中美兩國水電站攔污柵設(shè)計標準的比較

高 歡

(上?？睖y設(shè)計研究院有限公司,上海 200434)

1 概述

攔污柵作為一種雜物攔阻裝置，是水力發(fā)電站中應(yīng)用最為廣泛的水工機械設(shè)備之一[1-2]。攔污柵主要由柵體結(jié)構(gòu)、支承構(gòu)件及柵槽埋件3部分組成，它對機組及下游設(shè)備的正常運行起到非常重要的保護作用。

近年來，在涉外水電站工程設(shè)計過程中，外方業(yè)主或者咨詢工程師通常會要求各類水工鋼結(jié)構(gòu)設(shè)備的設(shè)計必須采用或者遵守歐美國家的設(shè)計規(guī)范。為了加快施工圖紙及計算文件的報批進度，縮短設(shè)計周期，提高工作效率，準確理解并熟練掌握歐美國家的設(shè)計規(guī)范是非常必要的[3]。

文章首先將歐美各國在水電站工程設(shè)計中采用的攔污柵設(shè)計規(guī)范或手冊進行比較，綜合考慮后采用美國規(guī)范及手冊；之后，再將美國規(guī)范和手冊中的攔污柵設(shè)計要求與我國規(guī)范中相應(yīng)的條款進行比較，簡要分析；最后，采用美國設(shè)計規(guī)范對某電站的攔污柵進行結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算，以方便對該規(guī)范的理解，供討論。

2 中美規(guī)范比較

歐美國家采用的水工鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范或手冊主要包括美國《水工鋼閘門設(shè)計手冊》及《水工鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》ETL1110-2-584；德國《水工鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》DIN19704等。從規(guī)范的完整性及可操作性方面考慮，采用美國規(guī)范進行攔污柵的結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算是比較適用的。我國的水工鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范或者手冊主要包括有《水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》NB 35055—2015及《水電站機電設(shè)計手冊》(金屬結(jié)構(gòu)二)。

中美設(shè)計規(guī)范中均對攔污柵的布置、結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算進行了規(guī)定。

2.1 攔污柵的功能及布置形式

各類型的攔污柵，主要布置在水電站引水發(fā)電系統(tǒng)的進口(對抽水蓄能電站而言，布置于上、下庫的進出水口)處，用來攔阻夾雜在水流中的各類漂浮物以及水體下雜物等，從而保障水輪發(fā)電機組等下游設(shè)備的運行安全[4-5]。

攔污柵的布置主要取決于電站引水系統(tǒng)進水口的形式。攔污柵既可采用直立式布置，又可采用傾斜式布置。當進水口為了獲得較大的過水面積和降低過柵流速時，一般可將攔污柵布置為多邊形或拱形，在平面上呈多邊形或者拱形，直立面上呈直立式。當布置在拱壩的進水口時，一般呈傾斜布置，傾角范圍約70°～75°；傾斜布置不僅可以擴大柵面，降低過柵流速，而且有利于清污機工作。

另外，攔污柵還可布置為固定式和活動式，對于多雜物水流，建議將攔污柵布置為活動式，以便于檢修及更換[6-7]。攔污柵的功能及布置形式上，美國與我國規(guī)范基本沒有明顯的差異。

2.2 設(shè)計要求

1) 荷載工況

美國及我國的設(shè)計規(guī)范，均規(guī)定了攔污柵設(shè)計時應(yīng)考慮的荷載工況，具體見表1所示。

表1 攔污柵設(shè)計荷載工況的規(guī)定

從表1可以看出，美國規(guī)范中在攔污柵設(shè)計時考慮的水位差要比我國規(guī)范大一些，設(shè)計相對保守。實際工程設(shè)計中，確定水位差時，還應(yīng)該分析電站所在河道的污雜物的種類及分布情況；例如我國金沙江流域的一些電站設(shè)計中，考慮雨季時河道內(nèi)漂浮物增加過快，該水位差就曾采用了8 m甚至更大。

2) 材料容許應(yīng)力

美國規(guī)范中關(guān)于攔污柵材料的容許應(yīng)力分為兩部分規(guī)定，一部分是柵條的容許應(yīng)力，另一部分是其他結(jié)構(gòu)的容許應(yīng)力。

