汉江碾盘山电站水力一体拦导漂排设计研究

蔡 莹，李书友，黄明海

(1.长江科学院 水力学研究所，武汉 430010； 2.南水北调中线实业发展有限公司，北京 100038)

1 研究背景

碾盘山水利水电枢纽位于汉江中下游湖北钟祥市境内，是汉江流域综合开发治理枢纽工程，也是国务院确定的172项节水供水重大水利工程，属Ⅱ等大(2)型工程。工程开发任务以发电、航运为主，兼顾灌溉、供水，为引江济汉工程良性运行创造条件。枢纽从左至右依次布置左岸连接土坝、泄水闸、电站厂房、连接混凝土重力坝(含鱼道)及船闸等，工程正常蓄水位50.72 m，相应库容8.77×108m3。航道标准为Ⅲ级，船闸设计标准1 000 t级；电站装机6台，总装机容量为180 MW，年发电量6.16×108kW·h。

多年来汉江干流汛期漂浮物量大，历时较长，流域已建的王甫洲、崔家营、兴隆电站及引江济汉倒虹吸等重大工程在运行时常爆发水草漂浮物，堵塞工程拦污栅，直接影响工程运行安全和效益，有的工程已多次进行应急抢险处理。此外，漂浮物聚集对河道生态环境、航运、取水等都造成影响。

工程漂浮物产生、漂移、汇集与雨洪关系密切，漂浮物具有流动、组成复杂、分散、聚集、缠绕、下沉等多重特性，运移规律及治理环境复杂。当前工程漂浮物治理相关研究不足，设计缺乏规范依据，工程运用存在被动、低效、失控、管理困难等问题，漂浮物治理是水利工程难题之一[1]。

根据已建工程运行情况，碾盘山电站建成后运行时将同样会出现漂浮物问题。通过多方案比较研究，工程设计采用在电站引水渠内布置水力一体拦导漂浮排技术方案。水力一体治漂是由长江科学院自主开发的一项技术[2]，并在国家重点研发计划等项目支持下开展了大量工程调研和水力学模型试验研究[3]，形成的主要实用装备水力一体治漂浮排经长江三峡水电站坝前、黄河三门峡水电站坝前工程实际运用检验，可在实际工程中因势利导地拦、导、排、集、清漂一体化治理漂浮物，提升工程安全、经济、实用等多方面的综合性能，可为枢纽关键水域构建安防屏障[4]。

漂浮物与工程水力条件关系密切，根据河道形态及枢纽布置特点，改善工程治理方式采取相应的水力一体治漂措施，有利于提升工程漂浮物治理效果，全面发挥工程效益。水力一体治漂技术措施有浮排、浮闸、进水口网栅、排滤收漂闸等，系列技术已申请多项国家专利[5-8]。

2 工程布置及水文条件

根据工程设计方案，碾盘山枢纽水库正常蓄水位与校核洪水位都为50.72 m，死水位50.32 m，电站进水渠河床地形高程约35 m，宽度为152.8 m，正常运行水深约15 m，水位变幅约0.4 m，6台水轮机组满发过机流量为2 785.02 m3/s。枢纽坝址附近钟祥站历年最大风速为18.7 m/s(风向NNW)，多年平均最大风速为12.2 m/s。

根据工程设计总体布置方案，碾盘山电站引水渠拦导漂浮排左端导墙系排滑槽中心点桩号为坝0-045.7 m，距电站进水口侧墙4.5 m，滑槽高度6 m；右端系排锚固墩靠近鱼道，锚固墩中心点桩号为坝0-267.2 m，左右端定位中心点沿坝轴线的长度为218.0 m，浮排轴线长度306 m，吃水深度1.0 m。过排最大流速按1.2 m/s考虑，枢纽敞泄电站不运行时左端导墙头部反向流速按3.2 m/s考虑。

