扇形回转式自控拦污栅设计

刘 天 为

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 研究背景

拦污栅的功能为阻止植物根茎、生活废物与工业垃圾等污物进入工程内部结构，避免上述异物对建筑物与设备造成危害。目前拦污栅按结构类型可划分成平面式和旋转式。平面式拦污栅在工程中一般竖向布设两道，当发生污物堵塞现象时，将拦污栅提出门槽进行轮流清污。平面式拦污栅清污较为困难，需配备启闭及清污等专门设备进行污物清除。旋转式拦污栅在栅面上布设清污齿，利用清污齿的转动来清理污物。因河流中各类异物来源多样及型式多种，清污齿的大小难以确定，清污齿的转动容易被污物堵塞卡死，进而导致清污设备停机清理[1]。

由于河道中异物数目及尺寸难以准确预估与控制，进水口上游汇集的异物难以及时得到有效清除，拦污设施被堵塞现象常有发生，将造成下列后果：拦污栅上下游侧的水位差逐渐增大，进而降低水利水电工程的出力与效率；栅前污物逐渐堆积，栅面有效过水面积减小，栅前污物在水流推力作用下不断撞击拦污栅，导致拦污栅的变形及损坏；若发生严重堵塞现象将导致水电站被迫停机清污，影响工业生产、居民用电及电站效益[2-3]。

2 工程现状与研究进展

目前我国完建运行的水利水电工程，已发生多例拦污设施被严重堵塞现象。针对各类水利水电工程的不同结构布置特征，研究人员根据实际情况因地制宜地采用了多种处理措施，但效果有限且操作较为复杂。澜沧江功果桥水电站采用岸塔式进水口与平面式拦污栅，运行仅5年即发生栅前污物严重堆积现象，导致机组部件磨损并严重影响电站的平稳运行。为解决功果桥栅前淤积问题，谢文明[4]采用了上游库区清漂、增加清污频率并改造拦污栅门槽混凝土结构等措施。浙江省赵山渡水电站采用河床式发电厂房，因栅前污物堆积现象日益严重且难以得到有效清理，电站的引用流量与利用水头受到较大影响，导致水轮发电机组的实际出力仅为设计值的50%左右，阙剑生等[5]必须对取水与拦污结构进行改造，并在水库上游增加了清漂与拦污设备。福建省古田溪梯级水电站采用河岸斜坡式进水口与倾斜布置拦污栅，运行仅4年即发现拦污栅被植物根茎与枝干挟裹泥沙堵死，拦污栅上下游侧的最大水位差达到了4.4 m，拦污栅上的栅片与结构梁发生严重弯曲变形。古田水电站停机清污后的效果维持时间不到2年，拦污设施被严重堵塞现象再次发生。针对上述问题，何乃珍[6]对拦污设施采取临时加固措施、定期更换拦污栅并在后期采用梯级电站系统调度运行与建立即时监测系统。根据工程调研与文献归纳，拦污栅前污物汇集且较难清除的现象在各类水利水电工程中较为常见且较难解决。

为解决上述问题，针对拦污栅的结构布置设计及拦污清污效果，目前已有部分学者进行了系列研究并取得一定进展。李胜等[7]等研究了传统平面直立式拦污栅与液压式清污耙斗的结构布置及设计。任玉珊等[8]针对已投产运行项目发生拦污栅栅前污物堵塞的现象，通过水工模型试验探讨了拦污栅堵塞程度与水头损失的关系。张多锋等[9]系统性研究了拦污栅前污物汇集的力学影响并对拦污栅与水面的倾角提出优化建议。但针对拦污、集污、清污的全过程解决方案，目前学术界在这方面的研究较少。本文提出一种集拦污、集污、清污功能于一体，能够解决拦污栅堵塞现象的扇形回转式自控拦污栅设计方案，可供工程设计人员参考。

3 扇形回转式自控拦污栅结构及工作原理

3.1 拦污栅的结构型式

扇形回转式自控拦污栅的工程平面布置见图1。扇形拦污栅位于取水建筑物上游侧，其动力装置设置于闸墩上。拦污栅两侧闸墩高于洪水位，动力装置的运行不受水位涨落的影响。在扇形拦污栅上游与下游位置，布置栅差监测系统来控制拦污栅运行。在扇形拦污栅的下游方向，设置工作桥及传送皮带，方便污物的及时处理。

