溢流壩段、進水口上游攔沙坎等建筑物組成。

南歐江流域內(nèi)庫區(qū)兩岸植被茂密且人為活動頻繁，當?shù)鼐用窳晳T于通過刀耕火種對山林進行開荒，每年4月旱季即將結(jié)束、雨季來臨前，當?shù)鼐用駮⒋笃纳搅挚撤シ贌筮M行旱稻、橡膠或者柚木等作物的種植。每年5～10月份雨季時山洪的侵蝕導致河道產(chǎn)生大量的漂浮物，對電站運行產(chǎn)生一定的不利影響，對庫區(qū)內(nèi)的漂浮物進行有效的攔截和排漂管理，是確保電站長久、穩(wěn)定運行的一項重要工作。

2 攔污漂的必要性和可行性分析

南歐江六級水電站大壩是復合土工膜面板軟巖堆石壩，安裝使用浮筒式浮橋攔污漂防止漂浮物對大壩上游的復核土工膜面板的破壞[1]。六級水電站庫容相對較大具有季調(diào)節(jié)功能，進水口軸線方向與原河道水流方向近乎垂直，進水口底板遠高于原河床，進水口高程以下河道起到了沉砂池的作用；正常蓄水位510.0m與死水位490.0m之間落差較大，因此漂浮物對于進水口和發(fā)電系統(tǒng)的影響很小。攔污漂布置上與河道水流方向夾角小，起到了很好的導向作用，運行實踐表明在雨季洪水期泄洪時能夠?qū)ζ∥镞M行有效的排漂工作，減少壩前和進水口前漂浮物的堆積和沉積，對柔性復合土工膜起到了良好的保護作用。

南歐江一級水電站為徑流式開發(fā)水電站，廠房形式為河床式廠房，庫容小，水位變幅小，發(fā)電水頭相對較低，采用貫流式水輪機發(fā)電機組，其機組形式?jīng)Q定了進水口高程較低。由于防推移質(zhì)和懸移質(zhì)泥沙考慮，利用進水口上游二期橫向圍堰改造成攔沙坎，在攔沙坎和廠房進水口前形成一個前池。一級水電站河床式廠房與泄洪建筑物相鄰布置，從流域內(nèi)其他同類已運行電站了解可知，河流在汛期遭遇洪水，期間大量漂浮物隨洪水涌入河道，污染水質(zhì)，隨河道湍急的洪水下泄，漂浮物壅堵在箱涵進口造成箱涵過流能力降低[2]。如果不對河流中漂浮物進行攔截并通過泄洪閘向下游排放，在機組檢修、引用流量較小或者汛期不發(fā)電時，水流流速降低導致部分樹木等漂浮物與泥沙裹挾沉積在進水口前池范圍內(nèi)，或產(chǎn)生堆積造成進水口攔污柵堵塞，嚴重時可降低發(fā)電水頭和發(fā)電流量，甚至部分漂浮物通過攔污柵間隙進入流道造成檢修閘門啟閉困難、導水機構(gòu)或水輪機卡阻等不良影響，不僅會造成較大的電量損失，還給電站運行帶來安全隱患；清污機只能清除攔污柵上的部分附著物，且再配合人工轉(zhuǎn)運垃圾的工作量太大，也相應增加了轉(zhuǎn)運費用。一級水電站位于流域七個梯級電站開發(fā)的最下游，入庫的漂（懸）浮物是最多的，結(jié)合南歐江六級水電站攔污漂的運用，南歐江一級水電站河床式廠房進水口上游修建攔污漂是很有必要且是可行的。

3 攔污漂的方案設(shè)計和實施

3.1 攔污漂設(shè)計目的

該項目攔污漂設(shè)計的主要目的是為了有效攔截上游南歐江流域人類活動或者洪水、泥石流所帶入河道的枯草樹枝或生活垃圾。其布置應盡可能避開高速水流區(qū)，工程正常發(fā)電時能人工清渣，或?qū)ι嫌纹∥镞M行引導配合泄洪設(shè)施能夠進行有效排漂，減少或者降低對廠房進水口攔污柵的淤堵，減小發(fā)電水頭損失；在攔污漂受超標洪水等不可抗力被破壞時，攔污漂繩索破斷后漂體及附屬設(shè)施對大壩、泄洪設(shè)施和廠房進水口攔污柵不造成安全威脅。

