高流速攔漂系統(tǒng)的研究與實(shí)踐
——以桐子林水電站為例

陳啟春，鄧仕路，洪盛榮，張惠明，李邦宏，鐘衛(wèi)華，賈 剛，崔家仲

（1.東方水利智能科技股份有限公司，四川 德陽(yáng) 618000；2.雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都 610056；3.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610031）

0 前言

以往國(guó)內(nèi)外水利水電工程攔漂排一般是在低流速下工作，隨著水利水電工程的不斷建設(shè)和發(fā)展，以及對(duì)河流污染控制和環(huán)境保護(hù)要求的提高，水利水電工程出現(xiàn)了高流速攔漂、清漂的要求。其中，雅礱江桐子林水電站攔漂工程最具代表性，設(shè)計(jì)最大過(guò)漂流速3.6 m/s，工程建設(shè)面臨諸多挑戰(zhàn)，主要技術(shù)難點(diǎn)為：①攔漂流速大，無(wú)同類攔漂工程案例參考；②運(yùn)行狀況難預(yù)測(cè)，設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)大；③安全性與經(jīng)濟(jì)性矛盾突出。

為此，雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司聯(lián)合東方水利智能科技股份有限公司以桐子林水電站攔漂工程為依托，開(kāi)展了高流速攔漂系統(tǒng)研發(fā)的技術(shù)攻關(guān)。經(jīng)過(guò)模型試驗(yàn)和設(shè)計(jì)探索，研究出一種可在高速水流下運(yùn)行的新型攔漂系統(tǒng)。

1 高流速攔漂排實(shí)驗(yàn)研究

1.1 攔漂排張力模型

攔漂排的張力是一個(gè)非常重要的技術(shù)參數(shù)，對(duì)攔漂排及其錨固墩的安全和造價(jià)影響極大，以往沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的算法，采用懸鏈線公式計(jì)算攔漂排張力較多，有必要對(duì)采用懸鏈線公式計(jì)算攔漂排張力算法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證[1-5]，為此，構(gòu)思了如圖1所示的攔漂排張力測(cè)試原理模型，其試驗(yàn)測(cè)試模型如圖2 所示。

圖1 攔漂排張力測(cè)試原理模型

圖2 攔漂排張力測(cè)試試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

1.1.1 模型參數(shù)

試驗(yàn)水渠1 寬12.3 m，水深2.6 m，水流速度約1 m/s；試驗(yàn)水渠2 寬4.5 m，水深2.5 m，水流速度約2.4 m/s；攔漂排懸掛點(diǎn)直線距離L=11.2 m，浮箱尺寸600 mm×600 mm×600 mm，浮箱數(shù)量10 個(gè)，浮箱吃水深度約300 mm。

1.1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

（1）攔漂排各個(gè)浮箱所受沖擊力如表1 所示。

表1 實(shí)測(cè)攔漂排浮箱所受沖擊力 單位：kgf

（2）攔漂排鋼絲繩懸鏈實(shí)測(cè)張力如表2 所示。

表2 攔漂排鋼絲繩懸鏈實(shí)測(cè)張力

（3）各個(gè)浮箱位置流速大小如表3 所示。

表3 實(shí)測(cè)攔漂排各浮箱對(duì)應(yīng)位置流速 單位：m/s

1.1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比分析

（1）懸鏈均布力q。

1）按載荷平均分布簡(jiǎn)化方式計(jì)算（計(jì)算張力會(huì)小于實(shí)際張力）。

10 個(gè)浮箱共同受到的水流沖擊力：

懸鏈單位長(zhǎng)度分布受力：

2）按受力最大的兩個(gè)浮箱平均值計(jì)算（計(jì)算張力會(huì)大于實(shí)際張力）。

受力最大的兩個(gè)浮箱沖擊力平均值：

懸鏈單位長(zhǎng)度的分布力：

（2）按上述q1、q2方式分別對(duì)矢高1.232 m、1.592 m、1.852 m、2.392 m 的攔漂排懸鏈張力進(jìn)行計(jì)算，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較分析，如表4 所示。