攔污柵的柵條容許應(yīng)力：

Sall=Sy×(1.23-0.015 3L/t)

(1)

其中Sy為柵條材料的屈服強度；L為柵條的無支承長度；t為柵條厚度。

其他構(gòu)件的容許應(yīng)力計算公式如下。

抗拉、彎曲應(yīng)力：

Sall=0.68Sy

(2)

抗剪應(yīng)力：

τall=0.39Sy

(3)

我國規(guī)范中，攔污柵(包含柵條)材料的容許應(yīng)力是根據(jù)板材所處的尺寸組別來規(guī)定的。在實際工程中，進行攔污柵的結(jié)構(gòu)設(shè)計計算時，通常參照閘門的規(guī)模來選取應(yīng)力調(diào)整系數(shù)。

通過比較，美國設(shè)計規(guī)范在柵條的容許應(yīng)力定義方面，著重考慮了柵條支承結(jié)構(gòu)的側(cè)向屈曲條件，容許應(yīng)力與柵條的側(cè)向支承及厚度有關(guān)；攔污柵其他構(gòu)件材料的容許應(yīng)力是沒有考慮板材厚度的影響。

一般情況下，由于攔污柵的各構(gòu)件所采用的板材厚度不大，分布在30 mm以內(nèi)。經(jīng)分析表明，美國規(guī)范中規(guī)定的材料容許剪應(yīng)力值是與我國規(guī)范基本一致；拉伸、彎曲容許應(yīng)力值的差異約在4%以內(nèi)。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

中國及美國的水工鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中均就攔污柵的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了規(guī)定，主要包含柵條形狀、柵條間距、主梁鋼度等(見表2)。

表2 柵條結(jié)構(gòu)及剛度的規(guī)定

從表2可以看出，美國規(guī)范中關(guān)于攔污柵的柵條厚度有較為嚴格的要求，其余結(jié)構(gòu)尺寸要求與我國規(guī)范基本一致；在攔污柵主梁的剛度要求方面，美國規(guī)范比我國規(guī)范要求的嚴格，設(shè)計也就偏于保守[8-9]。

另外，美國規(guī)范還在條文說明里規(guī)定了攔污柵的銹蝕裕量，其取值范圍為1～2 mm，一般在進行結(jié)構(gòu)計算時需要扣除該值[10]。而我國規(guī)范僅僅對閘門面板規(guī)定了1～2 mm的銹蝕裕量，攔污柵則沒有明確的要求，但實際設(shè)計過程中也會有一定的考慮。

從表3可見，無論是美國規(guī)范還是我國規(guī)范，柵條間距的確定均與水輪機組的型號息息相關(guān)。實際設(shè)計過程中，在確定柵條間距時還應(yīng)該考慮水輪機導(dǎo)水機構(gòu)的最小開度尺寸。柵條間距不易過大，過大會使得雜物隨水流進入機組，影響機組運行安全；過小則會增加攔污柵的水頭損失，反而更容易造成攔污柵的堵塞，也會影響到電站正常運行。此外，確定柵條間距時還應(yīng)該考慮到機組生產(chǎn)廠家的意見。

表3 柵條間距的規(guī)定

2.4 計算要求

無論是美國規(guī)范還是我國規(guī)范，均對攔污柵的過柵流速、水頭損失、柵條振動等規(guī)定了計算方法以及限制條件。

1) 過柵流速

過柵流速是攔污柵設(shè)計過程中提出的一個重要指標，其綜合考慮了水電站的電能成本及水體中的雜物情況。美國及我國規(guī)范均對過柵流速提出了具體的控制指標(見表4所示)。

表4 攔污柵的過柵流速規(guī)定 m/s

從表4可以看出，美國規(guī)范中人工清污方式時的過柵流速值要比我國規(guī)范要求的數(shù)值大，其余情況下規(guī)定的數(shù)值是比較接近的。

2) 水頭損失

水流通過攔污柵時，其流向不論與柵條縱軸重合還是存在偏角，均或多或少的與柵條存在撞擊和約束，阻礙水流，使得水流斷面收縮從而產(chǎn)生水頭損失。

我國設(shè)計規(guī)范與美國設(shè)計規(guī)范中所采用的水頭損失計算公式均是Kirschmer-Thoma的實驗推導(dǎo)公式:

