引水枢纽旋转式浮筒拦排的研究及工程设计

孟昭辰，段晓芳，林广志，王相峰

（新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052）

在农业灌溉、引水式电站、城镇供水等引水渠首枢纽工程中，漂浮物和淤积问题较为常见，特别是洪水过程后，渠首前的漂浮物淤积更加严重和突出。在引水灌溉渠首工程中，河道漂浮物淤积将严重影响灌区引水效率，造成闸门变形，危及闸门正常启闭；在引水式电站工程中，取水口聚集的漂浮物可能会堵塞水轮发电机组的进水口拦污栅，影响水电出力，对水电站的安全运行和防洪泄洪产生一定影响[1]。另外，漂浮物对河道水质及水生物的生命安全也将造成严重危害。综上，有效治漂既是水利工程安全运行的需要，也是实现国家关于流域水环境综合治理的迫切需求。

目前，常见的治漂措施是在闸前修建拦污栅[2]、拦污排[3]、导漂屏[4]和使用清漂船[5]、人工打捞[6]、水上垃圾自动收集设备[7]等。其中，升降式拦污栅在清污机高频运转情况下，钢绳长期处于浸泡和干燥的循环状态极易磨损断裂[8]，导致排漂装置失控；拦污排主要拦截水面漂浮物，若漂浮物不能及时清理，将导致拦污栅栅条变形和设备过载故障等[9]；清漂船需要人工操作，汛期清理漂浮物时，操作人员人身安全将受到威胁；水上垃圾自动收集设备只能清理体积和重量有限的漂浮物，多用于河道漂浮物治理中，对于因洪水引发的大体量漂浮物其清理能力有限。另外，一些工程为了减少排漂弃水量采用舌瓣组合闸门排漂[10]，此种方式因漂浮物的汇聚时间较为集中，导致漂浮物治理更加困难。

蔡莹等[11]在三峡库区清漂治理的实践中，因势利导总结出水力一体化治漂浮槽，以达到拦、导、清一体化清漂效果。其中，浮槽起到了很好的拦漂效果，但导漂仅靠浮槽前横向水流推动，效果一般。基于此，本文对浮槽进行了改造，设计安装了旋转式浮筒，以提高其导漂效果，并将该漂浮物治理思路应用于引水枢纽的治漂工作中。

1 旋转式浮筒拦排组成及原理

1.1 旋转式浮筒拦排组成

旋转式浮筒拦排是针对引水枢纽提出的具有拦漂、导漂和排漂功能的拦污排漂装置，包括浮箱平台（含护栏）、“ㄈ”字形构件、圆柱体浮筒旋转构件、浮箱平台首尾的连接件、渠首岸墙上设置的导槽，如图1所示。

图1 旋转式浮筒拦排装置

旋转式浮筒拦排的浮箱平台由多个矩形浮箱通过铰座拼接而成，相邻浮箱铰座之间通过铰钉固定，如图2所示。浮箱平台两端安装与两岸导槽配合使用的连接件，组成一个可上下滑动的支座，连接件在导槽内只能沿竖直方向移动（水平方向不可移动），从而保证浮箱平台随水位变化而变化。连接件强度高、机动灵活，可确保浮箱平台稳定地浮于水面，并满足一定角度的转动。浮箱平台兼具工作桥的功能，方便日常检修。单个浮箱四周各有1 个铰座，4个绞座上下位置不同，从而满足拼接的要求。岸墙上的导槽在岸墙施工时预埋在岸墙内。

图2 浮箱平台

旋转式浮筒拦排中的“ㄈ”字形构件形如横放的槽钢，“ㄈ”字形构件中上下面之间等间距布置轴承，用来安装圆柱形浮筒，如图3所示。“ㄈ”字形构件材料为刚度较大的钢板，根据工程实际情况焊接出需要的长度。整个拦漂装置的刚度大，在水中不会发生过大变形。圆柱状浮筒构件之间预留有充足的旋转空间，既能保证漂浮物不会卡在浮筒构件之间，又能保证浮筒构件实现旋转。

图3 “ㄈ”字形构件

圆柱形浮筒等距安装在“ㄈ”字形构件内，该构件借鉴了藏传佛教中的“转经筒”结构，其中心处安放转轴，转轴一端为固定端，另一端为浮动端。固定端设置在“ㄈ”字形构件水面上部一侧，浮动端淹没在水面下部一侧，在浮动端安放轴端挡块，防止圆柱形浮筒上下移动，保证圆柱形浮筒构件在外荷载作用下可垂直立于水面绕轴旋转。“ㄈ”字形构件和浮箱平台之间通过螺栓连接。旋转式浮筒结构，如图4所示。

