高流速拦漂系统的研究与实践——以桐子林水电站为例

陈启春，邓仕路，洪盛荣，张惠明，李邦宏，钟卫华，贾 刚，崔家仲

（1.东方水利智能科技股份有限公司，四川 德阳 618000；2.雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 610056；3.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610031）

0 前言

以往国内外水利水电工程拦漂排一般是在低流速下工作，随着水利水电工程的不断建设和发展，以及对河流污染控制和环境保护要求的提高，水利水电工程出现了高流速拦漂、清漂的要求。其中，雅砻江桐子林水电站拦漂工程最具代表性，设计最大过漂流速3.6 m/s，工程建设面临诸多挑战，主要技术难点为：①拦漂流速大，无同类拦漂工程案例参考；②运行状况难预测，设计风险大；③安全性与经济性矛盾突出。

为此，雅砻江流域水电开发有限公司联合东方水利智能科技股份有限公司以桐子林水电站拦漂工程为依托，开展了高流速拦漂系统研发的技术攻关。经过模型试验和设计探索，研究出一种可在高速水流下运行的新型拦漂系统。

1 高流速拦漂排实验研究

1.1 拦漂排张力模型

拦漂排的张力是一个非常重要的技术参数，对拦漂排及其锚固墩的安全和造价影响极大，以往没有一个统一的算法，采用悬链线公式计算拦漂排张力较多，有必要对采用悬链线公式计算拦漂排张力算法进行试验验证[1-5]，为此，构思了如图1所示的拦漂排张力测试原理模型，其试验测试模型如图2 所示。

图1 拦漂排张力测试原理模型

图2 拦漂排张力测试试验模型

1.1.1 模型参数

试验水渠1 宽12.3 m，水深2.6 m，水流速度约1 m/s；试验水渠2 宽4.5 m，水深2.5 m，水流速度约2.4 m/s；拦漂排悬挂点直线距离L=11.2 m，浮箱尺寸600 mm×600 mm×600 mm，浮箱数量10 个，浮箱吃水深度约300 mm。

1.1.2 试验数据记录

（1）拦漂排各个浮箱所受冲击力如表1 所示。

表1 实测拦漂排浮箱所受冲击力 单位：kgf

（2）拦漂排钢丝绳悬链实测张力如表2 所示。

表2 拦漂排钢丝绳悬链实测张力

（3）各个浮箱位置流速大小如表3 所示。

表3 实测拦漂排各浮箱对应位置流速 单位：m/s

1.1.3 实验数据与计算数据对比分析

（1）悬链均布力q。

1）按载荷平均分布简化方式计算（计算张力会小于实际张力）。

10 个浮箱共同受到的水流冲击力：

悬链单位长度分布受力：

2）按受力最大的两个浮箱平均值计算（计算张力会大于实际张力）。

受力最大的两个浮箱冲击力平均值：

悬链单位长度的分布力：

（2）按上述q1、q2方式分别对矢高1.232 m、1.592 m、1.852 m、2.392 m 的拦漂排悬链张力进行计算，并与实测值进行比较分析，如表4 所示。

表4 不同矢高的拦漂排悬链实测张力与计算张力对比

1.2 高流速下浮箱运行状况及浮箱水流冲击力模型试验

通过试验探索浮箱在高速水流作用下的运行状况和受力特点，高速水流下浮箱冲击力试验模型如图3 所示，高速水流下浮箱运行状况模型试验如图4 所示，高速水流下单个浮箱冲击力试验浮箱位置流速如表5 所示。

表5 高速水流下单个浮箱冲击力试验浮箱位置流速

图3 高速水流下浮箱冲击力模型

图4 高速水流下浮箱运行状况模型试验

（1）浮箱冲击力理论计算

单位面积（1 m2）所受的理论冲击力：

式中：Cw为水流阻力系数，取Cw=1.8；pw为水的密度，pw=9.8 kN/m3；Vw为水流速度，Vw=2.424 m/s（根据表1 数据，取大值）；hD为单位面积1 m2正方形的高度，hD=1 m；g为重力加速度。

浮箱迎水面所受的理论冲击力：

根据单个浮箱冲击力试验所测数据（160～196 kg），试验浮箱所受冲击力均值为：

（2）误差比例及分析

误差比例：

误差分析：由于浮箱的迎水面较小，冲击水流存在从浮箱两侧及上下流走的情况，使水流所受阻力减小，即浮箱所受冲击力减小。

模型试验表明，采用悬链公式计算拦漂排的张力与试验实测误差不大，是可适用的计算方法，水流阻力系数Cw=1.8 合理；在常规流速下浮箱所受冲击力是恒定的，但在高速水流下浮箱受到的冲击力变化较大，浮箱运行状况不稳定，因此，在高流速下，拦漂系统设计必须考虑浮箱剧烈波动这一工况。

1.3 高流速浮箱研究

试验表明，浮箱在高速水流下迎水面受冲击力大，为了减小冲击力，应将浮箱迎水面设计为水流阻力较小的圆弧面；从抗倾翻角度出发，浮箱与钢丝绳的理想悬挂点位置为浮箱迎水面端高度方向的中间部位，但不便于安装和清漂，因此将其设计在浮箱迎水面的上部；为了增强浮箱抗冲击的稳定性，浮箱的重心在高度方向应尽量的低，在水平方向应尽量远离悬挂点。高流速浮箱结构及其工作姿态如图5 所示。

