中美两国水电站拦污栅设计标准的比较

高 欢

(上海勘测设计研究院有限公司,上海 200434)

1 概述

拦污栅作为一种杂物拦阻装置，是水力发电站中应用最为广泛的水工机械设备之一[1-2]。拦污栅主要由栅体结构、支承构件及栅槽埋件3部分组成，它对机组及下游设备的正常运行起到非常重要的保护作用。

近年来，在涉外水电站工程设计过程中，外方业主或者咨询工程师通常会要求各类水工钢结构设备的设计必须采用或者遵守欧美国家的设计规范。为了加快施工图纸及计算文件的报批进度，缩短设计周期，提高工作效率，准确理解并熟练掌握欧美国家的设计规范是非常必要的[3]。

文章首先将欧美各国在水电站工程设计中采用的拦污栅设计规范或手册进行比较，综合考虑后采用美国规范及手册；之后，再将美国规范和手册中的拦污栅设计要求与我国规范中相应的条款进行比较，简要分析；最后，采用美国设计规范对某电站的拦污栅进行结构设计及计算，以方便对该规范的理解，供讨论。

2 中美规范比较

欧美国家采用的水工钢结构设计规范或手册主要包括美国《水工钢闸门设计手册》及《水工钢结构设计规范》ETL1110-2-584；德国《水工钢结构设计规范》DIN19704等。从规范的完整性及可操作性方面考虑，采用美国规范进行拦污栅的结构设计及计算是比较适用的。我国的水工钢结构设计规范或者手册主要包括有《水电工程钢闸门设计规范》NB 35055—2015及《水电站机电设计手册》(金属结构二)。

中美设计规范中均对拦污栅的布置、结构设计及计算进行了规定。

2.1 拦污栅的功能及布置形式

各类型的拦污栅，主要布置在水电站引水发电系统的进口(对抽水蓄能电站而言，布置于上、下库的进出水口)处，用来拦阻夹杂在水流中的各类漂浮物以及水体下杂物等，从而保障水轮发电机组等下游设备的运行安全[4-5]。

拦污栅的布置主要取决于电站引水系统进水口的形式。拦污栅既可采用直立式布置，又可采用倾斜式布置。当进水口为了获得较大的过水面积和降低过栅流速时，一般可将拦污栅布置为多边形或拱形，在平面上呈多边形或者拱形，直立面上呈直立式。当布置在拱坝的进水口时，一般呈倾斜布置，倾角范围约70°～75°；倾斜布置不仅可以扩大栅面，降低过栅流速，而且有利于清污机工作。

另外，拦污栅还可布置为固定式和活动式，对于多杂物水流，建议将拦污栅布置为活动式，以便于检修及更换[6-7]。拦污栅的功能及布置形式上，美国与我国规范基本没有明显的差异。

2.2 设计要求

1) 荷载工况

美国及我国的设计规范，均规定了拦污栅设计时应考虑的荷载工况，具体见表1所示。

表1 拦污栅设计荷载工况的规定

从表1可以看出，美国规范中在拦污栅设计时考虑的水位差要比我国规范大一些，设计相对保守。实际工程设计中，确定水位差时，还应该分析电站所在河道的污杂物的种类及分布情况；例如我国金沙江流域的一些电站设计中，考虑雨季时河道内漂浮物增加过快，该水位差就曾采用了8 m甚至更大。

2) 材料容许应力

美国规范中关于拦污栅材料的容许应力分为两部分规定，一部分是栅条的容许应力，另一部分是其他结构的容许应力。

拦污栅的栅条容许应力：

Sall=Sy×(1.23-0.015 3L/t)

(1)

其中Sy为栅条材料的屈服强度；L为栅条的无支承长度；t为栅条厚度。

其他构件的容许应力计算公式如下。

抗拉、弯曲应力：

Sall=0.68Sy

(2)

抗剪应力：

τall=0.39Sy

(3)

我国规范中，拦污栅(包含栅条)材料的容许应力是根据板材所处的尺寸组别来规定的。在实际工程中，进行拦污栅的结构设计计算时，通常参照闸门的规模来选取应力调整系数。

通过比较，美国设计规范在栅条的容许应力定义方面，着重考虑了栅条支承结构的侧向屈曲条件，容许应力与栅条的侧向支承及厚度有关；拦污栅其他构件材料的容许应力是没有考虑板材厚度的影响。

一般情况下，由于拦污栅的各构件所采用的板材厚度不大，分布在30 mm以内。经分析表明，美国规范中规定的材料容许剪应力值是与我国规范基本一致；拉伸、弯曲容许应力值的差异约在4%以内。