扇形回转式自控拦污栅由竖直拦污栅和扇形拦污栅组成，扇形拦污栅又分为机动清污斜面网和挡污扇面网。扇形拦污栅顶部由一根高强度的动力轴贯穿固定，动力装置可通过控制动力轴的转动来控制拦污栅的回转。拦污栅具体结构型式详见图2。

图1 扇形回转式自控拦污栅平面图

图2 扇形回转式自控拦污栅结构图

3.2 拦污栅的工作原理

扇形回转式自控拦污栅的作业原理如下：

(1)拦污栅栅前污物主要为漂浮物并汇集于水流表面。竖直拦污栅位于进水口上游侧最低水位以下，机动清污斜面网与水流表面成一定缓倾角。利用水流冲力，使水中污物主要汇集在机动清污斜面网上。扇形回转式拦污栅的拦污与集污工作原理见图3。

(2)当污物在机动清污斜面网上汇集到一定数量时，工作人员可通过机械控制清污斜面网的顺时针上扬来清理污物。清污工作原理见图4。

(3)在顺时针上扬斜面网进行清污的过程中，挡污扇面网与竖直拦污栅始终呈良好的相切关系，既防止污物在斜面网顺时针上扬过程中掠过拦污栅，又可保障机组正常运行所需流量。清污工作原理见图5。

图3 拦污与集污工作原理图

图4 清污工作原理(步骤1)

图5 清污工作原理(步骤2)

扇形回转式自控拦污栅的拦污、集污与清污效果高效、经济、彻底，提高了工程的运行效率与经济效益。

4 自控清污工作流程

为实现扇形回转式拦污栅的自动控制，满足不同工作情景下的多种功能需求，本文进一步提出扇形回转式拦污栅的自动化作业工作系统。扇形回转式拦污栅的自动控制系统主要由监测模式、作业模式、报警模式、检修模式组成，其具体工作流程如下：

(1)监测模式。在水利水电工程运行期间，扇形回转式自控拦污栅处于监测模式状态。利用栅差自动监测系统来计算栅前与栅后的水面高程，进而推算栅前污物的堆积数量及情况。

(2)作业模式。当栅前污物汇集程度达到程序设定阈值，系统自动启动清污作业模式。当扇形回转式自控拦污栅开始绕高强度动力轴顺时针旋转时，清污传送皮带开始传动。

(3)报警模式。当发生栅前污物严重堆积、拦污栅动力系统发生故障、拦污栅转动意外受阻等现象时，系统启动报警模式。

(4)检修模式。在拦污栅系统需要在进行保养、维护及检修状态下使用时，保障拦污栅系统的运行稳定及使用寿命。

扇形回转式拦污栅的自控清污工作流程见图6。

图6 自控清污工作流程示意图

5 创新特色及工程应用

扇形回转式自控拦污栅不同于现有拦污栅的单一结构型式，将竖直结构和扇形结构合为一体，加载自动控制工作系统，创新特色及工程应用在于：

(1)结构创新。不同于传统平面直立式拦污栅，扇形回转式自控拦污栅由竖直拦污栅、机动清污斜面网和挡污扇面网组成。

(2)利用水流冲力集污。在水流冲力的作用下，利用机动清污斜面网与河道水面形成的缓倾角，使污物自动汇集于机动清污斜面网上。

(3)清污不停机。清污过程中挡污扇面网始终与竖向拦污栅保持良好的相切关系。污物无法翻过拦污栅，拦污栅在清污的同时能正常过水，停机清污的频率得到极大降低，进而保障机组正常运行发电。

(4)自动控制化。加载监控、作业、报警及检修的自动控制系统，配备污物运输皮带、栅面前后水位感应系统等自控设备，减少人工作业并提高运行稳定性。

(5)应用面广。扇形回转式自控拦污栅能够应用于各类在建的水利工程和已投入运行但清污功能欠佳的水利工程。

6 结 语

拦污栅在工程运行中易于产生污物栅前汇集现象且较难清除，因此，笔者对拦污栅的结构形式进行创新设计。根据扇形回转式自控拦污栅结构及工作原理，笔者提出一种集拦污、集污、清污功能于一体，加载自动控制系统，能够解决拦污栅堵塞现象的扇形回转式自控拦污栅设计方案。扇形回转式自控拦污栅清污方便及时，能更好保障工程运行，降低了停机清污的可能性，提高工作效率，保证了拦污栅的工作平稳性，具有较为显著的工程实用价值与经济效益。