拦污漂在河床式厂房水电站的设计与应用

文胜良，曹 波，赵鸿文

（1.中国电建集团海外投资有限公司，北京市 100048；2.湖北长江工程设计有限公司，湖北省武汉市 430010）

1 项目概况和背景

南欧江一级水电站坝址位于老挝 13 号公路南欧江大桥上游约10km，距离南欧江和湄公河汇口约18km，为南欧江七个梯级开发中的最下游梯级。工程的开发任务为发电，电站校核洪水位311.01m，正常蓄水位 307.00m，死水位305.00m，有效库容 0.22×108m3，具有日调节性能，最大坝高 52.5m，装机容量 180MW（4×45MW）。枢纽建筑物主要由左岸非溢流坝段、11孔泄洪闸坝段、安装间和发电厂房坝段、右岸非溢流坝段、进水口上游拦沙坎等建筑物组成。

南欧江流域内库区两岸植被茂密且人为活动频繁，当地居民习惯于通过刀耕火种对山林进行开荒，每年4月旱季即将结束、雨季来临前，当地居民会将大片的山林砍伐焚烧后进行旱稻、橡胶或者柚木等作物的种植。每年5～10月份雨季时山洪的侵蚀导致河道产生大量的漂浮物，对电站运行产生一定的不利影响，对库区内的漂浮物进行有效的拦截和排漂管理，是确保电站长久、稳定运行的一项重要工作。

2 拦污漂的必要性和可行性分析

南欧江六级水电站大坝是复合土工膜面板软岩堆石坝，安装使用浮筒式浮桥拦污漂防止漂浮物对大坝上游的复核土工膜面板的破坏[1]。六级水电站库容相对较大具有季调节功能，进水口轴线方向与原河道水流方向近乎垂直，进水口底板远高于原河床，进水口高程以下河道起到了沉砂池的作用；正常蓄水位510.0m与死水位490.0m之间落差较大，因此漂浮物对于进水口和发电系统的影响很小。拦污漂布置上与河道水流方向夹角小，起到了很好的导向作用，运行实践表明在雨季洪水期泄洪时能够对漂浮物进行有效的排漂工作，减少坝前和进水口前漂浮物的堆积和沉积，对柔性复合土工膜起到了良好的保护作用。

南欧江一级水电站为径流式开发水电站，厂房形式为河床式厂房，库容小，水位变幅小，发电水头相对较低，采用贯流式水轮机发电机组，其机组形式决定了进水口高程较低。由于防推移质和悬移质泥沙考虑，利用进水口上游二期横向围堰改造成拦沙坎，在拦沙坎和厂房进水口前形成一个前池。一级水电站河床式厂房与泄洪建筑物相邻布置，从流域内其他同类已运行电站了解可知，河流在汛期遭遇洪水，期间大量漂浮物随洪水涌入河道，污染水质，随河道湍急的洪水下泄，漂浮物壅堵在箱涵进口造成箱涵过流能力降低[2]。如果不对河流中漂浮物进行拦截并通过泄洪闸向下游排放，在机组检修、引用流量较小或者汛期不发电时，水流流速降低导致部分树木等漂浮物与泥沙裹挟沉积在进水口前池范围内，或产生堆积造成进水口拦污栅堵塞，严重时可降低发电水头和发电流量，甚至部分漂浮物通过拦污栅间隙进入流道造成检修闸门启闭困难、导水机构或水轮机卡阻等不良影响，不仅会造成较大的电量损失，还给电站运行带来安全隐患；清污机只能清除拦污栅上的部分附着物，且再配合人工转运垃圾的工作量太大，也相应增加了转运费用。一级水电站位于流域七个梯级电站开发的最下游，入库的漂（悬）浮物是最多的，结合南欧江六级水电站拦污漂的运用，南欧江一级水电站河床式厂房进水口上游修建拦污漂是很有必要且是可行的。

3 拦污漂的方案设计和实施

3.1 拦污漂设计目的

该项目拦污漂设计的主要目的是为了有效拦截上游南欧江流域人类活动或者洪水、泥石流所带入河道的枯草树枝或生活垃圾。其布置应尽可能避开高速水流区，工程正常发电时能人工清渣，或对上游漂浮物进行引导配合泄洪设施能够进行有效排漂，减少或者降低对厂房进水口拦污栅的淤堵，减小发电水头损失；在拦污漂受超标洪水等不可抗力被破坏时，拦污漂绳索破断后漂体及附属设施对大坝、泄洪设施和厂房进水口拦污栅不造成安全威胁。

