多污物水電站綜合清污技術(shù)及配套裝備研究

劉冠英 程利平 趙艷茹

污物問題在國內(nèi)外水電站普遍存在，國內(nèi)受污物影響發(fā)電的大中型水電站約有30座。為保證水電站的正常運行，國內(nèi)外眾多學(xué)者對水電站前污物的形成、污物的運動規(guī)律進行深入而細(xì)致的研究，在清污實踐中也研制了很多種清污設(shè)備，應(yīng)用了多種清污技術(shù)。但現(xiàn)有的清污技術(shù)和清污設(shè)備都是依托各自水電站結(jié)構(gòu)特點和河流污物特性，不具有廣泛的適用性。本文對三門峽水電站研發(fā)的綜合清污技術(shù)及配套裝備進行了研究分析，以期為多污物水電站合理選擇清污方式提供參考。

1 三門峽庫區(qū)污物研究分析

1.1 庫區(qū)污物的成分分析

三門峽壩前污物以蘆葦根為主，夾雜一定數(shù)量的樹枝、樹根以及生活污物，具體包括：蘆葦根、雜草、農(nóng)作物秸桿、樹枝、樹葉、泡沫、動物尸體，還有粗大的樹桿和樹根，其大致比例見表1。

表1 三門峽庫區(qū)污物成分%

1.2 庫區(qū)來污特點及規(guī)律

1.2.1 污物的時空分布?

在同一年內(nèi)，不同時段來污量相差較大。第一次洪水來臨，污物主要以枯蘆根為主，夾雜著樹枝、樹干等各種雜物，還有以蘆根和草相互纏繞，夾雜著泥沙呈漂浮狀態(tài)的草團，直徑1～2 m，污物成分復(fù)雜且污量大；洪峰過后，污物主要是當(dāng)年新蘆根，成分單一。汛期不同時期的污物種類見表2。

表2 汛期不同時期來污規(guī)律

1.2.2 污物深度分布

隨著季節(jié)和水位的變化，污物的種類、數(shù)量及其在水下的分布也隨之變化。通常污物在水中呈漂浮狀態(tài)，分布在水下0～2 m范圍，樹干、樹枝等污物分布較深，在水面至水下7～8 m范圍內(nèi)漂浮。在接近攔污柵前時，由于機組進水口位置較低，改變了水流方向，使污物向下移動，在柵前深度達(dá)0～18 m，呈三角形分布。蘆葦根、雜草、樹枝、農(nóng)作物秸桿等纏卷在一起，沒有明顯的層次分布，只有少量的粗大樹桿和樹根分布在下面。

2 清污裝備研發(fā)

2.1 攔污柵結(jié)構(gòu)優(yōu)化

三門峽早期的攔污柵柵條間距220 mm，柵條布置不合理，沒有考慮到與抓斗配合使用，在汛期大量的污物涌向機組進水口，極易使攔污柵形成密不透水的軟性柵欄，使攔污柵前后形成水位差（最大水位差超過4 m），直接影響到機組的安全運行。

通過對傳統(tǒng)攔污柵的研究，依據(jù)攔污柵結(jié)構(gòu)受力狀況，對攔污柵結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。在保證機組安全運行的前提下，采取適當(dāng)加大柵距，將攔污柵柵條之間距離由原220 mm 增大到300 mm，增加污物通過量，減小污物的積聚程度，減輕攔污柵負(fù)擔(dān)。

為配合液壓清污抓斗工作，去掉柵片上的所有柵齒，使攔污柵迎水面呈一平面，即制成光柵，以便于清污機械作業(yè)。針對清污抓斗抓齒深入攔污柵柵條尺寸有限，雜草容易掛到柵上形成草墻，產(chǎn)生壓差的現(xiàn)象，將柵條高度由120 mm加高到200 mm，便于抓斗清理攔污柵上的污物。

通過實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，優(yōu)化后的攔污柵可以大大減少緊貼在攔污柵上的污草，從而減少提柵次數(shù)和提高清污效果，同時還利于水草的疏通，增加過流量，減少污物的積聚程度。

2.2 深水液壓抓斗研制

為清理電站水輪機進水口攔污柵前臨近和貼附在柵條上的污物，減少水頭損失，提高發(fā)電效率，保證發(fā)電機組的正常運行，研制了液壓清污抓斗，如圖1所示。主要由導(dǎo)輪裝置1、油缸2、液壓油箱3、抓斗架4、滑桿5、轉(zhuǎn)動耙爪6 等部件所組成。抓斗寬度與攔污柵寬度相近，能利用主柵槽為導(dǎo)向，抓取和清除攔污柵前污物。運行時，由起吊設(shè)備提供電源，液壓油箱內(nèi)的電機驅(qū)動齒輪油泵，并通過控制閥將液壓油輸入油缸，由油缸通過滑動桿、推拉桿帶動左右斗爪，同時進行開或閉的動作，完成清污作業(yè)。

圖1 抓斗結(jié)構(gòu)圖

試驗表明抓斗可實現(xiàn)平穩(wěn)的聯(lián)動，能輕易地抓取柵前漂浮污物，在抓斗張開下降時，斗齒可接近或插入攔污柵面，扒下貼附在攔污柵面上的污物，并將其抓取出，能夠深入水底抓取污物；在清污過程中，可視污物的多少，在同一孔口多次作業(yè)或在多個孔口交替作業(yè)。

