感潮河段適應(yīng)水位變化自升降攔污設(shè)施應(yīng)用研究

孫超君 張宜亮 張 輝

(江蘇省秦淮河水利工程管理處，江蘇 南京 210022)

河道水面上的漂浮物順流而下，易聚集在河道凹岸、攔河壩、泵站前，不僅對沿江水質(zhì)、水面景觀、供水、航運等產(chǎn)生不利影響，還會降低泵站運行效益，對樞紐工程運行安全構(gòu)成威脅[1]。攔污設(shè)施是在水電站、泵站、水庫中布置的專門用于攔截污浮物以保證工程運行安全的設(shè)施。常規(guī)情況下，水位變幅較小時，攔污設(shè)施一般采用兩端牽引式結(jié)構(gòu)，在攔污范圍的兩端各設(shè)置固定錨固結(jié)構(gòu)，由攔污排體自動調(diào)節(jié)適應(yīng)水位的小幅變化。隨著我國水利工程的建設(shè)發(fā)展，攔污設(shè)施在傳統(tǒng)兩端固定牽引式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上做了一定的改進，瀑布溝水電站通過人工調(diào)整不同高程的岸邊掛樁位置來適應(yīng)水位變化，但人工改變掛樁位置運行安全風險高，且操作時受水位氣象條件影響較大[2-6]；小灣水電站采用人工操作卷揚機調(diào)節(jié)以適應(yīng)水位變化，但需要人員不間斷地現(xiàn)場值守，長期使用不方便[7]。

隨著水利工程的不斷建設(shè)和發(fā)展，攔污設(shè)施還需要具有適應(yīng)水位變化、經(jīng)濟適用、操作方便等特點。感潮河段引水工程的特點是水位變幅大，而水草等漂浮物體重輕、面積大、數(shù)量多，受水位的影響大，水位高時，水草可從上方進入工程管理區(qū)；水位低時，水草可以從下方進入工程管理區(qū)，起不到攔污效果。因此，在感潮河段不適合采用傳統(tǒng)的兩岸固定牽引式攔污裝置，需專門研究適應(yīng)水位變化自升降的攔污設(shè)施才能保證攔污效果。

1 工程概況

秦淮新河水利樞紐工程位于南京市雨花臺區(qū)秦淮新河入江口處，由一座大型節(jié)制閘和一座大型泵站組成，采用閘、站結(jié)合的布置形式，是秦淮河流域主要控制工程之一，具有防洪、排澇、抗旱、改善城市水環(huán)境、保障生態(tài)水位、航運等多種功能[8]。

秦淮新河泵站建成于1982年，為雙向灌排兩用泵站，灌排設(shè)計流量均為50m3/s，灌溉設(shè)計揚程2.5m，排澇設(shè)計揚程2.0m，2級水工建筑物，采用平面S形流道、快速閘門斷流。泵站正常蓄水期設(shè)計水位3.65m，防洪期設(shè)計水位11.47m，變幅達7.82m。

近年來，由于水體富營養(yǎng)化等原因，在河道出現(xiàn)成片生長的水生植物鳳眼蓮(又名水葫蘆)，其莖葉懸垂于水上，蘗枝匍匐于水面，繁殖迅速，人工清理工作強度大、難度高。為保證秦淮河水環(huán)境，維持秦淮河流域生態(tài)水位，秦淮新河泵站全年常態(tài)化運行，2020年全年開機運行232天，抽引江水5.3億m3。因水葫蘆等污浮物積聚在泵站進水口攔污柵處(見圖1)，攔污柵前堆積的污物不能及時清理，增加了攔污柵前后的水位差，使得攔污柵易發(fā)生阻塞，水流通過攔污柵產(chǎn)生水力損失，增加了泵站運行能量消耗，引起水泵汽蝕、機組振動等危害，對泵站的安全運行造成隱患。目前采用的解決方案是頻繁地開停機，人工打撈水草等漂浮物，這種方法不僅費時費力費工費錢，而且影響機組運行，效果甚微。因此，為有效攔阻水草，在泵站進水口攔污柵前增設(shè)攔污設(shè)施是必要的。

