溪洛渡水电站拦污栅设计

2016-08-12张万秋中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司四川成都610072

低碳世界 2016年13期

关键词：拦污栅水头型钢

张万秋（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川　成都　610072）

溪洛渡水电站拦污栅设计

张万秋（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都610072）

进水口拦污栅在担负拦截进水口污物作用的同时，也相应的产生了水头损失。通过介绍溪洛渡拦污栅的设计思路，分析了支承框架和栅条型式的设计对于产品质量和生产周期的影响；阐述了优化设计栅叶结构和栅条型式对减小水头损失、增加发电效益的意义。

拦污栅；支承框架；栅条断面；水头损失

1　概述

溪洛渡水电站位于四川省雷波县和云南省永善县接壤的溪洛渡峡谷，是金沙江下游河段开发规划的第三个梯级，是一座以发电为主，兼有拦沙、防洪和改善下游航道条件等综合利用效益的巨型水利水电枢纽。正常蓄水位600m，相应库容115.7亿m3，调节库容64.6亿m3，发电及防洪共用库容46.5 亿m3，多年平均年发电量571.2亿kWh。电站由拦河大坝、泄洪建筑物、引水发电建筑物及导流建筑物等组成。拦河大坝为混凝土双曲拱坝，坝身布置表孔、深孔和两岸泄洪洞共同泄洪。施工期左、右岸各布置3条导流隧洞，其中左、右岸各有两条与厂房尾水洞结合。发电厂房为地下式，分设在左、右两岸山体内，各装机9台、单机容量为770MW的水轮发电机组。电站主要供电华东、华中地区，兼顾川、滇两省用电需要，是金沙江“西电东送”距离最近的骨干电源之一。

2　拦污栅布置

根据枢纽布置，进水口底坎高程为518.00m，闸顶高程610.00m。左岸为竖井式进水口，右岸为岸塔式进水口，各安装9台机组，每台机组进水口前缘由栅墩分成 5个栅孔，左、右岸栅孔总数量各45孔，均采用垂直式放置拦污栅。配置工作拦污栅45扇，备用拦污栅1扇，备用拦污栅平时存放于储栅槽内。拦污栅后设置有叠梁门，叠梁门与备用拦污栅共槽，通过设定门顶高程，运行叠梁门达到分层取水的目的。叠梁门单层取水时，将锁定在门槽顶部的叠梁门提放到空闲备用栅槽内，然后放下备用拦污栅，可启吊拦污栅进行清污或检修。

3　栅叶设计

拦污栅的栅叶结构由栅面和支承框架组成。水流在通过拦污栅时受阻，必然产生水头损失，使得发电水头减小并影响发电量。因此确定栅条形式和支撑框架结构对于减小水头损失有着重要意义。

3.1支承框架设计

拦污栅支承框架由主梁、边梁和连接杆系构成，主梁与边梁同层布置。通常栅叶结构按双主梁布置，采用焊接组合工字钢作为主梁和边梁。溪洛渡左、右岸拦污栅共92扇，生产加工量巨大，若采用焊接组合工字钢，必然给制作增加很大的钢材切割量和焊接量，该方式所需的制造工期较长，且由于焊接工艺难以避免局部应力集中，产品的结构刚度、精度以及尺寸稳定性均会受到影响。

由于拦污栅单孔高度达73m，拦污栅分节数量较多，为给电站运行期间清污和检修提供便捷，将所有的栅叶设计为同一结构，完全具有互换性，使每节栅叶结构都配备吊耳和锁定孔。通过优化设计，选择定型产品H型钢作为主要受力构件，主梁和边梁都采用同型号H型钢H488×300×11×18。采用成型的H型钢，为栅叶实现互换性提供了很好的前提条件，避免了主梁腹板与翼缘的对接焊缝产生的应力集中，降低产生局部塑性变形的影响，有效提高了主梁的刚度。此外，直接采购定型产品作为主梁和次梁，大大减少了制作过程中的加工工序和焊接工序，从而较好的控制加工精度，并能有效保证产品的制作工期。