3.2 拦污漂布置方案

南欧江一级水电站校核洪水位 311.01m，正常蓄水位307.00m（也即百年一遇P=1%设计洪水位），死水位 305.00m，日常运行或者防洪度汛时水位变动幅度小，为便于施工和运行管理，将拦污漂两锚固段设置为固定点，利用拦污漂主索的柔性和挠度随着水位小幅波动而调节。一端设置在右岸混凝土锚固墩上固定，一端设置在导沙墙上固定。右岸锚固墩拟布置在右岸13号公路侧，因右岸13号公路是老挝北部最重要的交通要道，锚固段位置选择除了满足地质条件要求，更要求保证施工期间不对道路交通造成影响，经比选后选择A点作为右岸锚固墩位置，上游凸起的土包还能在洪水期间保护锚固墩少受水流的冲击。B点布置在导沙墙上，由于前期未考虑布置拦污漂，导沙墙未预埋钢板且前端是弧形，因此B点布置在导沙墙的内侧，AB连线与坝轴线夹角约为45°，布置方案见图1。

图1 拦污漂平面布置示意图（单位：m）Figure 1 Layout of floating debris trashrack（unit：m）

3.3 拦污漂结构设计

南欧江一级水电站日常运行中水位变动幅度小，按照设计要求，拦污漂的设计使用年限为5年，到期或者损坏时更换相关配件或设施，考虑到其作为3级次要建筑物，从工程实用性和经济合理性角度出发，按照百年一遇洪水（p=1%）条件下的荷载进行计算是合理可行的，坝前水深H约为19m，根据枢纽布置图估算水库坝址直线吹程D取值为800m。

3.3.1 拦污漂力学计算

现场地质调查表明，左岸公路边坡是整体抗滑稳定的。考虑到拦污排结构自重与浮力保持平衡，均无其他垂直方向的荷载，仅考虑水流、风和浪等基本组合作用在拦污漂上所产生的拉力[6]。对于3级混凝土重力坝，正常蓄水位时设计风速可采用多年平均最大风速的1.5～2.0倍[5]，该项目坝前计算风速va采用多年平均最大风速4.6m/s的2倍考虑，即va=9.2m/s。

（1） 水流产生的作用力[3，6]。

式中：kw为水流阻力系数，取值1.80[3]；γw为水的重度，取值9.8kN/m3；g为重力加速度，9.8m/s2；vw为百年一遇洪水泄洪工况下坝前断面平均水流速，计算约为vw=1.6m/s；hw为拦污漂及拦渣网入水深度，0.8m。代入公式（1）可得出垂直于坝轴线方向的水流作用力Pw=0.18kN。

（2） 风的作用力[3，6]。

式中：ka为空气阻力系数，取值1.90[3]；γa为空气的重度，取值0.0127kN/m3；ha为拦污漂水面以上高度，0.35m。代入公式（2）可得单位长度上拦污漂上的风的作用力Pa=0.11kN。

（3） 浪的作用力。

拦污漂为采用锚系柔性定位的漂浮结构，对波浪冲击具有很大的缓冲和消能作用，其运动状态十分复杂，波浪荷载及其作用效应，一般需引入修正系数适当简化[5]。因该项目为内陆峡谷水库，可按官厅水库公式[4，5]进行计算波浪要素，从而计算波浪作用力。

当H≥Lm/2 时[5，6]，

式中：h为波高，当gD/v2=20～250时h为累计频率5%的波高h5%，当gD/v2=250～1000时h为累计频率10%的波高h10%

[5]；h1%为累计频率1%的计算波高，可通过h和文献[5]中表1.3-3反推求得；Lm为波长；hz为波浪中心线至正常蓄水位的高差；η为考虑只有部分浪压力作用在拦漂排上而引人的波浪压力修正系数[3，6]，0≤η≤1，考虑到拦污漂作为3级次要建筑物以及受损或破断后维修的便利性，η在该项目中取值0.3；其他参数同前。

