潇湘水电站浮式拦污排的设计与应用

李一平

（湖南省永州市潇湘水电站，湖南 永州 425000）

潇湘水电站浮式拦污排的设计与应用

李一平

（湖南省永州市潇湘水电站，湖南 永州 425000）

详尽介绍了低水头、大流量灯泡贯流式机组在进水前池设置正规浮式拦污排的设计和应用经验。通过实施

浮式拦污排；设计；应用；实施；成效

1 引言

潇湘水电站位于湖南境内潇水和湘江两河交汇处，为流域规化中湘江干流上游的第二个梯级水电站，地处永州市城市中心。该电站属于径流式低水头电站，距上游潇水南津渡电站29.4 km，距上游湘江支流太洲电站32.1 km，下游距祁阳浯溪梯级电站约50 km。库区控制流域面积21 590 km2，多年平均流量606 m3/s，设计总库容1.82亿m3。电站设计4台灯泡贯流式机组，总装机容量为52MW（4×13MW），工程于1993年8月动工，2002年5月第一台机组投产发电，该工程具有航运、灌溉、城市供水、改善城市交通条件、促进土地及房地产开发、旅游等一系列综合利用效益。

2 设置正规浮式拦污排的必要性

在水电站进水前池设置正规的浮式拦污排是各个水电站的拦污措施，可以有效拦截汛期大量垃圾，最大限度减少机组流道进水口拦污栅前垃圾拥堵量，保证机组较正常的出力，创造可观的发电效益。

（1）潇湘水电站为20世纪90年代初设计的，进水前池未设计拦污挡墙或拦污排、垃圾中转站。没有拦污挡墙，电站之前采用了木排和空油桶制作临时拦污排，但因吃水深度不够等原因，拦污效果不理想；没有垃圾中转站，从上游清出的大量垃圾又要倒入下游河道，不利于环保，且清污效率低、清污压力很大。

（2）潇湘水电站地处潇水和湘江两河交汇处，且位于城市正中心，汛期洪水时上游大量树木、水草、水藻、漂浮物以及城市生活垃圾拥堵发电机进水口，直接影响发电出力，为了清污工作，电站专门成立了一支清污队伍，汛期需要大量人力、物力投入到清污工作中去。

3 拦污排的设计

3.1 设计难点

（1）潇湘水电站为径流式大流量水电站，进水前池河面较宽，要求浮式拦污排长度也较长，达到202 m，在整个湘江干流上的电站中是最长的，两固定端所受水平拉力很大，其型式的选择难度大。

（2）浮式拦污排两侧固定端应能随水位升降而自动沉浮，需上下浮动达7 m。

（3）浮式拦污排要求长期工作在1 000 m3/s的大流量环境下保持平衡，以保证拦污排的拦污效果和拦污排上的工作平台的平稳，以便于工作人员清理垃圾。

（4）浮式拦污排各节段的连接装置能上下浮动、左右转动，而且能承受较大的荷载和剪切扭矩力。

（5）浮式拦污排一侧固定在宋家洲东岸边的控制墩，其施工平台开挖至水面5 m以下，需要降低水位或设计钢板桩围堰，降低施工成本保证质量，设计难度较大。

3.2 拦污排的固定点和固定方式的选定

由于电站为20世纪90年代初设计，当时没有考虑进水前池拦污排的设计，发电机进水口与电站大坝水平相连，大坝为桥坝结合形式，桥面通车，桥下为27孔弧形闸门，溢流坝全长369 m，河面宽度约为500 m。需要在发电机进水前池约100 m河面上设计大跨度浮式拦污排，长度较长（202 m），其两固定端水平拉力大，并要求两固定端能随水位升降。拦污排一端采用固定锚墩锚固在上游宋家洲东岸坡（需要浇筑砼控制墩），考虑拦污排常年运行水位为正常蓄水位97～95 m之间，洪水位102 m，上游岸坡侧浮箱运行水位范围为102～95 m。另一端根据大坝现有条件，采用浮动空心钢梁锚固在大坝4～5号闸墩检修门槽。拦污排根据水流方向，形成最优的斜角度（大坝水平线61°）。

3.3 浮式拦污排的总体布置

浮式拦污排两固定端之间的连线尽量与水流平行，为减少两固定端的拉力，拦污排的轴线布置为弧形，其矢高选为两固定端距离的1/8～1/12（图1）。

图1 浮式拦污排示意图

3.4 拦污排水平设计拉力计算

3.4.1 特性参数

（1）轴线长L=202 m；

（2）浮排弧垂f=23.6 m；

（3）拦污深度Hs=1.85 m；

（4）流量Q=1 000 m3/s；

（5）拦污排低水位95 m高程工作时估计平均水深6 m（弧门底坎高程89 m，检修门底坎高程86 m）。

3.4.2 拦污排前后水位超高的计算

选择最不利的情况，即栅格被污物全部堵死的情况，近似将被污物全部堵死的拦污排看做半开启的闸门，按闸孔无水跃式淹没出流公式计算拦污排前后水位超高。

Q=μeB×（2g（h0-h1））0.5

1000=0.67×（6-1.85）×202×（2×9.8×（6-h1））0.5

h1=5.838 m

前后水位超高=0.162 m

式中：Q流量，μ流量系数0.65～0.7，e闸门开度，B孔口宽度，g重力加速度，h0上游水深，h1下游水深。

3.4.3 上下游水位差产生的均布荷载

q=0.5×r×（Hs2-Hx2）

q=0.5×10×（1.852-（1.85-0.162）2）=2.87 kN/m

式中：r为水的重度，Hs为拦污排总深度，Hx为拦污排净深度。

3.4.4 拦污排两固定端水平拉力

N=qL2/8f=2.87×202×202/（8×23.6）=620 kN

动水拉力＝1.1×620＝682 kN

3.5 牵引钢缆设计

按浮标缆索考虑，安全系数k=2，即主索设计承载力按1 364 kN设计。牵引钢缆选型为1 666 MPa钢绞线，根据主索设计承载力反算钢索直径，选择Φ48 mm的钢缆索可以满足要求。