3 拦导漂排方案比选

当前电站、泵站工程一般都采用拦污栅、柔性拦漂排拦截漂浮物，利用人工和船只机械清理。本文根据碾盘山水利枢纽工程水文条件、布置及运行要求、漂浮物特征等，对拦污栅、柔性拦漂排、水力一体拦导漂浮排的电站拦漂设计方案进行了比选研究。

3.1 拦污栅

泵站和水电站工程进水口设置拦污栅拦截漂浮物，并利用清污机组合清理[9-11]，进水口拦污栅迎流面一般与渠道水流方向垂直布置，有些电站在进水口前引水渠内加设一道斜面拦污栅。

进水口水流条件复杂，漂浮物组成多样，相互缠绕挤压，工程实际运行中经常突发大量漂浮物，受气象条件、环境场地等限制，在进水口咽喉部位的拦污栅前利用抓斗等机械抓起漂浮物，操作困难、工作被动、效率低，有的工程在进水口前水面利用船只清漂，操作存在安全问题。漂浮物清理不及时常出现大面积漂浮物聚集，导致拦污栅严重堵塞卡阻，在下层水流吸引和清漂操作搅动下，加剧漂浮物下潜下沉，造成拦污栅堵塞深度增加，清理更加困难。拦污栅严重堵塞对工程运行带来巨大威胁，降低排涝泵站效率影响辖区防汛排涝，加大电站拦水头损失影响工程直接效益，一些工程运行中出现拦污栅被挤压垮塌，影响工程安全运行，有时被迫停机进行应急抢险处理。拦污栅及配套机械设施投资大，运用缺乏灵活性，对漂浮物的适应性不强。传统拦污栅与机械组合清漂方式难以满足治理漂浮物需要，研究改善工程漂浮物治理措施具有重要作用。

3.2 柔性拦漂排

为减轻漂浮物对工程运行造成的影响，有些工程在河道内设置柔性拦漂排提前拦截漂浮物，结合枢纽泄洪建筑物排漂或利用人工船只清漂。柔性拦漂排形式有竹排、木排、金属或高分子浮筒(箱)、围栏等，水下挂网或拦污栅增加拦截漂浮物的深度，排体一般由两端在岸边定位，中间处于自由状态。

柔性拦漂排具临时拦截兜集漂浮物的作用，实际运行时存在问题多，不能获得应有效果，难以满足漂浮物爆发期间运行需要[12]。柔性拦漂排在水流作用下排体在水面呈悬链线状态，形态随水流状态变化，失去水流导漂能力，难以利用泄水闸发挥有效的排漂作用，在状况复杂的水面拦漂导致漂浮物聚积，造成拦漂排上浮、翻转、损毁等问题，水面清漂不及时造成漂浮物下沉泄露，设施运用中不便于应急干预，管理困难。柔性拦漂排没有协调好水力关系，将水流方向的作用力转化为轴线力，由端点集中受力，结构传递荷载方式对设施安全不利。柔性拦漂排不适应漂浮物多种复杂特性，简单增加水下拦网或栅体深度都不能发挥有效作用。

3.3 水力一体拦导漂浮排

漂浮物流动、聚集、下沉与水流状态、流速等水力要素密切相关，根据工程清漂实际操作要求，应尽可能避免在工程关键部位聚集和清理漂浮物。在过程中利用水流将漂浮物引导至适合部位清理可减少一系列问题，措施应具有针对性。

水力一体治漂浮排是通过改善设施结构，在水面维持直线形态，利用河流水力在浮排前形成稳定的定向导漂微流场，在设施和导漂微流场共同作用下，在拦截漂浮物过程中将漂浮物导向适合的水域清漂或排漂。与拦污栅和柔性拦漂排和清漂比较，设施在拦截漂浮物过程中具有引导功能，可避免在电站进水口前聚集和清理，减少漂浮物聚集下沉、跑漏，降低结构吃水深度，减少水流对结构冲击力。设施采用沿程锚墩系缆定位分散承担水力，减小设施轴线受力，结构受力合理，安全性能更好。拦导漂浮排充分发挥水力作用，减少中间操作环节，治漂运行成本低，减少电站发电水头损失，增加工程发电效益。形成的实用装备经现场应用检验，适应漂浮物特性和水上清理漂浮物的要求，具有多方面的效果。