将各参数代入上述公式可得h=0.25m，Lm=3.40m，h1%=0.31m，hz=0.09m，拦污漂单位长度上的浪作用力P=0.98kN。

（4） 拦污漂上作用力合计。

将水、风、浪三个作用力简化为均布荷载，可知拦污漂所受均布荷载如下：

将所计算的风、水流、浪作用力代入公式（7）可得单位长度上拦污漂上所受的作用力q拦=0.18+0.11+0.98=1.27kN/m。

（5） 拦污漂主索轴线拉力。

索状柔系结构往往受到复杂的荷载作用具有不同的平衡形状从而产生不同的张力分部规律[7]，拦污漂形态和轴向张力分布规律受水流、风、波浪组合作用的影响非常明显，应用实例表明不同运行工况呈现不同的形态，目前国内拦污漂锚固端和漂体之间受力计算一般采用悬链线理论计算法和非线性迭代计算法，均通过一定假定条件建立计算模型。

拦污漂属于柔性大位移结构体系，许多工程按照悬链线理论对漂浮式拦漂排结构进行计算分析，计算结果在一定程度上不能反映真实张力的非均匀性[6]，但计算简单实用。武汉大学针对非线性迭代方法开发的计算程序，根据虚功原理导出拦漂排平衡状态的非线性方程组，采取迭代方法求得拦漂排轴线张拉形状和张力的数值解，具有计算精度高、收敛性好的优点，但边界条件的设定较苛刻，计算过程较复杂[6]。受地形地貌影响，水流、风、浪作用力机制非常复杂，需要通过模型和原型试验深入研究才能取证，本文从拦污漂设置的主要目的和工程应用效果考虑，采用悬链线理论根据下列公式计算锚固端和拦污漂主索轴向受力情况[6]。

式中：L为拦污漂主索长度，225m；f为拦污漂主索矢高，15m；q为拦污漂所受的风、水、浪压力均布荷载，q=q拦=1.27kN/m，代入公式（8）可计算拦污漂主索产生的轴向拉力，也即锚固墩所受拉力F=536.94kN，约为53.7t，采用 1 根直径φ32，单根破断强度约 66t 的迪尼玛绳作为主索。

3.3.2 右岸锚固墩A设计

右岸锚固墩建基面开挖至强风化层，根据应力计算确保基底地基承载力应不小于150kPa，在建基面上铺碎石，压实形成泥结石层，然后及时浇筑混凝土垫层后采用混凝土浇筑，混凝土容重参照项目试验室数据取为24kN/m3，锚固墩体形设计为6m×4m×5m（长×宽×高）=120m3，底部高程为306.0m，顶部高程为311.0m，锚固点高程为310.0m，正常运行水位时拉索下垂角度约30°。

结构物的抗滑稳定安全系数Ks一般是以滑动面上的抗滑力和滑动力的比值来定义，即Ks=P抗/P滑，因锚固墩工程规模小，底基础面水平，本文根据抗剪强度公式（摩擦公式）进行计算。并计算锚固墩基底应力和抗倾覆稳定系数，验算右岸锚固墩的整体稳定性。

式中：Ks为抗滑稳定安全系数；f为抗剪摩擦系数，根据经验取值0.4；ΣG为锚固墩所受综合向下的力；U为锚固墩所受综合向上的力，主要是浮力；F为锚固墩所受综合水平向作用力，按校核洪水极限工况下拦污漂主索破断强度考虑，即F=660kN。将各参数代入公式（9）可得Ks=0.4×（120×24-120×10）/660=1.02＞1.0，满足要求。

式中：σ为锚固墩基底应力；ΣG为锚固墩所受综合向下的力，主要是重力和拦污漂向下的分力，正常运行水位时拉索下垂角度约30°，拦污漂向下分力系数取值sin30°；A为锚固墩基底面积；考虑最不利工况，即锚固墩应不考虑水的浮力作用，将各参数代入公式（10）可得σ=（120×24+536.94×sin30°）/（6×4）=131.2kPa，综合考虑锚固墩基础承载力应不小于150kPa。

式中：K0为抗倾覆稳定系数；L1为锚固墩所受综合向下力的力矩，取值3.5m；L2为锚固墩所受综合水平力的力矩，取值（310-306）/2=2m；按校核洪水极限工况下拦污漂主索破断强度考虑，即F=660kN。将各参数代入公式（11）可得Ks=（120×24-120×10）×3.5/（660×2）=4.45＞1.5，满足要求。