圖1 未安裝攔污設(shè)施時泵站進水口照片

2 設(shè)計需求分析

秦淮新河泵站建設(shè)年代久遠，沒有配套相應(yīng)的攔污設(shè)施且無法改造，結(jié)合秦淮新河泵站水位變幅情況(約8m)，考慮不破壞現(xiàn)有建筑物結(jié)構(gòu)，結(jié)合工程運行需求，研究采用“固定滑動槽+攔污設(shè)施端部連接裝置”的方案。其中，兩岸攔污設(shè)施連接裝置隨水位升降控制技術(shù)方案有人工操作、自動化控制和水力自升降控制3種。

a.人工操作。人工操作卷揚機，使攔污設(shè)施升降，但水位日間變化幅度大，安排人工值班增加人力消耗成本，費力費工費錢，如操作不準確易破壞攔污設(shè)施。因此，人工操作不滿足工程運行要求。

b.自動化控制。加裝自動化測控系統(tǒng)，根據(jù)自動測量的水位情況自動控制固定連接裝置升降。該方法建設(shè)投入資金較大，且水位自動測量設(shè)備易損壞，還需專人進行日常維護，運行成本高。

c.水力自升降控制，利用水的浮托力帶動固定連接裝置升降。該方法不需要專人維護，建設(shè)投入資金少，日常維護工作量小，維修保養(yǎng)費用較低，性價比高，維護方便[9]。

秦淮新河泵站需全年常態(tài)化運行，經(jīng)比選，攔污設(shè)施選用水力自升降控制技術(shù)方案，在泵站兩側(cè)安裝滑動槽，一側(cè)安裝在泵站翼墻，另一側(cè)安裝在泵站導流墩上，利用水的浮托力帶動攔污設(shè)施升降。

3 攔污設(shè)施結(jié)構(gòu)布置

水力自升降控制攔污設(shè)施由左右岸滑動槽、端部水力自升降裝置、鋼絲繩、攔污排組成(見圖2)；攔污排由浮筒、尼龍繩網(wǎng)和鉛墜組成，浮筒下掛尼龍繩網(wǎng)，下掛鉛墜。在端部水力自升降裝置浮力的帶動下，水力自升降裝置隨水位變化在左右岸固定滑動槽內(nèi)自由上下移動，帶動攔污排上下移動，自動調(diào)整懸鏈線矢高以適應(yīng)不用的水位高度。

圖2 攔污設(shè)施組成結(jié)構(gòu)1-左右岸滑動槽；2-端部水力自升降裝置；3-攔污排；4-鋼絲繩

3.1 滑動槽設(shè)計

目前常用的攔污設(shè)施滑動槽與墻面固定的方式是螺紋固定，而該裝置常年與水面接觸，螺紋連接處易產(chǎn)生銹蝕現(xiàn)象，導致滑動槽更換拆除時可能會因銹蝕變得困難費力，加大工作時間。為解決這個問題，安裝滑動槽時設(shè)置緩沖裝置(見圖3)，裝置包括套桿、轉(zhuǎn)桿、轉(zhuǎn)軸、第一伸縮桿、第二伸縮桿、彈簧、第一把手、固定塊、插桿、限位塊和插槽，需要將固定板拆卸時，可以先拉動第一把手，從而帶動第二伸縮桿在第一伸縮桿內(nèi)向右移動，使插接在插槽內(nèi)的插桿脫離插槽，此時因為固定板前端設(shè)置有套桿、轉(zhuǎn)桿和轉(zhuǎn)軸，且轉(zhuǎn)軸焊接有第一伸縮桿的緣故，可以將第一伸縮桿轉(zhuǎn)動至左側(cè)，從而使限位塊與第一伸縮桿形成的限位結(jié)構(gòu)解除，此時固定板與輔助塊解除固定關(guān)系，從而使裝置能夠成功拆卸。通過此裝置有效避免了螺釘螺母固定可能產(chǎn)生銹蝕導致難以拆卸的問題，安裝、拆卸快捷便利，極大節(jié)省了操作人員的時間，省時省力，而且延長了設(shè)施的使用壽命。

