攔漂排失事案例分析處理及思考

汪艷青，周 浩

(中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)有限公司，廣州 510610)

1 概述

2021年，《水電工程攔漂排設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T 10609—2021)發(fā)布實(shí)施。該規(guī)范在廣泛調(diào)查、深入研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)了我國水電工程攔漂排設(shè)計(jì)科研、制造安裝、運(yùn)行維護(hù)等方面的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為水電工程攔漂排的設(shè)計(jì)提供了一定的指導(dǎo)和依據(jù)[1]。

長期以來，我國攔漂排的設(shè)計(jì)沒有相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，沒有成熟的結(jié)構(gòu)形式，缺乏真實(shí)反映攔漂排受力狀態(tài)的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析方法[2-3]，很多已建工程攔漂排的設(shè)計(jì)過程都是摸著石頭過河，造成許多已建工程的攔漂排不可靠，攔污、排污效果差，洪水期污物經(jīng)常堵塞進(jìn)水口攔污柵，輕則導(dǎo)致發(fā)電水頭降低，機(jī)組出力減少，影響發(fā)電效益，重則導(dǎo)致攔污柵甚至攔漂排自身結(jié)構(gòu)破壞，嚴(yán)重危及機(jī)組運(yùn)行安全[4-5]。

由于工程布置情況各異，庫區(qū)污物來量和類型不同，水電站所在地形條件、氣候條件、發(fā)電和泄洪洪水標(biāo)準(zhǔn)不一等因素[6]，甚至在不同運(yùn)行條件下，攔漂排的運(yùn)行工況都具有特殊性，目前雖有規(guī)范指導(dǎo)，但攔漂排的設(shè)計(jì)仍存在諸多不確定因素。目前關(guān)于攔污排的相關(guān)文獻(xiàn)資料，大多是關(guān)于攔漂排布置和設(shè)計(jì)方案的探討[7-14]，對(duì)于工程實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的關(guān)于攔漂排工程質(zhì)量事故的報(bào)道及分析總結(jié)較少。因此，為盡可能的避免攔漂排出現(xiàn)質(zhì)量事故，影響工程安全運(yùn)行，需要設(shè)計(jì)者從已建工程的攔漂排工程質(zhì)量事故中的汲取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，并結(jié)合工程實(shí)際，不斷優(yōu)化攔漂排設(shè)計(jì)方案。

2 攔污排失事案例分析及處理

2.1 攔漂排拉斷

廣東省某航運(yùn)樞紐工程位于連江上 、下梁州河段之間，由泄水閘、廠房 、船閘、副壩及護(hù)岸等組成。廠房設(shè)有3臺(tái)燈泡貫流式機(jī)組，裝機(jī)容量為10 MW，正常蓄水位為29.0 m，死水位為28.5 m。在電站進(jìn)水口前緣設(shè)置了1道攔漂排，攔漂排軸線長度為55 m，與水流夾角為61°。攔漂排設(shè)置在攔沙坎上，高出攔沙坎頂2 m。攔漂排由9個(gè)鋼質(zhì)雙浮筒串連組成，中間用十字鉸連接，上下游兩端用自浮式錨頭。2012年3月，電站3臺(tái)機(jī)組同時(shí)發(fā)電運(yùn)行時(shí)，攔漂排發(fā)生翻轉(zhuǎn)斷排事故。斷排位置發(fā)生在靠上游浮體連接處，連接拉桿扭成麻花狀(見圖1)。

圖1 節(jié)間拉桿扭曲示意

經(jīng)現(xiàn)場查看和分析，翻轉(zhuǎn)斷排主要原因是由于排軸線與水流夾角太大，排前污物未能及時(shí)清理，大量污物堆積排前，急劇增大阻水面積，進(jìn)而增大傾覆力，同時(shí)攔沙坎處水流紊亂，浮體承受超設(shè)計(jì)荷載。

處理措施是在每節(jié)雙浮筒浮體后再增加1個(gè)平衡浮筒，形成三浮筒結(jié)構(gòu)，增加浮體穩(wěn)定性，同時(shí)要求運(yùn)管單位及時(shí)清理排前污物，減小排前荷載(見圖2)，目前攔漂排運(yùn)行正常。

圖2 攔漂排增加平衡浮筒示意

2.2 攔漂排錨墩翻倒

廣東省某中型航電樞紐工程由泄水閘、電站廠房、船閘3部分組成，電站廠房布置在右側(cè)，泄水閘布置在電站左側(cè)。水庫正常蓄水位為75.0 m，設(shè)計(jì)洪水位(5%)為75.12 m，校核洪水位(1%)為76.22 m。電站設(shè)有3臺(tái)燈泡貫流式機(jī)組，裝機(jī)容量11.7 MW。電站進(jìn)水口前緣設(shè)置了1道攔漂排，在進(jìn)水口設(shè)置了傾斜式攔污柵配耙斗式清污機(jī)清污，攔漂排前采用人工清污。攔漂排軸線長度為55 m，與水流夾角為66°。浮體為雙浮筒拉桿連接，上下游錨頭為自浮式浮筒，上錨頭設(shè)在上游錨墩內(nèi)，下錨頭設(shè)在靠近廠壩導(dǎo)水墻上游的錨墩內(nèi)。2004年蓄水初期，電站運(yùn)行后，攔漂排下游錨墩發(fā)生傾覆(見圖3～圖4)。