图5 高流速浮箱结构及其工作姿态

浮箱俯视图呈凸字形，浮箱迎水面较宽，且箱体空腔容积较大，主要用于产生浮力；浮箱背水面较短，且箱体空腔容积较小，主要用于存放配重物，使浮箱重心距悬挂点更远，从而加大浮箱的抗倾斜能力。浮箱悬挂点设置在迎水面端斜上方，这种悬挂方式保证了浮箱在任何流速下都只会围绕钢丝绳向下游方向转动，但永远不会翻转。从图5 可以看出，随着水流速度的增加，浮箱上游端面绕钢丝绳逐渐向下游方向转动，水流对浮箱的冲击力P虽在加大，但其作用力臂H却在不断减小，当达到一定流速时，水流冲击力P的作用力臂将会接近于零，此时，水流冲击力P对浮箱不再有倾转力矩，而起平衡作用的浮箱自重G的作用力臂LG仍大于产生倾翻作用的浮箱浮力F的作用力臂LF，G与F大小相同，此时浮箱总的平衡力矩仍然大于倾翻力矩，因此浮箱永不翻转。随着水流速度的降低，浮箱又会回到正常的工作状态，这就是采用该种浮箱拦漂排永不翻转的运行机理。在桐子林水电站实际运行中，该浮箱长6 m、挂栅入水深度0.8 m、自重4 409 kg、配置配重2 000 kg，其抗水流冲击稳定性能良好，在3.2 m/s 流速时，实测浮箱仅倾斜了约40°。而此前被各大水利水电工程广泛使用的拦漂排箱形浮箱，相似规格浮箱（宽1.6 m，高1.2 m，长6 m，挂栅入水深度0.8 m，自重4 800 kg，配重2 000 kg）最大只能承受约1.5 m/s 的流速，当大于这个水流速度时，浮箱就会发生翻转。

1.4 浮箱与钢丝绳连接方式

拦漂排浮箱与钢丝绳传统连接方式采用压板固定式，如图6 所示。

图6 浮箱与钢丝绳传统连接方式

在高水流速度下，浮箱与钢丝绳共同高频摆动，而拦漂排相邻浮箱的摆动姿态各异，钢丝绳被压紧部位附近将会产生疲劳破坏，导致钢丝绳的使用寿命大大缩短。为此，研发了回转铰接悬挂装置，其工作原理为，在钢丝绳上安装剖分式固定套，固定套紧扣钢丝绳，固定套与钢丝绳不产生相对运动，浮箱连接件的套筒与钢丝绳上的固定套相互转动，设计优点是钢丝绳固定不动，钢丝绳不会产生疲劳破坏，大幅延长了钢丝绳的使用寿命。浮箱与钢丝绳回转铰接连接方式如图7 所示。

图7 浮箱与钢丝绳回转铰接连接方式

2 新型拦漂排结构特点

（1）浮箱的悬挂点设置在浮箱迎水面端斜上方，这种悬挂方式保证了浮箱在任何流速下都只会围绕钢丝绳向下游方向转动，当水流速度增加到一定程度后，浮箱会达到自平衡状态，此时浮箱受到的水流冲击力对回转点（钢丝绳绳心）的倾转力臂接近于零，水流冲击力不再推动浮箱转动，浮箱实现永不翻转；随着水流速度的降低，浮箱又会回到正常的工作状态。

（2）浮箱的水平面投影呈凸字结构，浮箱迎水面较宽，箱体空腔容积较大，主要用来产生浮力，浮箱背水面较短，箱体空腔容积较小，主要用于存放配重物，这种结构拉长了浮箱沿水流方向的尺寸，浮箱的重心距悬挂点更远，使重力对浮箱的稳定力矩更大，从而加大了浮箱的抗倾斜能力。

（3）采用在浮箱里填充新型高分子低吸水轻质材料，浮箱内部空间填满后，即使浮箱破坏也不会发生沉没，留有充足的处理时间，预防了事故隐患。

（4）浮箱与钢丝绳间采用了可回转式悬挂结构。在回转连接座和钢丝绳之间设置了组合护套，组合护套由两个带把合法兰的哑铃形半瓦组成，半瓦中间无法兰，半瓦两端有把合法兰，两个半瓦卡在钢丝绳上，通过两半瓦的法兰进行把合，把紧后两法兰间及两半瓦间均留有间隙，以确保组合护套与钢丝绳卡为一体，即使在外力作用下，组合护套与钢丝绳间仍保持紧密接触，不产生轴向移动和相互转动。浮箱回转座采用开合轴承座结构，套于哑铃形组合护套的中间轴上，回转连接座与组合护套中间轴为间隙配合，浮箱通过回转连接座与组合护套中间轴配合转动实现绕钢丝绳自由摆动，避免了钢丝绳因高频扭动而破坏；回转连接座被夹在哑铃形组合护套的大端之间，使回转连接座得到了轴向定位，从而使浮箱在钢丝绳长度方向得以定位[6-9]。

3 与国内外同类工程主要技术指标对比

桐子林水电站高流速拦漂系统工程总体性能指标与国内外同类工程对比，如表6 所示。

表6 桐子林水电站高流速拦漂系统总体性能指标与国内外同类工程对比

由表6 可知，该项目研发的高流速拦漂系统，可适应的水流速度大大高于国内外其他拦漂工程，浮箱悬挂点布置在浮箱迎水面端上方，凸字形、非对称结构的永不翻转浮箱，浮箱回转铰接悬挂装置，可抗弯抗扭的拦漂排自溃安全保护装置等技术的应用，均属国内外首创。拦漂系统实际运行状况如图8 所示。

图8 拦漂系统实际运行状况

4 应用效果

该项目拥有完全自主知识产权，开发了多项关键技术，获得了国家授权的发明专利2 项，实用新型专利4 项[10-15]。该项目的研发成果已在桐子林水电站进行了全河面拦漂应用，拦漂排轴线长度286 m，自2016 年投入运行以来，最高运行流速达3.2 m/s，拦漂排前漂浮污物最大囤积量约15 000 m3、厚度约2.0 m，运行稳定，效果良好，达到了预期的设计效果。