表4 不同矢高的攔漂排懸鏈實(shí)測(cè)張力與計(jì)算張力對(duì)比

1.2 高流速下浮箱運(yùn)行狀況及浮箱水流沖擊力模型試驗(yàn)

通過(guò)試驗(yàn)探索浮箱在高速水流作用下的運(yùn)行狀況和受力特點(diǎn)，高速水流下浮箱沖擊力試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D3 所示，高速水流下浮箱運(yùn)行狀況模型試驗(yàn)如圖4 所示，高速水流下單個(gè)浮箱沖擊力試驗(yàn)浮箱位置流速如表5 所示。

表5 高速水流下單個(gè)浮箱沖擊力試驗(yàn)浮箱位置流速

圖3 高速水流下浮箱沖擊力模型

圖4 高速水流下浮箱運(yùn)行狀況模型試驗(yàn)

（1）浮箱沖擊力理論計(jì)算

單位面積（1 m2）所受的理論沖擊力：

式中：Cw為水流阻力系數(shù)，取Cw=1.8；pw為水的密度，pw=9.8 kN/m3；Vw為水流速度，Vw=2.424 m/s（根據(jù)表1 數(shù)據(jù)，取大值）；hD為單位面積1 m2正方形的高度，hD=1 m；g為重力加速度。

浮箱迎水面所受的理論沖擊力：

根據(jù)單個(gè)浮箱沖擊力試驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)（160～196 kg），試驗(yàn)浮箱所受沖擊力均值為：

（2）誤差比例及分析

誤差比例：

誤差分析：由于浮箱的迎水面較小，沖擊水流存在從浮箱兩側(cè)及上下流走的情況，使水流所受阻力減小，即浮箱所受沖擊力減小。

模型試驗(yàn)表明，采用懸鏈公式計(jì)算攔漂排的張力與試驗(yàn)實(shí)測(cè)誤差不大，是可適用的計(jì)算方法，水流阻力系數(shù)Cw=1.8 合理；在常規(guī)流速下浮箱所受沖擊力是恒定的，但在高速水流下浮箱受到的沖擊力變化較大，浮箱運(yùn)行狀況不穩(wěn)定，因此，在高流速下，攔漂系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮浮箱劇烈波動(dòng)這一工況。

1.3 高流速浮箱研究

試驗(yàn)表明，浮箱在高速水流下迎水面受沖擊力大，為了減小沖擊力，應(yīng)將浮箱迎水面設(shè)計(jì)為水流阻力較小的圓弧面；從抗傾翻角度出發(fā)，浮箱與鋼絲繩的理想懸掛點(diǎn)位置為浮箱迎水面端高度方向的中間部位，但不便于安裝和清漂，因此將其設(shè)計(jì)在浮箱迎水面的上部；為了增強(qiáng)浮箱抗沖擊的穩(wěn)定性，浮箱的重心在高度方向應(yīng)盡量的低，在水平方向應(yīng)盡量遠(yuǎn)離懸掛點(diǎn)。高流速浮箱結(jié)構(gòu)及其工作姿態(tài)如圖5 所示。

圖5 高流速浮箱結(jié)構(gòu)及其工作姿態(tài)