2.3 结构设计

中国及美国的水工钢结构设计规范中均就拦污栅的结构设计提出了规定，主要包含栅条形状、栅条间距、主梁钢度等(见表2)。

表2 栅条结构及刚度的规定

从表2可以看出，美国规范中关于拦污栅的栅条厚度有较为严格的要求，其余结构尺寸要求与我国规范基本一致；在拦污栅主梁的刚度要求方面，美国规范比我国规范要求的严格，设计也就偏于保守[8-9]。

另外，美国规范还在条文说明里规定了拦污栅的锈蚀裕量，其取值范围为1～2 mm，一般在进行结构计算时需要扣除该值[10]。而我国规范仅仅对闸门面板规定了1～2 mm的锈蚀裕量，拦污栅则没有明确的要求，但实际设计过程中也会有一定的考虑。

从表3可见，无论是美国规范还是我国规范，栅条间距的确定均与水轮机组的型号息息相关。实际设计过程中，在确定栅条间距时还应该考虑水轮机导水机构的最小开度尺寸。栅条间距不易过大，过大会使得杂物随水流进入机组，影响机组运行安全；过小则会增加拦污栅的水头损失，反而更容易造成拦污栅的堵塞，也会影响到电站正常运行。此外，确定栅条间距时还应该考虑到机组生产厂家的意见。

表3 栅条间距的规定

2.4 计算要求

无论是美国规范还是我国规范，均对拦污栅的过栅流速、水头损失、栅条振动等规定了计算方法以及限制条件。

1) 过栅流速

过栅流速是拦污栅设计过程中提出的一个重要指标，其综合考虑了水电站的电能成本及水体中的杂物情况。美国及我国规范均对过栅流速提出了具体的控制指标(见表4所示)。

表4 拦污栅的过栅流速规定 m/s

从表4可以看出，美国规范中人工清污方式时的过栅流速值要比我国规范要求的数值大，其余情况下规定的数值是比较接近的。

2) 水头损失

水流通过拦污栅时，其流向不论与栅条纵轴重合还是存在偏角，均或多或少的与栅条存在撞击和约束，阻碍水流，使得水流断面收缩从而产生水头损失。

我国设计规范与美国设计规范中所采用的水头损失计算公式均是Kirschmer-Thoma的实验推导公式:

(4)

式中h为栅条高度；t为栅条厚度；k为栅条断面形状系数，当矩形截面h/t≥5时，k为2.42;d为栅条净距；v0为过栅流速；g为重力加速度；α为拦污栅安装倾角。

尽管我国与美国规范所采用的水头损失计算公式相同，但该公式仅仅考虑的是栅条对水流的阻碍约束作用而产生的水头损失，没有考虑拦污栅本体及栅前杂物堆积对水头损失的影响。实际上，在中国及美国规范的条文说明中均对以上述情况加以说明。如果拦污栅前有杂物堵塞时，美国规范要求按照35%的栅面被阻来进行水头损失估算；中国手册则是规定按照无阻碍计算值的3～5倍来考虑水头损失。

从总的对比结果分析，我国规范规定的水头损失经验算法要比美国规范计算值稍微保守一些。按照美国规范考虑拦污栅阻塞情况下，水头损失的计算值是没有阻塞情况下计算值得2.5倍左右。

3) 栅条振动

水流通过拦污栅的栅条时，当其流速增大到某一范围后，栅条尾部将出现交替的涡流脱落现象，从而造成振动，一旦该振动频率接近栅条固有频率时，将会发生共振，破坏拦污栅，危害电站安全运行。

不论是美国规范还是我国规范，所规定的涡流脱落的干扰频率计算公式及单根栅条固有频率的计算均公式相同。

涡流脱落产生的干扰频率计算公式：

ft=Stv/t

(5)

式中St为Strouhal数，由公式St=0.12+0.012b/t确定；v为过栅流速；t为栅条厚度。

单根栅条固有频率计算公式：

(6)

单根栅条的固有频率应该大于涡流脱落引起的干扰频率，关系如下：

n=fn/ft>2.5，栅前有堆积物阻碍。

n=fn/ft>2.0，栅前无堆积物阻碍。

尽管我国与美国的设计规范采用了相同的栅条频率计算公式，但是在计算公式中各项系数的取值是有区别的；比如，我国规范中规定：过栅流速有试验时为实测最大值，否则应该采用2.25倍的平均过栅流速值；而美国规范则规定：平均过栅流速应该分为栅前有阻碍时(35%阻碍面积)的流速及栅前无阻碍时的流速，两种情况来进行计算[11-12]。