(4)

式中h為柵條高度；t為柵條厚度；k為柵條斷面形狀系數(shù)，當矩形截面h/t≥5時，k為2.42;d為柵條凈距；v0為過柵流速；g為重力加速度；α為攔污柵安裝傾角。

盡管我國與美國規(guī)范所采用的水頭損失計算公式相同，但該公式僅僅考慮的是柵條對水流的阻礙約束作用而產(chǎn)生的水頭損失，沒有考慮攔污柵本體及柵前雜物堆積對水頭損失的影響。實際上，在中國及美國規(guī)范的條文說明中均對以上述情況加以說明。如果攔污柵前有雜物堵塞時，美國規(guī)范要求按照35%的柵面被阻來進行水頭損失估算；中國手冊則是規(guī)定按照無阻礙計算值的3～5倍來考慮水頭損失。

從總的對比結(jié)果分析，我國規(guī)范規(guī)定的水頭損失經(jīng)驗算法要比美國規(guī)范計算值稍微保守一些。按照美國規(guī)范考慮攔污柵阻塞情況下，水頭損失的計算值是沒有阻塞情況下計算值得2.5倍左右。

3) 柵條振動

水流通過攔污柵的柵條時，當其流速增大到某一范圍后，柵條尾部將出現(xiàn)交替的渦流脫落現(xiàn)象，從而造成振動，一旦該振動頻率接近柵條固有頻率時，將會發(fā)生共振，破壞攔污柵，危害電站安全運行。

不論是美國規(guī)范還是我國規(guī)范，所規(guī)定的渦流脫落的干擾頻率計算公式及單根柵條固有頻率的計算均公式相同。

渦流脫落產(chǎn)生的干擾頻率計算公式：

ft=Stv/t

(5)

式中St為Strouhal數(shù)，由公式St=0.12+0.012b/t確定；v為過柵流速；t為柵條厚度。

單根柵條固有頻率計算公式：

(6)

單根柵條的固有頻率應(yīng)該大于渦流脫落引起的干擾頻率，關(guān)系如下：

n=fn/ft>2.5，柵前有堆積物阻礙。

n=fn/ft>2.0，柵前無堆積物阻礙。

盡管我國與美國的設(shè)計規(guī)范采用了相同的柵條頻率計算公式，但是在計算公式中各項系數(shù)的取值是有區(qū)別的；比如，我國規(guī)范中規(guī)定：過柵流速有試驗時為實測最大值，否則應(yīng)該采用2.25倍的平均過柵流速值；而美國規(guī)范則規(guī)定：平均過柵流速應(yīng)該分為柵前有阻礙時(35%阻礙面積)的流速及柵前無阻礙時的流速，兩種情況來進行計算[11-12]。

3 美國規(guī)范設(shè)計攔污柵實例

國外某水電站工程，引水發(fā)電系統(tǒng)的進水口前緣處布置1道攔污柵，攔污柵支撐跨度為5 m，單節(jié)高度約為3.1 m，傾斜80°安裝。攔污柵的結(jié)構(gòu)見圖1所示。

圖1 攔污柵結(jié)構(gòu)示意

單節(jié)攔污柵的各項設(shè)計參數(shù)具體如下：縱向布置的柵條間距b=120 mm，設(shè)計水位差q=6.0 m，柵條采用扁鋼制作，斷面尺寸為t=16h=80 mm；橫向布置的主梁采用矩形截面，尺寸為26 mm×600 mm；柵條支承跨度L=620 mm；攔污柵材料采用Q235C，屈服強度fy=235 MPa；平均過柵流速約1.2 m/s，要求考慮2 mm銹蝕裕量。