3.6 拦污排金属结构设计

浮式拦污排主要由浮箱、拦污排等组成。浮式拦污排的浮箱采用圆铁桶，桶壁不宜太厚，外涂防锈漆。浮桶前后布置，两浮桶间用钢支撑联结，迎水面的浮桶上焊接拦污排格。为了保证拦污排在水中的平衡，设计迎水面的浮桶长一些，平衡浮桶略短一些。

主浮筒与平衡浮筒均采取圆柱筒型式，即半径为0.3 m的圆柱。浮筒壁厚6 mm，材料采用Q235钢板。中间采用钢支撑桁架的连接方式。浮筒上铺钢格网供行走，人工定期清理浮渣。拦污排格间距0.12 m，栅条高度为1.8 m。

浮式拦污排由多个拦污排体连接而成，只要单个拦污排体在水中是稳定的，那么整个拦污排也是稳定的。经过初步计算，浮筒以及各部件重量约为1 058 kg，排水重量约为1 200 kg，拦污排体的重力低于浮力，拦污排可满足稳定性要求。

4 拦污排的实施

（1）控制墩施工

根据电站拦污排的设计要求，由于流量大，拦污排受拉力较大，而此力主要集中在上游侧岸坡上的控制墩处，控制墩通过地勘检测，设计了6根直径800 mm的冲击灌柱桩打入基石，上面浇筑长8 m宽6 m高7 m约400 m3C30砼块（图2）。

（2）拦污排金结部分施工

根据设计，每个拦污排体长4 m，共有50个，每个拦污排主浮筒正面焊接了3个主耳柄，穿在Φ48mm的主钢缆索上，主浮筒两侧还各焊接1个耳柄，用Φ20 mm螺栓连接各个拦污排体。主钢缆索一侧固定在大坝钢浮梁上，一侧固定在宋家洲东岸边控制墩上。各个拦污排串接后穿在主钢缆索上，在发电机进水口前100 m形成了一道长200多m，深2 m的拦污“屏障”（图3）。

图2 控制墩施工

图3 拦污排

5 拦污排产生的效益

（1）提高水头的效益

潇湘水电站是低水头电站，水头越高发电效率越高，可以通过进尾水压差表进行比较计算：进水前池拦污排拦截垃圾提高了0.3m水头，主要体现在丰水期。以2016年5月份为例，5月份发电上网电量2 893万kW·h，进水前池有拦污排和无拦污排比较多上网2893×0.3/6=144.65万kW·h，一年按4个月的丰水期计算，一年可多上网578万kW·h，为公司多创220多万元的收入。

（2）避免停机和减负荷清污的损失

进水前池没设计安装拦污排时，每年因机组进水口垃圾太多造成全停机（5 000 m3/s以下）3～5次，每次损失上网电量15万kW·h。安装拦污排后可避免此类损失。

（3）减少洪水时的停机时间产生的效益

原来进水前池没安装拦污排时洪水流量达3 500 m3/s，水头低于3.0 m时,机组出力就很低须停机，现在提高到5 000 m3/s时，水头低于2.0 m时才停机，大大减少了洪水造成的停机时间，从而提高了发电量。

（4）机组安全运行效益

进水前池安装拦污排后，因没垃圾进入机组流道，机组振动减少，机组冷却水也无堵塞现象，温度降低，有效的保证机组长周期安全稳定运行。

（5）排污处理效益

相较其他电站进水前池拦污排前垃圾需要第三方专项清理，潇湘水电站由于前池拦污排设计合理，利用入库流量大于总发电流量时通过开闸可有效排掉拦污排前垃圾，每年可为公司节省较大的清污费用。

（6）综合效益

进水前池安装拦污排后，减少了机组流道进水口的外来垃圾近90%，极大减轻了机组流道进水口拦污栅的清污量，减少了汛期清污工作的人力、物力的大量投入，也避免了转运垃圾时引起陆地和城市道路的二次污染。

6 结语

进水前池拦污排在大部分电站都有安装应用，但拦污效果也有不理想的，主要原因：①拦污排的两固定点的连线与水流方向角度不恰当，使拦污排受水流垂直冲力较大，拦污排前的垃圾堆存较多，不便于随水流方向自然流走；②拦污排的吃水深度较浅，只能拦截表面较少一层垃圾。潇湘水电站进水前池拦污排投运半年，特别是主汛期可以拦截80%左右的垃圾，是由于设计角度和吃水深度适当（约需2 m），这样大部分污物（水草、树林、垃圾等）都能被有效拦截，而且大部分垃圾可以随水流方向自然冲走，节省了大量人力、物力，直接或间接创造了超预期的效益。

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[2]徐远杰，杨建东，陈辉春，等.水电站进水口漂浮式拦污排张力计算[J].水利学报，2005（3）：47-52.

[3]于 晖.浮式拦污栅设计方法的探讨[J].水利水电工程设计，2002（3）：16-17.

TV732.2

B

1672-5387（2017）01-0063-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.01.019

2016-09-30

李一平（1980-），男，高级工程师，从事水电工程施工和水电站技术管理工作。

此浮式拦污排对提高发电效益发挥了重要作用，成效显著。可为其他电站类似应用提供借鉴。