图4 旋转式浮筒结构

1.2 旋转式浮筒拦排原理

圆柱形浮筒通过转轴固定在“ㄈ”字形构件内，“ㄈ”字形构件通过螺栓与浮箱平台连接。拼装完成的旋转式浮筒拦排斜拦于闸前，起到拦漂作用。在水流和漂浮物的撞击摩擦作用下，圆柱形浮筒旋转，从而将浮筒前面的漂浮物导向下游。

1.3 旋转式浮筒拦排的优点

旋转式浮筒拦排，不仅对水闸过流影响较小，而且具有工程量小、工程投资少、可有效提高拦污排漂效率等优点，既可应用于新建工程，也可应用于已建工程。通过设置舌瓣式闸门或分层式闸门排漂，可以减小排漂用水量。

2 试验装置与方法

2.1 试验装置

整个试验系统由首部水池、水槽、尾部水池、进水闸、泄洪冲沙闸、循环水泵和旋转式浮筒拦排组成。试验结构，如图5 所示。本次试验制作出旋转式浮筒拦排的圆柱形浮筒和“ㄈ”字形构件，以验证其导漂效果。转筒直径取4 cm、净高为6 cm，相邻转筒转轴间距为5 cm，“ㄈ”字形构件与水流方向夹角取30°。旋转式浮筒试验装置，如图6所示。

图5 试验结构

图6 旋转式浮筒试验装置

2.2 试验过程

试验中，使用枯树枝、泡沫、纸屑等作为典型漂浮物。首先，通过泄流观察不同流量对应的水深；然后，将浮筒安装至相应高度，确保浮筒的1/3～1/2 部位位于水下；最后，将选定的漂浮物多次随机投放至水槽中，观察其聚集和运动情况。

2.3 试验结果

浮筒安装完成后，漂浮物在水流作用下顺着浮筒被输运至下游。通过仔细观察发现，枯树枝撞击到浮筒后，撞击力的方向并非正好能通过浮筒转轴中心，而是存在一定的偏离。浮筒在偏心力和水流作用下转动，提高了导排漂效果，且流速越大导排漂效果越好。

浮筒安装角度不同，导排漂效果也不同，浮筒与水流方向垂直时转动较快，但在浮筒与河岸交界处漂浮物容易聚集。

漂浮物形状也对导漂效果存在影响，漂浮物为树枝、干草时导漂效果更好；而当漂浮物为纸屑、泡沫时，导漂效果一般，主要原因为过轻的漂浮物对转筒的撞击力小，无法使转筒转动，引导漂浮物定向运动效果较差。

3 工程应用设计

3.1 设计原则

结合旋转式浮筒拦排治漂原理和特点，提出如下设计原则：①旋转式浮筒拦排主要应用于引水枢纽的拦污排漂，若将其应用于蓄水枢纽和泵站枢纽时应进行论证；②旋转式浮筒拦排可应用于新建的引水枢纽，也可以应用于已建枢纽的改造；③引水渠和排漂口应尽量远离，最好分属河道两岸，将两者布置到同侧河岸时，应对其进行论证。

3.2 设计方案

在引水枢纽工程中，对于排漂设计，应坚持拦、导、清一体化清漂的思路。利用旋转式浮筒拦排将上游河道中的漂浮物、污物阻挡在进水口外侧，远离进水闸孔口，同时圆柱形旋转浮筒将漂浮物导向排漂出口；在进行排漂作业时，通过开启枢纽边孔排漂闸或者岸边排漂渠道闸门排漂；在排漂闸后使用集中处理的方式将漂浮物清运出去。

通过以下2 个漂浮物处理设计方案，可实现天然河道引水枢纽闸前的拦污排漂：方案1，针对已建工程或者下游河道地形符合清运条件的工程，可在引水闸前沿河道倾斜布置1 道旋转式浮筒拦排，浮筒拦排的上游端在引水闸一侧，下游端连接到排漂闸的闸墩上，其工程布置如图7所示；方案2，对于新建工程，可专门设置排漂渠，并尽量将排漂渠和引水渠布置在不同侧河岸，浮筒拦排的上游端和方案1的布置相同，下游端布置在排漂渠进口处，其工程布置如图8所示。

图7 方案1工程布置

图8 方案2工程布置

4 结论

旋转式浮筒拦排能够有效拦截并疏导河道漂浮物至排漂口，但对不同种类的漂浮物其导漂效果不同，对能够产生水平方向推力的漂浮物导漂效果更好。

旋转式浮筒拦排按照不同角度布置，其导漂效果不同。不同的工程设计会导致河道流场不同，因此应根据流场情况合理选择旋转式浮筒拦排布置角度，以增强水流对圆柱形浮筒旋转的驱动力。

旋转式浮筒拦排在已建和改扩建的引水枢纽中均能对漂浮物起到拦、导、排的效果。