正如文獻[7]所指出的那樣,Bell基投影測量和POVM測量已經(jīng)能夠?qū)嶒瀸崿F(xiàn)了,因此本方案是可以物理實現(xiàn)的。

2.3 清污棧橋應(yīng)用

針對將污物吊運至壩頂然后運走處理的方式，為提高清污效率，經(jīng)過論證可在壩前斜靠壩面修建清污棧橋，以縮短污物清運時間。棧橋采用在壩面錨固鋼支架并架設(shè)梁板形成棧橋方案，棧橋橋面設(shè)計高程316 m，橋梁總長約180 m，為方便汽車掉頭，在右岸電站壩段316 m平臺前的安裝場11#壩段處加寬橋面，設(shè)置回車場，在此處將汽車掉頭后倒入316 m平臺，裝上清理出的污物后即可直接運走。

壩前清污棧橋在2011年7月投入應(yīng)用，用起吊設(shè)備連接清污抓斗抓起污物，在壩前316 m 平臺直接裝入汽車運走，省掉了將污物吊運至壩頂?shù)沫h(huán)節(jié)，清理一車污物的時間由原來的40 min縮短為20 min，大大提高了清污效率。

2.4 清污船清污技術(shù)

為解決三門峽庫區(qū)污物在遠(yuǎn)離攔污柵、高水位、多污物狀態(tài)下的快速清污技術(shù)難題，對已有的清淤船進行改造，研發(fā)了一種可拆卸和調(diào)節(jié)的推污裝置，并進行了多次改造。

推污裝置一次作業(yè)有效寬度達(dá)10 m以上，可較快、較好地將分散的漂浮物集中到便于操作和抓撈的區(qū)域，基本解決了污草繞船和水流迂回的現(xiàn)象，并且漂浮物厚度越大，相互纏繞越緊密，其推移效果就越明顯。

3 清污技術(shù)及方法

三門峽水庫運用水位年際變化大，汛期來污量大、成分復(fù)雜且污物分布隨來水量和時間的變化較大，僅僅采用一種清污方式，很難徹底清理壩前污物，必須實施綜合治理措施。經(jīng)過30年的探索試驗和反復(fù)論證，分析各種清污方式和設(shè)備改造的優(yōu)缺點，對清污技術(shù)裝備和水工結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化集成，研發(fā)適合多污物水電站綜合清污的成套技術(shù)及裝備，最終形成了“攔、排、抓、推、撈”五位一體的綜合清污技術(shù)。

3.1 “攔、排”結(jié)合清污技術(shù)及方法

三門峽水庫來污量大，成分復(fù)雜。為改善過柵水流狀況，增加過水量，根據(jù)《小型水電站機電設(shè)計手冊》要求，將攔污柵柵條間距由220 mm 增加至300 mm，攔截體積較大的污物，排放體積較小的污物。經(jīng)過多年實踐與運用，將以“攔”為主的攔污柵優(yōu)化為“攔、排”結(jié)合的攔污柵。優(yōu)化后攔污柵可以大大減少緊貼在攔污柵上的污物，減少污物的聚集程度，改善機組的運行條件。

3.2 “攔、抓”結(jié)合清污技術(shù)及方法

“攔、抓”結(jié)合清污方式主要用于清理電站水輪機進水口攔污柵前臨近和貼附在柵條上的污物，減少水頭損失，提高發(fā)電效率，保證發(fā)電機組的正常運行。

攔污柵將污物攔截后，將清污抓斗下降至壩面并繼續(xù)下落，以攔污柵前清污抓斗導(dǎo)向槽為導(dǎo)向，實現(xiàn)準(zhǔn)確定位。下游側(cè)轉(zhuǎn)動耙爪斗齒的齒尖插入攔污柵條間隔以鏟掉附著在攔污柵柵前的污物，轉(zhuǎn)動耙爪成張開狀態(tài)，可以收集并壓實鏟下的污物。當(dāng)抓斗至清污工位時，轉(zhuǎn)動耙爪閉合，將污物收集在耙斗內(nèi)，然后將裝滿污物的耙斗向上提出壩面，到指定地點進行卸污，并通過清污棧橋?qū)⑽畚镞\走。

3.3 “推、抓”結(jié)合清污技術(shù)及方法

清污船靈活機動性強，能夠較快較好地收集和轉(zhuǎn)移壩前漂浮污物，并能較好地配合清污抓斗在壩前實施撈污作業(yè)。通過清污船將遠(yuǎn)離攔污柵前的污物推入攔污柵槽后，利用清污抓斗抓污，提高了清污效率和安全性。通過污物的提前收集和集中排放，避免了被動清污，實現(xiàn)了污物的及時清理和清污環(huán)節(jié)的前移。

3.4 “推、撈”結(jié)合清污技術(shù)及方法

“推、撈”結(jié)合清污技術(shù)及裝備主要運用于清污后期，庫區(qū)進行蓄水，水位不斷抬高，進入庫區(qū)的污物也相應(yīng)增多，但是由于水位抬高等因素導(dǎo)致進入攔污柵槽的污物較少，利用清污抓斗清污效果明顯下降。首先利用清污船將污物推至引壩段，然后由挖掘機進行打撈。實踐證明，清污效率高，每小時清污可達(dá)到80 m3以上。

4 結(jié)語

（1）新的清污技術(shù)在生產(chǎn)實際中實用性強，具有較強的可操作性，可有效減少污物在庫區(qū)的滯留時間和攔污柵上懸掛的污物，攔污柵前后壓差基本控制在50 cm 以內(nèi)并且波動很小，有效提高發(fā)電效益。

（2）及時將污物清除，減少了污物分解產(chǎn)生的有害物質(zhì)和污物所滋生的有害微生物，使水電站的納污能力提高，為安全灌溉和飲水安全提供了保障，同時也改善了水電站及周邊的生態(tài)環(huán)境。