3.2 攔污漂布置方案

南歐江一級水電站校核洪水位 311.01m，正常蓄水位307.00m（也即百年一遇P=1%設(shè)計洪水位），死水位 305.00m，日常運行或者防洪度汛時水位變動幅度小，為便于施工和運行管理，將攔污漂兩錨固段設(shè)置為固定點，利用攔污漂主索的柔性和撓度隨著水位小幅波動而調(diào)節(jié)。一端設(shè)置在右岸混凝土錨固墩上固定，一端設(shè)置在導沙墻上固定。右岸錨固墩擬布置在右岸13號公路側(cè)，因右岸13號公路是老撾北部最重要的交通要道，錨固段位置選擇除了滿足地質(zhì)條件要求，更要求保證施工期間不對道路交通造成影響，經(jīng)比選后選擇A點作為右岸錨固墩位置，上游凸起的土包還能在洪水期間保護錨固墩少受水流的沖擊。B點布置在導沙墻上，由于前期未考慮布置攔污漂，導沙墻未預埋鋼板且前端是弧形，因此B點布置在導沙墻的內(nèi)側(cè)，AB連線與壩軸線夾角約為45°，布置方案見圖1。

圖1 攔污漂平面布置示意圖（單位：m）Figure 1 Layout of floating debris trashrack（unit：m）

3.3 攔污漂結(jié)構(gòu)設(shè)計

南歐江一級水電站日常運行中水位變動幅度小，按照設(shè)計要求，攔污漂的設(shè)計使用年限為5年，到期或者損壞時更換相關(guān)配件或設(shè)施，考慮到其作為3級次要建筑物，從工程實用性和經(jīng)濟合理性角度出發(fā)，按照百年一遇洪水（p=1%）條件下的荷載進行計算是合理可行的，壩前水深H約為19m，根據(jù)樞紐布置圖估算水庫壩址直線吹程D取值為800m。

3.3.1 攔污漂力學計算

現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查表明，左岸公路邊坡是整體抗滑穩(wěn)定的。考慮到攔污排結(jié)構(gòu)自重與浮力保持平衡，均無其他垂直方向的荷載，僅考慮水流、風和浪等基本組合作用在攔污漂上所產(chǎn)生的拉力[6]。對于3級混凝土重力壩，正常蓄水位時設(shè)計風速可采用多年平均最大風速的1.5～2.0倍[5]，該項目壩前計算風速va采用多年平均最大風速4.6m/s的2倍考慮，即va=9.2m/s。

（1） 水流產(chǎn)生的作用力[3，6]。

式中：kw為水流阻力系數(shù)，取值1.80[3]；γw為水的重度，取值9.8kN/m3；g為重力加速度，9.8m/s2；vw為百年一遇洪水泄洪工況下壩前斷面平均水流速，計算約為vw=1.6m/s；hw為攔污漂及攔渣網(wǎng)入水深度，0.8m。代入公式（1）可得出垂直于壩軸線方向的水流作用力Pw=0.18kN。

（2） 風的作用力[3，6]。

式中：ka為空氣阻力系數(shù)，取值1.90[3]；γa為空氣的重度，取值0.0127kN/m3；ha為攔污漂水面以上高度，0.35m。代入公式（2）可得單位長度上攔污漂上的風的作用力Pa=0.11kN。

（3） 浪的作用力。

攔污漂為采用錨系柔性定位的漂浮結(jié)構(gòu)，對波浪沖擊具有很大的緩沖和消能作用，其運動狀態(tài)十分復雜，波浪荷載及其作用效應，一般需引入修正系數(shù)適當簡化[5]。因該項目為內(nèi)陸峽谷水庫，可按官廳水庫公式[4，5]進行計算波浪要素，從而計算波浪作用力。

當H≥Lm/2 時[5，6]，

式中：h為波高，當gD/v2=20～250時h為累計頻率5%的波高h5%，當gD/v2=250～1000時h為累計頻率10%的波高h10%

[5]；h1%為累計頻率1%的計算波高，可通過h和文獻[5]中表1.3-3反推求得；Lm為波長；hz為波浪中心線至正常蓄水位的高差；η為考慮只有部分浪壓力作用在攔漂排上而引人的波浪壓力修正系數(shù)[3，6]，0≤η≤1，考慮到攔污漂作為3級次要建筑物以及受損或破斷后維修的便利性，η在該項目中取值0.3；其他參數(shù)同前。