浮箱俯視圖呈凸字形，浮箱迎水面較寬，且箱體空腔容積較大，主要用于產(chǎn)生浮力；浮箱背水面較短，且箱體空腔容積較小，主要用于存放配重物，使浮箱重心距懸掛點(diǎn)更遠(yuǎn)，從而加大浮箱的抗傾斜能力。浮箱懸掛點(diǎn)設(shè)置在迎水面端斜上方，這種懸掛方式保證了浮箱在任何流速下都只會(huì)圍繞鋼絲繩向下游方向轉(zhuǎn)動(dòng)，但永遠(yuǎn)不會(huì)翻轉(zhuǎn)。從圖5 可以看出，隨著水流速度的增加，浮箱上游端面繞鋼絲繩逐漸向下游方向轉(zhuǎn)動(dòng)，水流對(duì)浮箱的沖擊力P雖在加大，但其作用力臂H卻在不斷減小，當(dāng)達(dá)到一定流速時(shí)，水流沖擊力P的作用力臂將會(huì)接近于零，此時(shí)，水流沖擊力P對(duì)浮箱不再有傾轉(zhuǎn)力矩，而起平衡作用的浮箱自重G的作用力臂LG仍大于產(chǎn)生傾翻作用的浮箱浮力F的作用力臂LF，G與F大小相同，此時(shí)浮箱總的平衡力矩仍然大于傾翻力矩，因此浮箱永不翻轉(zhuǎn)。隨著水流速度的降低，浮箱又會(huì)回到正常的工作狀態(tài)，這就是采用該種浮箱攔漂排永不翻轉(zhuǎn)的運(yùn)行機(jī)理。在桐子林水電站實(shí)際運(yùn)行中，該浮箱長(zhǎng)6 m、掛柵入水深度0.8 m、自重4 409 kg、配置配重2 000 kg，其抗水流沖擊穩(wěn)定性能良好，在3.2 m/s 流速時(shí)，實(shí)測(cè)浮箱僅傾斜了約40°。而此前被各大水利水電工程廣泛使用的攔漂排箱形浮箱，相似規(guī)格浮箱（寬1.6 m，高1.2 m，長(zhǎng)6 m，掛柵入水深度0.8 m，自重4 800 kg，配重2 000 kg）最大只能承受約1.5 m/s 的流速，當(dāng)大于這個(gè)水流速度時(shí)，浮箱就會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。

1.4 浮箱與鋼絲繩連接方式

攔漂排浮箱與鋼絲繩傳統(tǒng)連接方式采用壓板固定式，如圖6 所示。

圖6 浮箱與鋼絲繩傳統(tǒng)連接方式

在高水流速度下，浮箱與鋼絲繩共同高頻擺動(dòng)，而攔漂排相鄰浮箱的擺動(dòng)姿態(tài)各異，鋼絲繩被壓緊部位附近將會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞，導(dǎo)致鋼絲繩的使用壽命大大縮短。為此，研發(fā)了回轉(zhuǎn)鉸接懸掛裝置，其工作原理為，在鋼絲繩上安裝剖分式固定套，固定套緊扣鋼絲繩，固定套與鋼絲繩不產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，浮箱連接件的套筒與鋼絲繩上的固定套相互轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)是鋼絲繩固定不動(dòng)，鋼絲繩不會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞，大幅延長(zhǎng)了鋼絲繩的使用壽命。浮箱與鋼絲繩回轉(zhuǎn)鉸接連接方式如圖7 所示。

圖7 浮箱與鋼絲繩回轉(zhuǎn)鉸接連接方式

2 新型攔漂排結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（1）浮箱的懸掛點(diǎn)設(shè)置在浮箱迎水面端斜上方，這種懸掛方式保證了浮箱在任何流速下都只會(huì)圍繞鋼絲繩向下游方向轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)水流速度增加到一定程度后，浮箱會(huì)達(dá)到自平衡狀態(tài)，此時(shí)浮箱受到的水流沖擊力對(duì)回轉(zhuǎn)點(diǎn)（鋼絲繩繩心）的傾轉(zhuǎn)力臂接近于零，水流沖擊力不再推動(dòng)浮箱轉(zhuǎn)動(dòng)，浮箱實(shí)現(xiàn)永不翻轉(zhuǎn)；隨著水流速度的降低，浮箱又會(huì)回到正常的工作狀態(tài)。