圖3 滑動槽裝置結(jié)構(gòu)示意圖1-滑動槽；2-滑動槽口；3-翼墻墻面；4-固定板；5-第一把手；6-第二伸縮桿；7-第一伸縮桿；8-轉(zhuǎn)桿；9-轉(zhuǎn)軸；10-套桿；11-彈簧；12-輔助塊；13-限位塊；14-插槽；15-插桿；16-固定塊

3.2 端部水力自升降裝置設(shè)計

端部水力自升降裝置連接攔污排和翼墻(導流墩)固定滑動槽，并提供攔污排端部裝置隨水位自由升降的牽引力，由構(gòu)架、滑輪、吊耳等組成(見圖4)?；喒苍O(shè)置有6組，且每組滑輪設(shè)置有3個，便于升降裝置在滑動槽內(nèi)部滑動，在浮力的帶動下，升降裝置隨水位變化在滑動槽內(nèi)自由沿垂直方向移動，帶動攔污排沿垂直方向移動，自動調(diào)整鋼絲繩矢高以適應(yīng)不用的水位高度，使用性能佳。其受力包括裝置產(chǎn)生的浮力、裝置重力、浮筒牽引荷載產(chǎn)生的摩擦力等，水力自升降的原理如下：

圖4 端部水力自升降裝置結(jié)構(gòu)示意圖1-滑動槽；2-構(gòu)架；3-滑輪；4-吊耳

a.水位上升時，浮力>重力+摩擦力，裝置隨水位自動上升。

b.水位下降時，重力>摩擦力+浮力，裝置隨水位自動下降。

c.自身浮力維持其連接軸高程與攔污設(shè)施浮筒連接軸高程保持一致。

端部連接裝置牽引鋼絲繩，鋼絲繩兩端用錨頭錨固，鋼絲繩可隨水位高低變化在滑動槽內(nèi)上下滑動；滑動產(chǎn)生的恒定拉力使攔污設(shè)施鋼絲繩保持設(shè)計張力，處于張緊狀態(tài)。

3.3 攔污排設(shè)計

攔污排主要由浮筒組成，采用線性低密度聚乙烯浮筒，一次成型無焊接縫，內(nèi)部填充聚氨酯泡沫，具有不吸水不易變形、耐沖擊碰撞、抗腐蝕氧化等優(yōu)點，除遇強自然力及人為的不當使用，不需要保養(yǎng)、維修等費用，性價比高，維護方便，具體參數(shù)見表1。

表1 浮筒性能參數(shù)

浮桶靜止在水中時，水平方向主要受到水流力和鋼絲繩的牽引力，浮筒受到的水流力按下式估算[4]：

(1)

式中：Fm為浮筒受到的水流力，kN；Cm為浮筒水流阻力系數(shù)；ρ為水密度，t/m3；v為水流速度，m/s；A為浮筒水下部分垂直于水流方向的投影面價，m2。

單只浮桶受到的上下游水流力分別按下式估算：

(2)

(3)

水草等漂浮物浮力小、體積大、數(shù)量多，易從浮筒下部進入工程區(qū)域，因此，為攔截水中漂浮物并實現(xiàn)高效攔污，在攔污浮筒上掛50cm深、網(wǎng)孔5cm的規(guī)格的尼龍繩網(wǎng)，確保阻攔水草效果，有效提升攔污排的攔污能力，從而提升裝置的整體實用性；在浮筒下側(cè)安裝配重塊，配重塊選用300g的鉛墜，且水邊處浮筒下安裝配重塊4塊，中間每只浮筒下裝配2塊(見圖5)，通過設(shè)置配重塊保障浮筒運行工況下整體平衡以及尼龍繩網(wǎng)的垂直度，通過配重力矩、浮筒浮力力矩與水流力矩來實現(xiàn)受力平衡，防止攔污排翻轉(zhuǎn)。