综上所述，右岸锚固墩体形设计和布置方式满足整体稳定安全要求，另外基础按照间距1m、入基深度为1m布置12根2m长的φ25螺纹钢筋作为插筋，增强锚固墩的抗剪断强度和整体抗滑稳定能力。

3.3.3 坝体锚固端B点设计

B点布置在导沙墙上，由于前期未考虑布置拦污漂，导沙墙未预埋钢板且前端是弧形，因此B点布置在导沙墙的内侧，金属结构支撑底座在工厂制作完成，其安装需要在现有导沙墙混凝土面植入若干锚筋，且植筋时不应打断导沙墙结构钢筋，采用 A级胶锚固。

3.3.4 拦污漂漂体设计

该项目拦污漂设计采用迪尼玛绳作为主索+单浮筒+拦渣网的形式，拦渣网能增加水下的拦渣延展深度，能增加对漂浮物的拦截效率。

拦污漂的组成采用两半式浮筒+拦渣网+平衡锤的形式，主索从中心穿过。浮筒材质为超强滚塑聚乙烯材料，单体规格型号为直径φ600mm，长度1m，两半式；拦渣网采用φ6mm钢筋网片，单片网尺寸2m×1m，孔径160mm×160mm，通过两半式浮筒夹紧固定，网片露出浮筒底部约550mm，网片可拆卸便于维护和更换；平衡锤直径φ300mm，内部填充混凝土，外包聚乙烯材料，每个浮筒配2个，通过挂绳系在主索上悬吊在网片下游侧以确保拦渣网整体上处于垂直状态。浮筒吃水深度约250mm，拦渣总深度约800mm。

3.4 应用效果及评价

南欧江一级水电站自2019年11月中旬开始下闸蓄水，由于当地居民焚烧山林、前期库区清理、上游电站排漂形成大量漂浮物。运行过程中发现，拦漂索上游侧堆积较多漂浮物，而厂房进水口与拦污漂之间的水域杂物很少，说明拦污漂的设计能够对漂浮物进行有效拦截。由于受新冠疫情等不可抗力影响，目前机组投产发电只有两台，进度较计划滞后，厂房引用流量较少，进水口前水流速度较小，拦污漂前后的水流压差小，在水流、普通风浪的作用力下，随风浪起伏，形态呈现不同的张拉线形状，拦漂索受力状态稳定良好，拦漂索和锚固段未见破坏。

进入雨季后，电站从防洪度汛角度考虑库水位降至死水位附近运行，当拦污漂及泄洪闸前的漂浮物堆积较多时，电站运行人员根据指令适当开启靠近坝体锚固点的泄洪闸闸门排漂，在水流的带动作用下，大部分漂浮物随着拦污漂的引导从厂房旁边的泄洪闸排至下游，使得厂房进水口与拦污漂之间的水域比较干净，有效实现了对漂浮物的有效拦截和排漂导向目的，为机组运行发电创造了良好的外部环境。

4 结论

（1） 对于径流式开发中的河床式厂房水电站，由于库容小，汛期洪水携带的漂浮物常容易堵塞拦污栅，造成水头降低甚至设备损坏；即使配置清污机，对于垃圾的清理工作量和费用也非常大，拦污漂的投入能够大大减少漂浮物的清理工作量，在进水口上游设置拦污漂对漂浮物提前进行拦截是很有必要且是可行的。

（2） 将拦污漂线路布置与水流方向的夹角较小为宜，对于排漂能够起到良好的导向作用，电站运行过程中应加强上游漂浮物入库监控，适时开启泄洪闸排漂，为电站安全、稳定运行创造有利条件。

（3） 拦污漂受风速作用下的风浪作用力影响最大，在工程区气象资料不充分的条件下，结构计算可能需要配置高强度拦污漂主索和体形较大的锚固墩，考虑到拦污漂主要是拦截和导向作用，拦污漂绳索破断后漂体及附属设施对大坝、泄洪设施和厂房进水口拦污栅不造成安全威胁，在投资可控、拦污漂运行维护安全便利的前提下，综合考虑主索强度和锚墩体形。