將各參數(shù)代入上述公式可得h=0.25m，Lm=3.40m，h1%=0.31m，hz=0.09m，攔污漂單位長度上的浪作用力P=0.98kN。

（4） 攔污漂上作用力合計。

將水、風、浪三個作用力簡化為均布荷載，可知攔污漂所受均布荷載如下：

將所計算的風、水流、浪作用力代入公式（7）可得單位長度上攔污漂上所受的作用力q攔=0.18+0.11+0.98=1.27kN/m。

（5） 攔污漂主索軸線拉力。

索狀柔系結(jié)構(gòu)往往受到復雜的荷載作用具有不同的平衡形狀從而產(chǎn)生不同的張力分部規(guī)律[7]，攔污漂形態(tài)和軸向張力分布規(guī)律受水流、風、波浪組合作用的影響非常明顯，應用實例表明不同運行工況呈現(xiàn)不同的形態(tài)，目前國內(nèi)攔污漂錨固端和漂體之間受力計算一般采用懸鏈線理論計算法和非線性迭代計算法，均通過一定假定條件建立計算模型。

攔污漂屬于柔性大位移結(jié)構(gòu)體系，許多工程按照懸鏈線理論對漂浮式攔漂排結(jié)構(gòu)進行計算分析，計算結(jié)果在一定程度上不能反映真實張力的非均勻性[6]，但計算簡單實用。武漢大學針對非線性迭代方法開發(fā)的計算程序，根據(jù)虛功原理導出攔漂排平衡狀態(tài)的非線性方程組，采取迭代方法求得攔漂排軸線張拉形狀和張力的數(shù)值解，具有計算精度高、收斂性好的優(yōu)點，但邊界條件的設(shè)定較苛刻，計算過程較復雜[6]。受地形地貌影響，水流、風、浪作用力機制非常復雜，需要通過模型和原型試驗深入研究才能取證，本文從攔污漂設(shè)置的主要目的和工程應用效果考慮，采用懸鏈線理論根據(jù)下列公式計算錨固端和攔污漂主索軸向受力情況[6]。

式中：L為攔污漂主索長度，225m；f為攔污漂主索矢高，15m；q為攔污漂所受的風、水、浪壓力均布荷載，q=q攔=1.27kN/m，代入公式（8）可計算攔污漂主索產(chǎn)生的軸向拉力，也即錨固墩所受拉力F=536.94kN，約為53.7t，采用 1 根直徑φ32，單根破斷強度約 66t 的迪尼瑪繩作為主索。

3.3.2 右岸錨固墩A設(shè)計

右岸錨固墩建基面開挖至強風化層，根據(jù)應力計算確?；椎鼗休d力應不小于150kPa，在建基面上鋪碎石，壓實形成泥結(jié)石層，然后及時澆筑混凝土墊層后采用混凝土澆筑，混凝土容重參照項目試驗室數(shù)據(jù)取為24kN/m3，錨固墩體形設(shè)計為6m×4m×5m（長×寬×高）=120m3，底部高程為306.0m，頂部高程為311.0m，錨固點高程為310.0m，正常運行水位時拉索下垂角度約30°。

結(jié)構(gòu)物的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Ks一般是以滑動面上的抗滑力和滑動力的比值來定義，即Ks=P抗/P滑，因錨固墩工程規(guī)模小，底基礎(chǔ)面水平，本文根據(jù)抗剪強度公式（摩擦公式）進行計算。并計算錨固墩基底應力和抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，驗算右岸錨固墩的整體穩(wěn)定性。

式中：Ks為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為抗剪摩擦系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗取值0.4；ΣG為錨固墩所受綜合向下的力；U為錨固墩所受綜合向上的力，主要是浮力；F為錨固墩所受綜合水平向作用力，按校核洪水極限工況下攔污漂主索破斷強度考慮，即F=660kN。將各參數(shù)代入公式（9）可得Ks=0.4×（120×24-120×10）/660=1.02＞1.0，滿足要求。

式中：σ為錨固墩基底應力；ΣG為錨固墩所受綜合向下的力，主要是重力和攔污漂向下的分力，正常運行水位時拉索下垂角度約30°，攔污漂向下分力系數(shù)取值sin30°；A為錨固墩基底面積；考慮最不利工況，即錨固墩應不考慮水的浮力作用，將各參數(shù)代入公式（10）可得σ=（120×24+536.94×sin30°）/（6×4）=131.2kPa，綜合考慮錨固墩基礎(chǔ)承載力應不小于150kPa。

式中：K0為抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)；L1為錨固墩所受綜合向下力的力矩，取值3.5m；L2為錨固墩所受綜合水平力的力矩，取值（310-306）/2=2m；按校核洪水極限工況下攔污漂主索破斷強度考慮，即F=660kN。將各參數(shù)代入公式（11）可得Ks=（120×24-120×10）×3.5/（660×2）=4.45＞1.5，滿足要求。

綜上所述，右岸錨固墩體形設(shè)計和布置方式滿足整體穩(wěn)定安全要求，另外基礎(chǔ)按照間距1m、入基深度為1m布置12根2m長的φ25螺紋鋼筋作為插筋，增強錨固墩的抗剪斷強度和整體抗滑穩(wěn)定能力。