圖5 攔污排結(jié)構(gòu)示意圖1-攔污排；2-浮筒；3-鋼絲繩；4-尼龍繩網(wǎng)；5-配重塊

4 應(yīng)用情況

根據(jù)現(xiàn)場地形條件，設(shè)計高水位時泵站進水口水面寬度約30m，歷史最大流量為70.9m3/s，對應(yīng)斷面面積約210m2，對應(yīng)流速為0.34m/s。該設(shè)施的主要功能是阻攔水草進入工程區(qū)域，無須高強攔截能力，而流速較小，故選用φ8鋼絲繩，設(shè)1道。攔污設(shè)施滑動槽左右岸對稱布置，滑動槽布置高程為3.0～12.0m，滑動槽長9m，攔污排由30只浮筒通過鋼絲繩連接而成，在浮筒上掛50cm深、網(wǎng)孔5cm的尼龍繩網(wǎng)；放置300g的鉛墜加大配重。左右岸水邊處浮筒下安裝配重塊4塊，其他每只浮筒下裝配2塊。在設(shè)計低水位泵站停機時安裝攔污設(shè)施，盡可能減少對引江調(diào)水工程的影響，選配適當體積和浮力的浮筒，調(diào)整鋼絲繩至完全阻擋進水口以適合攔阻水草。

2019年10月30日，秦淮新河泵閘攔污設(shè)施安裝完成并投入運行。截至2021年11月，攔污工程已運行2個主汛期，系統(tǒng)運行性能穩(wěn)定，在水位發(fā)生變化時，端部水力自升降裝置利用水的浮托力帶動固定連接裝置升降，維持鋼絲繩始終處于張緊狀態(tài)，時刻呈良好狀態(tài)，阻攔水草成效明顯(見圖6)；創(chuàng)新性提出的在攔污浮筒上掛長度適中的尼龍繩網(wǎng)以及在浮筒下側(cè)安裝配重塊的改造，不僅通過配重力矩、浮筒浮力力矩與水流力矩來實現(xiàn)攔污排受力平衡，防止攔污排翻轉(zhuǎn)，而且能有效攔截水面以下的雜物，為工程安全運行提供保障。

圖6 安裝攔污設(shè)施前后秦淮新河泵站前池對比

5 結(jié) 語

a.因水葫蘆等污浮物積聚在泵站進水口攔污柵處，使得攔污柵發(fā)生阻塞，增加了攔污柵前后的水位差， 增大水流對攔污柵的沖擊力，導致水泵效率降低，增加了泵站運行能量消耗，引起水泵汽蝕、機組振動等問題，影響水流流態(tài)，對泵站安全運行造成隱患。泵站被迫多次停機人工打撈水草等漂浮物，這種方法不僅費時費力費工費錢，而且效果甚微。安裝攔污設(shè)施后，不僅能有效改善泵站進水口水流條件，明顯提高工程運行效率，而且降低了人工打撈水草難度，不需要機組停機操作，大大降低了設(shè)備運行成本，為工程安全運行提供保障。

b.秦淮新河泵站全年常態(tài)化運行抽引江水，運行期平均補水流量不少于30m3/s。往年每周停機8h人工打撈水草，對保證流域生態(tài)水位有一定影響。安裝該攔污設(shè)施后，大大減少了每年泵站機組因打撈水草增加的停機時間，有效保證了秦淮河生態(tài)水位和生態(tài)基流，國考、省考斷面水質(zhì)持續(xù)優(yōu)于考核標準。為維護河湖良好生態(tài)環(huán)境、充分發(fā)揮水利綜合效益、全力保護流域水生態(tài)環(huán)境提供了有力保障。

c.秦淮新河泵站建設(shè)年代久遠，沒有配套相應(yīng)的攔污設(shè)施且無法改造，傳統(tǒng)攔污設(shè)施需改造基礎(chǔ)，造價較高，且后期運行費用較高。改造后的攔污設(shè)施不僅初期建設(shè)投資少，施工難度相對較小，結(jié)構(gòu)安裝簡單，造價低廉，攔截水草效果明顯，見效快；而且該設(shè)施投入運行后不需要人工操作，運行成本低，日常維護工作量小，維修保養(yǎng)費用低、性價比高，維護方便[10]。適應(yīng)水位變化自升降攔污設(shè)施為解決感潮河段水工建筑物攔污問題提供了可靠、高效的新方案，可在不適合建設(shè)傳統(tǒng)攔污設(shè)施的工程中應(yīng)用，具有一定的推廣價值。