圖3 某工程全貌示意

圖4 攔漂排下游錨墩傾覆示意

經(jīng)現(xiàn)場查看和分析，錨墩傾覆的主要原因是由于攔漂排與水流夾角太大，過排水流紊亂；攔漂排下游端錨墩為懸臂結(jié)構(gòu)，與廠壩導(dǎo)水墻結(jié)構(gòu)分開設(shè)計(jì)，承受較大的水平荷載；下游錨墩底部受水流沖刷，基礎(chǔ)被淘空。

處理措施是對(duì)下游錨墩和基礎(chǔ)重新施工，與廠壩導(dǎo)水墻澆注成整體結(jié)構(gòu)，同時(shí)做好抗沖刷措施。

2.3 攔漂排翻轉(zhuǎn)

江西省某大型航電樞紐工程由船閘、泄水閘、電站廠房、魚道、連接壩段等組成，電站廠房布置在右側(cè)，泄水閘布置在電站左側(cè)。水庫正常蓄水位為32.5 m，設(shè)計(jì)洪水位為36.57 m，校核洪水位為37.95 m。電站裝機(jī)容量為112 MW，設(shè)有7臺(tái)燈泡貫流式機(jī)組。為改善監(jiān)控泄水閘側(cè)的機(jī)組取水效果，在廠壩連接的導(dǎo)墻上設(shè)了2扇補(bǔ)水?dāng)r污柵。攔漂排采用若干個(gè)鋼浮箱，中間用鋼質(zhì)十字鉸連接，端部用自浮式錨頭。攔漂排分為兩跨，上跨長度為158 m，排軸線與水流方向夾角為49.2°；下跨長度為255 m，排軸線與與水流方向夾角為17.1°。攔漂排下跨中后部設(shè)置拉錨裝置，防止泄洪期攔漂排隨意擺動(dòng)或反向拖曳，拉繩通過托繩浮筒浮于水上。2019年6月30日，泄水閘開啟，電站初期7臺(tái)機(jī)低水位運(yùn)行，同時(shí)泄水閘再部分下泄洪水；7月1日，下跨攔漂排整體翻轉(zhuǎn)，部分掛柵被沖掉，上跨攔漂排排前污物堆積，呈傾斜狀態(tài)攔污；2019年8月，清理完污物后將攔漂排翻轉(zhuǎn)過來；2020年2月15日，下跨攔漂排再次翻轉(zhuǎn)。翻排前一天泄水閘有開啟泄洪，電站6臺(tái)機(jī)發(fā)電，發(fā)電時(shí)庫前水位約為30 m，發(fā)電流量接近設(shè)計(jì)流量。下跨攔漂排錨墩及邊機(jī)組導(dǎo)墻補(bǔ)水柵及下跨攔漂排翻轉(zhuǎn)見圖5～圖6。

圖5 下跨攔漂排錨墩及邊機(jī)組導(dǎo)墻補(bǔ)水柵示意

圖6 下跨攔漂排翻轉(zhuǎn)示意

經(jīng)現(xiàn)場查看并分析，主要是由于攔污排下跨為電站流量主要過流區(qū)，兩次翻排均在泄水閘開啟泄洪過程中或泄洪后，庫水位較低，均在30 m左右，低于正常蓄水位2 m多，且由于攔污排布置位置在攔沙坎處，攔沙坎頂高程為26.0 m，加之污物擁堵，實(shí)際過水高度僅3 m左右，7臺(tái)機(jī)組或6臺(tái)機(jī)組發(fā)電時(shí)，引用流量接近設(shè)計(jì)流量，過排流速遠(yuǎn)大于正常運(yùn)行流速，且多為橫向水流，排前后水流流態(tài)紊亂，低水位大流量外加橫向高流速下，攔污排運(yùn)行條件極差。初步設(shè)計(jì)階段的水工模型試驗(yàn)未模擬攔污排，對(duì)進(jìn)水前沿包括攔沙坎處未提示橫向流過大及流態(tài)紊亂問題。根據(jù)電站實(shí)際運(yùn)行觀測，電站進(jìn)水口前沿水流流態(tài)與模型試驗(yàn)結(jié)果存在一定差異。另外，水流紊亂流速過大，無法在發(fā)電工況下及時(shí)清理排前污物，攔污排前污物堆積較多，引起排身不穩(wěn)而傾覆。

處理建議：將攔漂排翻轉(zhuǎn)歸位后，控制攔污排運(yùn)行水位不低于31.5 m；若確需在低水位下運(yùn)行，應(yīng)提前解開攔污排拉至右側(cè)岸邊固定，或者改造攔污排，利用電站停機(jī)時(shí)段，將攔污排上的欄桿、掛柵等附件拆除，僅留下浮箱，以便低水位運(yùn)行時(shí)，減輕污物和水流對(duì)浮排運(yùn)行的不利影響，減小對(duì)過排水流的阻礙，避免出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)、斷排等安全事故。排前污物應(yīng)及時(shí)停機(jī)借助清污機(jī)械清理。