3 美国规范设计拦污栅实例

国外某水电站工程，引水发电系统的进水口前缘处布置1道拦污栅，拦污栅支撑跨度为5 m，单节高度约为3.1 m，倾斜80°安装。拦污栅的结构见图1所示。

图1 拦污栅结构示意

单节拦污栅的各项设计参数具体如下：纵向布置的栅条间距b=120 mm，设计水位差q=6.0 m，栅条采用扁钢制作，断面尺寸为t=16h=80 mm；横向布置的主梁采用矩形截面，尺寸为26 mm×600 mm；栅条支承跨度L=620 mm；拦污栅材料采用Q235C，屈服强度fy=235 MPa；平均过栅流速约1.2 m/s，要求考虑2 mm锈蚀裕量。

3.1 栅条结构计算

1) 容许应力

σall=235×(1.23-0.015 3×620/14)=129.8 MPa 。

2) 结构强度计算

作用在单根栅条上单位长度的荷载：

q=q′b=0.06×120=7.2 N/mm 。

栅条最大弯矩(按5跨连续梁计算第2支座处)：

Mmax=0.107ql2=0.107×7.2×6202=296 142 N·mm。

栅条截面面积：

A=th=14×80=1 120 mm2。

支座处最大剪力(第2跨左侧)：

R=0.607ql=0.607×7.2×620=2 710 N 。

支座处剪应力校核：

τ=R/A=2 710/1 120≈2.4 MPa<τall=91.6 MPa 。

栅条截面特性：

W=th2/6=14×802/6≈14 933 mm3。

I=th3/12=14×803/12≈597 333 mm4。

弯曲应力校核：

σ=M/W=296 142/14 933≈19.8 MPa<σall。

挠度校核(5跨连续梁)：

Δf=0.006 5×ql4/EI=0.006 5×7.2×6204/206 000×597 333≈0.056 mm

3.2 主梁计算

1) 容许应力

抗拉及抗弯容许应力：

抗剪应力容许应力：

2) 结构强度计算

作用在主梁上单位长度的荷载：

q″=q′b′=0.06×620=37.2 N/mm 。

主梁最大弯矩：

116 250 000 N·mm 。

主梁截面面积：

A′=t′h′=24×620=14 880 mm2。

主梁支座反力：

R′=q″l′/2=37.2×5 000/2=93 000 N 。

支座剪应力校核：

支座截面特性计算：

W′=t′h′2/6=24×6202/6≈1 537 600 mm3。

I′=t′h′3/12=24×6203/12=476 656 000 mm4。

弯曲应力校核：

挠度校核：

Δf′=5q′l′4/384EI′=5×37.2×5 0004/384×206 000×476 656 000≈3.1 mm

3.3 水头损失计算

水头采用Kirschmer-Thoma的实验推导公式：

(7)

式中k为栅条断面形状系数，取2.42；t为栅条厚度，取1.4 cm；h为栅条高度，取8 cm；d为栅条净距，取10.4 cm；v0为平均过栅流速，取120 cm/s；g为重力加速度,取981 cm/s2；α为拦污栅安装倾斜角,取80°。

拦污栅的栅面不被杂物阻塞的情况下：

Δh=2.42×(1.4/10.4)4/3×(1202/2×981)×sin80°≈1.2 cm 。

拦污栅的栅面被杂物堵塞35%的情况下：

Δh=2.42×(1.4/10.4)4/3×(184.62/2×981)×sin 80°≈2.86 cm 。

3.4 栅条振动计算

1) 单根栅条的固有频率计算，具体的计算公式及注释如下所示：

(8)

2) 涡流脱落产生的干扰频率，计算公式及注释如下所示：

ft=Stv/t

(9)

式中t为栅条厚度，取1.4cm；St为Strouhal数，取St=0.12+0.012b/t=0.12+0.012×12/1.4=0.22。

第1种情况：拦污栅未被堵塞；v=120 cm/s;

ft=Stv/t=0.22×120/1.4≈18.9 Hz 。

单根栅条的固频率与涡流脱落引起的干扰频率之比值：

n=fn/ft=165/18.9≈8.7>>2.0 。

单根栅条的固频率与涡流脱落引起的干扰频率之比值：

n′=fn/ft=165/29≈5.7>2.5 。

根据拦污栅的上述各项计算结果分析，拦污栅的设计满足美国设计规范的要求。

4 结语

通过对美国《水工钢闸门设计手册》及《水工钢结构设计规范》中关于拦污栅的各项设计要求的解读，并与我国《水电站钢闸门设计规范》及《水电站机电设计手册》(金属结构二)中相应的拦污栅设计条款的对比，不难看出，两国的设计标准有很多相近之处，但美国的设计标准在拦污栅的强度及刚度设计方面相比我国规范要求更加严格一些。根据多年来涉外工程的设计经验，以及与欧美咨询工程师的沟通角度考虑，掌握及熟悉欧美设计规范是非常有必要的；尤其，在施工图纸及计算文件的报批环节，可以极大的提高图纸及计算文件的通过率，缩短设计周期，提高效益。