4 碾盘山水力一体拦导漂排设计研究

4.1 水力一体拦导漂浮排结构

碾盘山电站没有漂浮物实测和研究成果，根据碾盘山电站设计总体布置要求，经水文、枢纽布置、现有工程漂浮物治理方式综合比较，结合已开发的装备运用经验，采用水力一体拦导漂浮排有利于发挥工程效益。

根据引水渠水流条件及工程运用需要，电站水力一体拦导漂浮排由10节30.6 m独立单元浮排串联构成，在浮排上下游的水下设置锚墩，锚墩与各节浮排间用钢缆绳连接，浮排轴线与坝轴线之间的导漂角度约为45°，浮排总体布置见图1。

图1 碾盘山电站拦导漂排总体平面布置、剖面结构及右岸锚墩大样立面图Fig.1 General layout plan and sectional structure offloating raft of Nianpanshan Hydropower Station

碾盘山电站拦漂排运用过程中在水流作用下将拦截的漂浮物导向泄水闸一侧，适时开启泄水排漂。工程运行期间水流情况、漂浮物爆发及组成等都具有不确定性，为在一般运行条件下能获得较好的拦导漂效果，要求浮排应具有一定自适应能力，可通过调节连接系缆绳长度在一定范围内调整浮排状态，使排体形态、导漂角度等适应导漂要求。为减轻阻漂和结构受力，设计方案还对浮排拦污栅形式、吃水深度都预留了灵活处理措施。浮排具有水面安全的交通功能，操作便利，可为检测、巡视、应急处理、管理提供条件。根据已有浮排试用检验，设施可为电站进水口提供水面安防保障。

4.2 运行方式

水力一体治漂浮排运行效果与工程运行方式和浮排区域水面流态情况相关。结合碾盘山枢纽水文运行条件与其他类似工程调研资料，拦导漂排区域流态大致可分为以下几种典型工况：枯水期流量<1 500 m3/s电站单独运行;流量1 500～2 785 m3/s电站满负运行(满负荷发电)；汛期流量>2 785 m3/s电站与泄水闸联合运行;汛期泄洪水头不满足发电要求电站不运行。几种典型工况电站前流态见图2，拦导漂浮排运行工况应与工程来流量和漂浮物量相适应。

图2 碾盘山电站典型运行工况流态示意图Fig.2 Flow patterns in typical operation conditions ofNianpanshan Hydropower Station

枯水期电站单独运行时漂浮物来量较少，拦漂排只发挥拦截漂浮物的作用，可在浮排水上走道上利用人工清理或在排前船只保洁清漂；流量较大电站满负荷单独运行时，可适时利用人工或船只清漂，也可根据情况短暂开启靠电站部分泄水闸间歇排漂；大流量电站满负荷运行与泄水闸联合泄流是在主要排漂期，运用泄水闸排漂应尽可能开启临近电站的泄水闸孔发挥浮排拦导漂作用；洪水期间电站不发电时，漂浮物在浮排拦截作用下受隔墙头逆向绕流影响导向泄水闸。

碾盘山电站在正常运行条件下引水渠内流态较平稳，根据设计提供的数据流速一般≤1.2 m/s，水位变幅小，有利于拦漂排安全顺利拦截引导漂浮物。在枢纽开敞泄洪或生态调度敞泄期间电站不发电情况下，根据设计资料左侧隔墙头出现3.2 m/s逆向绕流，运行中可能会出现局部跌水等较紊乱流态，这种情况浮排不发挥作用。为避免不利流态可能对浮排对稳定带来影响，拦漂排设计方案中预留了相应处理措施，可提前将该水域浮排撤离到安全水域与其他浮排临时并联避险。