3 思考和建議

結(jié)合以上的攔漂排工程案例，對(duì)水電站攔漂排在布置設(shè)計(jì)及運(yùn)行管理方面提出以下幾點(diǎn)思考和建議。

1)攔漂排應(yīng)布置在地形和水流條件都有利的位置，應(yīng)充分考慮水工結(jié)構(gòu)的影響。為增強(qiáng)下跨端錨墩的抗傾覆能力，宜將下錨墩與廠壩導(dǎo)水墻澆注成整體結(jié)構(gòu)。攔漂排軸線應(yīng)盡量避開攔沙坎布置，因布置在攔沙坎處，將引起過排水流斷面減小，水流流速突變，流態(tài)也往往比較紊亂，容易引起攔漂排張力增大，排身翻轉(zhuǎn)。

2)攔漂排前流速不宜太大，需充分重視低水位大流量運(yùn)行的工況。從工程實(shí)際運(yùn)行看，攔漂排軸線處流速過大，攔漂排張力增大，攔漂排清漂難度增大。在低水頭河床式水電站中，一般采用正常蓄水位下的平均流速和校核水位下端面平均流速來計(jì)算兩種工況下浮排張力，往往會(huì)忽略電站低水位運(yùn)行，但引用流量較大甚至接近設(shè)計(jì)流量的工況，這種情況過排流速相當(dāng)大，張力也相當(dāng)大，甚至?xí)?duì)錨墩和浮排自身結(jié)構(gòu)造成破壞。因此，建議結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮此工況，如果有條件，低水位大流量運(yùn)行時(shí)考慮解排運(yùn)行。

3)有條件的工程在水工模型試驗(yàn)階段應(yīng)提前納入攔漂排進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。由于攔漂排設(shè)計(jì)的特殊性，存在很多不確定因素，在初期布置方案和結(jié)構(gòu)形式確定后，應(yīng)整體納入水工模型試驗(yàn)，模擬各種運(yùn)行工況下攔漂排的布置和結(jié)構(gòu)的安全性，從而及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)方案。進(jìn)行水工模型試驗(yàn)時(shí)，是否納入攔漂排對(duì)進(jìn)水口前沿流速場的確定有一定影響，上述翻排案例工程水工模型試驗(yàn)時(shí)未納入攔漂排，模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)水口前沿水流流態(tài)平順，橫向流角度不大，與實(shí)際運(yùn)行中流態(tài)紊亂、橫向流過大的情況存在較大差異。

4)加強(qiáng)運(yùn)行管理，攔漂排前及時(shí)排污、清污。通常，攔漂排只有靠近壩端的反向水流產(chǎn)生的反弧段的污物才能被泄洪水流帶走，自動(dòng)導(dǎo)污效果不理想。大部分工程主要還是將攔漂排前的污物打撈上岸處理，但實(shí)際上攔漂排的清污較為困難，通常清漂船在風(fēng)力4級(jí)以下、流速2 m/s以下的情況下才能夠進(jìn)行正常的清漂工作，而攔漂排前的水流流速極不均勻，最大流速往往是平均流速的2～3倍，且往往流態(tài)紊亂，一般的清漂船難以在不停機(jī)工況下安全工作。這也對(duì)清漂船的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)性能提出了更高的要求，希望可依托水電站攔漂排前的復(fù)雜水流條件，研發(fā)出能在電站不停機(jī)情況下安全運(yùn)行的智能化清漂機(jī)器人，為運(yùn)行管理單位解決實(shí)際難題。另外，在攔漂排運(yùn)行中應(yīng)隨時(shí)注意每個(gè)攔污浮箱或浮筒的平衡情況，并通過調(diào)整平衡塊以保證攔漂排的平衡。

4 結(jié)語

低水頭河床式電站發(fā)電水頭非常寶貴，電站進(jìn)水口的攔污、清污設(shè)計(jì)方案至關(guān)重要，關(guān)系到運(yùn)行安全及發(fā)電效益，往往需要統(tǒng)籌考慮，選擇最優(yōu)的方案。攔漂排作為第一道攔污防線，因其布置設(shè)計(jì)存在諸多不確定因素及工程的獨(dú)特性，往往成為工程攔污、清污方案成敗的關(guān)鍵。從業(yè)人員只有不斷總結(jié)和吸取已建工程的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，主動(dòng)將攔漂排納入水工整體模型試驗(yàn)，優(yōu)化布置設(shè)計(jì)方案，避免攔漂排設(shè)計(jì)失誤。同時(shí)也寄希望于研發(fā)單位能夠研發(fā)出電站不停機(jī)情況下安全運(yùn)行的智能化清漂機(jī)器人，為運(yùn)行管理單位解決攔漂排清污難題。