3.1 柵條結(jié)構(gòu)計算

1) 容許應(yīng)力

σall=235×(1.23-0.015 3×620/14)=129.8 MPa 。

2) 結(jié)構(gòu)強度計算

作用在單根柵條上單位長度的荷載：

q=q′b=0.06×120=7.2 N/mm 。

柵條最大彎矩(按5跨連續(xù)梁計算第2支座處)：

Mmax=0.107ql2=0.107×7.2×6202=296 142 N·mm。

柵條截面面積：

A=th=14×80=1 120 mm2。

支座處最大剪力(第2跨左側(cè))：

R=0.607ql=0.607×7.2×620=2 710 N 。

支座處剪應(yīng)力校核：

τ=R/A=2 710/1 120≈2.4 MPa<τall=91.6 MPa 。

柵條截面特性：

W=th2/6=14×802/6≈14 933 mm3。

I=th3/12=14×803/12≈597 333 mm4。

彎曲應(yīng)力校核：

σ=M/W=296 142/14 933≈19.8 MPa<σall。

撓度校核(5跨連續(xù)梁)：

Δf=0.006 5×ql4/EI=0.006 5×7.2×6204/206 000×597 333≈0.056 mm

3.2 主梁計算

1) 容許應(yīng)力

抗拉及抗彎容許應(yīng)力：

抗剪應(yīng)力容許應(yīng)力：

2) 結(jié)構(gòu)強度計算

作用在主梁上單位長度的荷載：

q″=q′b′=0.06×620=37.2 N/mm 。

主梁最大彎矩：

116 250 000 N·mm 。

主梁截面面積：

A′=t′h′=24×620=14 880 mm2。

主梁支座反力：

R′=q″l′/2=37.2×5 000/2=93 000 N 。

支座剪應(yīng)力校核：

支座截面特性計算：

W′=t′h′2/6=24×6202/6≈1 537 600 mm3。

I′=t′h′3/12=24×6203/12=476 656 000 mm4。

彎曲應(yīng)力校核：

撓度校核：

Δf′=5q′l′4/384EI′=5×37.2×5 0004/384×206 000×476 656 000≈3.1 mm

3.3 水頭損失計算

水頭采用Kirschmer-Thoma的實驗推導(dǎo)公式：

(7)

式中k為柵條斷面形狀系數(shù)，取2.42；t為柵條厚度，取1.4 cm；h為柵條高度，取8 cm；d為柵條凈距，取10.4 cm；v0為平均過柵流速，取120 cm/s；g為重力加速度,取981 cm/s2；α為攔污柵安裝傾斜角,取80°。

攔污柵的柵面不被雜物阻塞的情況下：

Δh=2.42×(1.4/10.4)4/3×(1202/2×981)×sin80°≈1.2 cm 。

攔污柵的柵面被雜物堵塞35%的情況下：

Δh=2.42×(1.4/10.4)4/3×(184.62/2×981)×sin 80°≈2.86 cm 。

3.4 柵條振動計算

1) 單根柵條的固有頻率計算，具體的計算公式及注釋如下所示：

(8)

2) 渦流脫落產(chǎn)生的干擾頻率，計算公式及注釋如下所示：

ft=Stv/t

(9)

式中t為柵條厚度，取1.4cm；St為Strouhal數(shù)，取St=0.12+0.012b/t=0.12+0.012×12/1.4=0.22。

第1種情況：攔污柵未被堵塞；v=120 cm/s;

ft=Stv/t=0.22×120/1.4≈18.9 Hz 。

單根柵條的固頻率與渦流脫落引起的干擾頻率之比值：

n=fn/ft=165/18.9≈8.7>>2.0 。

單根柵條的固頻率與渦流脫落引起的干擾頻率之比值：

n′=fn/ft=165/29≈5.7>2.5 。

根據(jù)攔污柵的上述各項計算結(jié)果分析，攔污柵的設(shè)計滿足美國設(shè)計規(guī)范的要求。

4 結(jié)語

通過對美國《水工鋼閘門設(shè)計手冊》及《水工鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于攔污柵的各項設(shè)計要求的解讀，并與我國《水電站鋼閘門設(shè)計規(guī)范》及《水電站機電設(shè)計手冊》(金屬結(jié)構(gòu)二)中相應(yīng)的攔污柵設(shè)計條款的對比，不難看出，兩國的設(shè)計標準有很多相近之處，但美國的設(shè)計標準在攔污柵的強度及剛度設(shè)計方面相比我國規(guī)范要求更加嚴格一些。根據(jù)多年來涉外工程的設(shè)計經(jīng)驗，以及與歐美咨詢工程師的溝通角度考慮，掌握及熟悉歐美設(shè)計規(guī)范是非常有必要的；尤其，在施工圖紙及計算文件的報批環(huán)節(jié)，可以極大的提高圖紙及計算文件的通過率，縮短設(shè)計周期，提高效益。