4.3 拦导漂浮排荷载分析

“水力一体治漂拦漂排”是在流态稳定部位利用定向导漂微流场实现水力导漂作用，导漂微流场流速v1、导漂夹角θ、宽度b、深度h等指标直接影响浮排构造、受力稳定和导漂效果。

依据碾盘山拦漂排布置结构形式及设施运行条件，结构受力分析见图3。根据受力分析，浮排单位长受水流作用力s与前后断面m-m、n-n的流速V、V′、水位差(静水头)Δ的大小以及浮排形式有关。

图3 拦导漂排结构受力分析Fig.3 Forces acting on the floating raft structure

图3中:v1和v2分别为河道流速v的顺导漂排速度分量和垂直导漂排速度分量;q为缆绳牵引力;q1和q2分别为缆绳牵引力q的垂直分量和水平分量;g为浮排重力;f为浮力;L、R分别为浮排轴线左、右连接缆绳张力。

拦导漂排运用时在空间三维方向都有一定自由度，可以绕牵引锚绳与浮排接触点O自由转动，可限制设施发生漂移和翻转，在浮排各连接部位都设置防撞措施。根据浮排与水流、漂浮物、钢缆绳之间的作用关系，拦漂排重力g为常数，水流作用力s、缆绳牵引力q、浮力f，以及轴线缆绳张力L、R都为可变量，影响因素主要是流速v、导漂夹角θ、拦漂排吃水h、水深H、流态等因素，波浪对拦导漂排受力影响小，风力可忽略。调节缆绳长度可改变导漂角θ、牵引力q，以及轴线缆绳张力L、R和拦漂排弯矩M。

确定浮排单位长度水流作用力s是结构荷载分析的基本要求，可依据作用面水力基本计算方法，按式(1)粗略估算。

s=Kgρ(∇h+Δ)=

(1)

式中：K为结构等多因素综合系数，且K<1；ρ为水体密度；∇V为浮排前后断面流速变化值；∇h为动水头；Δ为静水头。动水头∇V和静水头Δ共同作用，均对s产生影响。

碾盘山拦漂排由独立的单节拦漂排连接，为综合考虑运行安全、水上交通、应急处置的需要，基本制作单元长×宽×高尺寸约10 m×2.3 m×0.8 m，由2条平行螺旋钢管与管间钢架连接构成，拦漂排单位长度总量约为浮重的50%。

根据已有工程运用试验实测资料分析，拦漂排前后流速V、V′变化小，浮排前后断面流速变化值∇V、动水头值∇h以及静水头值Δ都很小。经多种方式估算，设计采用的结构最大流速约3 m/s时，拦漂排单位长度水流作用力s不超过1.5 kN/m，30 m单节拦漂排水力不超45 kN。三峡水库试验浮排在流速约0.8 m/s时实测受力约0.2 kN/m，运用中拦截了2艘各约400 t的失控船只，设施安全性能经过检验，可为工程提供水面安防保障。

根据材料力学性能，每节排两端系缆桩抗剪力约400 kN，系缆绳破断力>400 kN，水下锚墩锚环剪切力约500 kN，拦漂排左、右两岸端静载分别≤250、500 kN，结构各项力学指标远大于估算荷载。运行中可根据浮排形态和缆绳张拉情况调整缆绳可松紧状态，确保整体受力均匀合理，可以通过调节缆绳甚至消除浮排轴线方向的节间作用力。

4.4 结构安全稳定实用分析

工程拦漂排没有现成规范，简单计算分析成果只能提供初步参考依据，新设施有待在应用中积累经验。水力一体拦导漂浮排设计及研制参考了多种相似拦漂设施结构及定位方式，综合考虑碾盘山电站工程布置、水流状态、枢纽调度、漂浮物爆发与组成等特点，从功能、安全、耐久、维护、实用、经济等方面进行综合分析比较，形成了最终实施方案。