3.3.3 壩體錨固端B點設(shè)計

B點布置在導沙墻上，由于前期未考慮布置攔污漂，導沙墻未預埋鋼板且前端是弧形，因此B點布置在導沙墻的內(nèi)側(cè)，金屬結(jié)構(gòu)支撐底座在工廠制作完成，其安裝需要在現(xiàn)有導沙墻混凝土面植入若干錨筋，且植筋時不應打斷導沙墻結(jié)構(gòu)鋼筋，采用 A級膠錨固。

3.3.4 攔污漂漂體設(shè)計

該項目攔污漂設(shè)計采用迪尼瑪繩作為主索+單浮筒+攔渣網(wǎng)的形式，攔渣網(wǎng)能增加水下的攔渣延展深度，能增加對漂浮物的攔截效率。

攔污漂的組成采用兩半式浮筒+攔渣網(wǎng)+平衡錘的形式，主索從中心穿過。浮筒材質(zhì)為超強滾塑聚乙烯材料，單體規(guī)格型號為直徑φ600mm，長度1m，兩半式；攔渣網(wǎng)采用φ6mm鋼筋網(wǎng)片，單片網(wǎng)尺寸2m×1m，孔徑160mm×160mm，通過兩半式浮筒夾緊固定，網(wǎng)片露出浮筒底部約550mm，網(wǎng)片可拆卸便于維護和更換；平衡錘直徑φ300mm，內(nèi)部填充混凝土，外包聚乙烯材料，每個浮筒配2個，通過掛繩系在主索上懸吊在網(wǎng)片下游側(cè)以確保攔渣網(wǎng)整體上處于垂直狀態(tài)。浮筒吃水深度約250mm，攔渣總深度約800mm。

3.4 應用效果及評價

南歐江一級水電站自2019年11月中旬開始下閘蓄水，由于當?shù)鼐用穹贌搅帧⑶捌趲靺^(qū)清理、上游電站排漂形成大量漂浮物。運行過程中發(fā)現(xiàn)，攔漂索上游側(cè)堆積較多漂浮物，而廠房進水口與攔污漂之間的水域雜物很少，說明攔污漂的設(shè)計能夠?qū)ζ∥镞M行有效攔截。由于受新冠疫情等不可抗力影響，目前機組投產(chǎn)發(fā)電只有兩臺，進度較計劃滯后，廠房引用流量較少，進水口前水流速度較小，攔污漂前后的水流壓差小，在水流、普通風浪的作用力下，隨風浪起伏，形態(tài)呈現(xiàn)不同的張拉線形狀，攔漂索受力狀態(tài)穩(wěn)定良好，攔漂索和錨固段未見破壞。

進入雨季后，電站從防洪度汛角度考慮庫水位降至死水位附近運行，當攔污漂及泄洪閘前的漂浮物堆積較多時，電站運行人員根據(jù)指令適當開啟靠近壩體錨固點的泄洪閘閘門排漂，在水流的帶動作用下，大部分漂浮物隨著攔污漂的引導從廠房旁邊的泄洪閘排至下游，使得廠房進水口與攔污漂之間的水域比較干凈，有效實現(xiàn)了對漂浮物的有效攔截和排漂導向目的，為機組運行發(fā)電創(chuàng)造了良好的外部環(huán)境。

4 結(jié)論

（1） 對于徑流式開發(fā)中的河床式廠房水電站，由于庫容小，汛期洪水攜帶的漂浮物常容易堵塞攔污柵，造成水頭降低甚至設(shè)備損壞；即使配置清污機，對于垃圾的清理工作量和費用也非常大，攔污漂的投入能夠大大減少漂浮物的清理工作量，在進水口上游設(shè)置攔污漂對漂浮物提前進行攔截是很有必要且是可行的。

（2） 將攔污漂線路布置與水流方向的夾角較小為宜，對于排漂能夠起到良好的導向作用，電站運行過程中應加強上游漂浮物入庫監(jiān)控，適時開啟泄洪閘排漂，為電站安全、穩(wěn)定運行創(chuàng)造有利條件。

（3） 攔污漂受風速作用下的風浪作用力影響最大，在工程區(qū)氣象資料不充分的條件下，結(jié)構(gòu)計算可能需要配置高強度攔污漂主索和體形較大的錨固墩，考慮到攔污漂主要是攔截和導向作用，攔污漂繩索破斷后漂體及附屬設(shè)施對大壩、泄洪設(shè)施和廠房進水口攔污柵不造成安全威脅，在投資可控、攔污漂運行維護安全便利的前提下，綜合考慮主索強度和錨墩體形。