结合坝面布置，左、右岸双向门机均需配合液压抓梁起吊拦污栅，通常需在栅叶结构上布置定位销，这种方式容易引起污物缠绕不易清理，增加水头损失；同时根据栅叶支承框架强度的需要，从主梁腹板布置定位销，其长度较长，结构性差。经反复考虑，在单节栅叶的顶主梁腹板上开定位孔，在液压抓梁上设置定位销，既解决了结构上的问题也减小了栅叶结构的挡水面积。

3.2栅条断面形式选择

当水流通过栅条之间的间隙时，受栅条阻拦，水流断面收缩产生水头损失，当水流过拦污栅后由于断面扩大流速减慢，又产生水头损失。水头损失计算如下式：

式中：V1为栅前流速；V2为过栅后流速；δ为栅条厚度；l为栅条净距；α为拦污栅与水平面所成的夹角；β为栅条断面形状系数，依据表1选取（如图1）。

图1　栅条典型断面

表1　栅条形状系数

在不考虑拦污栅被污物堵塞的前提下，栅前、栅后流速变化不大，从式（1）可以看出，在拦污栅垂直放置的情况下，若栅条净距和支承框架结构已定，栅条断面型式的选择就是影响水头损失的唯一因素。从表1得知，其中流线型断面的系数较矩形断面的系数小，宜采用流线型断面，其中断面d、e、f的栅条形状系数较小，但断面型式较为复杂，由于溪洛渡拦污栅分节数量大，孔口数量多，栅条总数达42320根，栅条制造的便捷是拦污栅制造满足工期的一个要点。经比较，在尽可能减小水头损失的前提下，断面b、c易于加工和切割。栅条典型断面c系数较小，且制造方可直接外购该断面型式的成型扁钢，采用断面c不仅有利的减小了水头损失，并且通过采购扁钢的作为栅条原材料比制造方自行加工极为有效的减少了栅条的加工量。

3.3水头损失比较

采用H型钢为栅叶结构的主要构件，避免了腹板和翼缘的对接焊缝，降低应力集中对结构的影响，保证了结构的刚度。在刚度较强的前提下，为减少挡水面积，减小水头损失，考虑取消双主梁间的隔板、节点板和连接梁。

图2　单节栅叶结构视图（单位：mm）

拦污栅相关参数如下：

（1）单台机设计总流量430m3/s，1台机组前共设置5孔拦污栅；

（2）拦污栅孔口尺寸：宽3.8m×高73m；

（3）拦污栅垂直于水平面布置，栅面与水流方向垂直，每孔拦污栅共23节，每节栅叶为双主梁；

（4）拦污栅栅条净距l=180mm；

（5）主梁为H型钢，主梁翼缘高度为300mm；

（6）单孔拦污栅共460根栅条，栅条断面型式为C型，厚度δ=12mm。

计算：

单孔拦污栅挡水面积Ad=23×（0.3×3.8×2+0.012×3.2×20）= 70.1m2

通过计算，采用栅条断面c的型式，取消节点板和连接梁，水头损失仅为0.4cm。

3.4设计布置及清污

该拦污栅设计水头为4m，栅叶结构主要材料为Q235B，单孔拦污栅共23节，节间采用节间连接板和销轴连接。每节栅叶结构均具有互换性，如图2所示，布置2根H型钢主梁和2根H型钢边梁，主支承为HTN增强复合材料滑道。栅条通过套管和螺柱固定栅条净距，并通过U型螺柱固定于主梁上，为保证栅叶结构的互换性，且使栅叶提出水面时污物不易掉落，在每节栅叶结构的栅条底部设悬臂200mm的集污钩。

拦污栅在前后水位差Δh≤1m时方可启吊，左岸采用闸顶两台500kN双向门机配合液压自动抓梁起吊，右岸采用闸顶两台2500kN/500kN双向门机的回转吊配合液压自动抓梁起吊，平时备用拦污栅分节存放在6个储栅槽内。