水力一体拦导漂排与同跨度梯形钢屋架比较，单位长度用材量和截面积都显著增大，而单位长度荷载小；与现有工程采用的柔性拦漂排比较，水力一体拦漂排的内力减小，结构安全性高。经分析拦导漂排单位长度自重大于水平水流作用力，浮排水平侧向刚度大于竖向刚度，单节浮排在2点水平起吊装运过程中未观测到排体轴线明显弯曲变形，设施运用期间主要侧向2点集中承受水流冲击力，经实际运用检验浮排抗弯曲性能满足运用要求。

电站引水渠内流态相对平顺，流速、水位变化等主要指标较低，拦漂排整体连接后没有翻转条件，正常运行情况下结构出现翻转的概率极低。拦漂排在三峡水库试验检验期间，在宽阔水面反复经受风浪及消防反恐演练艇队波浪冲击，与配合试验的约100 t工作船比较，拦漂排稳定性更好，设施在风暴中还拦截了2艘各约400 t失控船只，在实用中设施安全性能经过了综合检验。

碾盘山电站拦导漂排结构是在三峡、三门峡电站试验设施基础上进一步优化和强化，运行时可避免相互碰撞，超标准流速等紧急情况设施可及时转移，极端情况下单节拦漂排1/3长度瞬间同时损毁而不会下沉，主要安全指标经试验检验可测可控，排体结构安全可靠，安全系数高。拦漂排顶人行通道为水上提供便捷操作平台，功能完善，主动可控，方便运行管理，设施连接方式有利于水上调节操作，为维护和更换提供便利条件。

设施材料、 制造工艺、 加工制作、 焊接工艺、 组装、 热喷锌涂装防腐、 检查验收等需满足现有相关技术规范要求， 浮排制造完成后进行焊缝气密性、 吃水深度和平衡试验。 设施投入运行后， 需要对典型运行工况重点区域内流态、 流场、 前后水头差、 系缆力、 拦漂排形态、 拦导排漂效率等指标进行原型观测和分析。

为实现顺利导漂、避免阻漂，水力一体治漂浮排在三峡水电站和三门峡水电站试验运用中分别试验导漂板、导漂幕帘、射流导漂等不同导漂方式，都可增强导漂效果。碾盘山工程总体方案中拦漂排还是利用传统拦污栅拦截漂浮物，将来运行时会出现阻漂问题。为此，在设计方案中预留了改进措施，根据试验观测情况可优化改善导漂方式，以较小的投入获得更好效果。

5 结 语

改善电站漂浮物治理对工程运行安全和发挥效益有直接作用，当前工程措施存在安全、失控、低效等诸多问题，不利于工程发挥长期稳定效果。经工程调研、水力学模型试验研究和工程实际应用检验，采取适当的工程方式和措施合理利用河流水力条件，有利于主动可控，高效安全治理漂浮物。

根据碾盘山电站引水渠布置及流态、流速、水位变化、漂浮物等特性，采用水力一体拦导排漂的新治理方式有利于工程运行的需要。工程设计方案在已开发的水力一体治漂浮排技术装备和应用成果的基础上，结合工程具体布置和水力条件进行了结构受力和安全稳定性分析，适当优化完善设备构造和功能，预留改进措施，明确设备加工制造质量检验要求。

碾盘山水电站拦导漂浮排设施可实现过程中拦截和引导漂浮物，为清漂、泄水排漂提供有利条件，减少中间操作环节，避免大量漂浮物在电站区域聚集，设施适应工程运行条件变化要求，保障工程安全运行。为验证设施应用效果，设计方案要求对主要指标应开展必要的原型专业试验观测，根据观测成果提出相应完善措施。水力一体拦导漂浮排设施经实际运用推广，可为水利工程提供科学治理漂浮物的方式。