（2）浮箱的水平面投影呈凸字結(jié)構(gòu)，浮箱迎水面較寬，箱體空腔容積較大，主要用來(lái)產(chǎn)生浮力，浮箱背水面較短，箱體空腔容積較小，主要用于存放配重物，這種結(jié)構(gòu)拉長(zhǎng)了浮箱沿水流方向的尺寸，浮箱的重心距懸掛點(diǎn)更遠(yuǎn)，使重力對(duì)浮箱的穩(wěn)定力矩更大，從而加大了浮箱的抗傾斜能力。

（3）采用在浮箱里填充新型高分子低吸水輕質(zhì)材料，浮箱內(nèi)部空間填滿后，即使浮箱破壞也不會(huì)發(fā)生沉沒(méi)，留有充足的處理時(shí)間，預(yù)防了事故隱患。

（4）浮箱與鋼絲繩間采用了可回轉(zhuǎn)式懸掛結(jié)構(gòu)。在回轉(zhuǎn)連接座和鋼絲繩之間設(shè)置了組合護(hù)套，組合護(hù)套由兩個(gè)帶把合法蘭的啞鈴形半瓦組成，半瓦中間無(wú)法蘭，半瓦兩端有把合法蘭，兩個(gè)半瓦卡在鋼絲繩上，通過(guò)兩半瓦的法蘭進(jìn)行把合，把緊后兩法蘭間及兩半瓦間均留有間隙，以確保組合護(hù)套與鋼絲繩卡為一體，即使在外力作用下，組合護(hù)套與鋼絲繩間仍保持緊密接觸，不產(chǎn)生軸向移動(dòng)和相互轉(zhuǎn)動(dòng)。浮箱回轉(zhuǎn)座采用開(kāi)合軸承座結(jié)構(gòu)，套于啞鈴形組合護(hù)套的中間軸上，回轉(zhuǎn)連接座與組合護(hù)套中間軸為間隙配合，浮箱通過(guò)回轉(zhuǎn)連接座與組合護(hù)套中間軸配合轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)繞鋼絲繩自由擺動(dòng)，避免了鋼絲繩因高頻扭動(dòng)而破壞；回轉(zhuǎn)連接座被夾在啞鈴形組合護(hù)套的大端之間，使回轉(zhuǎn)連接座得到了軸向定位，從而使浮箱在鋼絲繩長(zhǎng)度方向得以定位[6-9]。

3 與國(guó)內(nèi)外同類工程主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

桐子林水電站高流速攔漂系統(tǒng)工程總體性能指標(biāo)與國(guó)內(nèi)外同類工程對(duì)比，如表6 所示。

表6 桐子林水電站高流速攔漂系統(tǒng)總體性能指標(biāo)與國(guó)內(nèi)外同類工程對(duì)比

由表6 可知，該項(xiàng)目研發(fā)的高流速攔漂系統(tǒng)，可適應(yīng)的水流速度大大高于國(guó)內(nèi)外其他攔漂工程，浮箱懸掛點(diǎn)布置在浮箱迎水面端上方，凸字形、非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的永不翻轉(zhuǎn)浮箱，浮箱回轉(zhuǎn)鉸接懸掛裝置，可抗彎抗扭的攔漂排自潰安全保護(hù)裝置等技術(shù)的應(yīng)用，均屬國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)。攔漂系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀況如圖8 所示。

圖8 攔漂系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀況

4 應(yīng)用效果

該項(xiàng)目擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，開(kāi)發(fā)了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，獲得了國(guó)家授權(quán)的發(fā)明專利2 項(xiàng)，實(shí)用新型專利4 項(xiàng)[10-15]。該項(xiàng)目的研發(fā)成果已在桐子林水電站進(jìn)行了全河面攔漂應(yīng)用，攔漂排軸線長(zhǎng)度286 m，自2016 年投入運(yùn)行以來(lái)，最高運(yùn)行流速達(dá)3.2 m/s，攔漂排前漂浮污物最大囤積量約15 000 m3、厚度約2.0 m，運(yùn)行穩(wěn)定，效果良好，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。