張萬秋（中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川　成都　610072）

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溪洛渡水電站攔污柵設(shè)計(jì)

張萬秋（中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都610072）

進(jìn)水口攔污柵在擔(dān)負(fù)攔截進(jìn)水口污物作用的同時(shí)，也相應(yīng)的產(chǎn)生了水頭損失。通過介紹溪洛渡攔污柵的設(shè)計(jì)思路，分析了支承框架和柵條型式的設(shè)計(jì)對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)周期的影響；闡述了優(yōu)化設(shè)計(jì)柵葉結(jié)構(gòu)和柵條型式對(duì)減小水頭損失、增加發(fā)電效益的意義。

攔污柵；支承框架；柵條斷面；水頭損失

1　概述

溪洛渡水電站位于四川省雷波縣和云南省永善縣接壤的溪洛渡峽谷，是金沙江下游河段開發(fā)規(guī)劃的第三個(gè)梯級(jí)，是一座以發(fā)電為主，兼有攔沙、防洪和改善下游航道條件等綜合利用效益的巨型水利水電樞紐。正常蓄水位600m，相應(yīng)庫容115.7億m3，調(diào)節(jié)庫容64.6億m3，發(fā)電及防洪共用庫容46.5 億m3，多年平均年發(fā)電量571.2億kWh。電站由攔河大壩、泄洪建筑物、引水發(fā)電建筑物及導(dǎo)流建筑物等組成。攔河大壩為混凝土雙曲拱壩，壩身布置表孔、深孔和兩岸泄洪洞共同泄洪。施工期左、右岸各布置3條導(dǎo)流隧洞，其中左、右岸各有兩條與廠房尾水洞結(jié)合。發(fā)電廠房為地下式，分設(shè)在左、右兩岸山體內(nèi)，各裝機(jī)9臺(tái)、單機(jī)容量為770MW的水輪發(fā)電機(jī)組。電站主要供電華東、華中地區(qū)，兼顧川、滇兩省用電需要，是金沙江“西電東送”距離最近的骨干電源之一。

2　攔污柵布置

根據(jù)樞紐布置，進(jìn)水口底坎高程為518.00m，閘頂高程610.00m。左岸為豎井式進(jìn)水口，右岸為岸塔式進(jìn)水口，各安裝9臺(tái)機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組進(jìn)水口前緣由柵墩分成 5個(gè)柵孔，左、右岸柵孔總數(shù)量各45孔，均采用垂直式放置攔污柵。配置工作攔污柵45扇，備用攔污柵1扇，備用攔污柵平時(shí)存放于儲(chǔ)柵槽內(nèi)。攔污柵后設(shè)置有疊梁門，疊梁門與備用攔污柵共槽，通過設(shè)定門頂高程，運(yùn)行疊梁門達(dá)到分層取水的目的。疊梁門單層取水時(shí)，將鎖定在門槽頂部的疊梁門提放到空閑備用柵槽內(nèi)，然后放下備用攔污柵，可啟吊攔污柵進(jìn)行清污或檢修。

3　柵葉設(shè)計(jì)

攔污柵的柵葉結(jié)構(gòu)由柵面和支承框架組成。水流在通過攔污柵時(shí)受阻，必然產(chǎn)生水頭損失，使得發(fā)電水頭減小并影響發(fā)電量。因此確定柵條形式和支撐框架結(jié)構(gòu)對(duì)于減小水頭損失有著重要意義。

3.1支承框架設(shè)計(jì)

攔污柵支承框架由主梁、邊梁和連接桿系構(gòu)成，主梁與邊梁同層布置。通常柵葉結(jié)構(gòu)按雙主梁布置，采用焊接組合工字鋼作為主梁和邊梁。溪洛渡左、右岸攔污柵共92扇，生產(chǎn)加工量巨大，若采用焊接組合工字鋼，必然給制作增加很大的鋼材切割量和焊接量，該方式所需的制造工期較長，且由于焊接工藝難以避免局部應(yīng)力集中，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)剛度、精度以及尺寸穩(wěn)定性均會(huì)受到影響。

由于攔污柵單孔高度達(dá)73m，攔污柵分節(jié)數(shù)量較多，為給電站運(yùn)行期間清污和檢修提供便捷，將所有的柵葉設(shè)計(jì)為同一結(jié)構(gòu)，完全具有互換性，使每節(jié)柵葉結(jié)構(gòu)都配備吊耳和鎖定孔。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，選擇定型產(chǎn)品H型鋼作為主要受力構(gòu)件，主梁和邊梁都采用同型號(hào)H型鋼H488×300×11×18。采用成型的H型鋼，為柵葉實(shí)現(xiàn)互換性提供了很好的前提條件，避免了主梁腹板與翼緣的對(duì)接焊縫產(chǎn)生的應(yīng)力集中，降低產(chǎn)生局部塑性變形的影響，有效提高了主梁的剛度。此外，直接采購定型產(chǎn)品作為主梁和次梁，大大減少了制作過程中的加工工序和焊接工序，從而較好的控制加工精度，并能有效保證產(chǎn)品的制作工期。

結(jié)合壩面布置，左、右岸雙向門機(jī)均需配合液壓抓梁起吊攔污柵，通常需在柵葉結(jié)構(gòu)上布置定位銷，這種方式容易引起污物纏繞不易清理，增加水頭損失；同時(shí)根據(jù)柵葉支承框架強(qiáng)度的需要，從主梁腹板布置定位銷，其長度較長，結(jié)構(gòu)性差。經(jīng)反復(fù)考慮，在單節(jié)柵葉的頂主梁腹板上開定位孔，在液壓抓梁上設(shè)置定位銷，既解決了結(jié)構(gòu)上的問題也減小了柵葉結(jié)構(gòu)的擋水面積。

3.2柵條斷面形式選擇

當(dāng)水流通過柵條之間的間隙時(shí)，受柵條阻攔，水流斷面收縮產(chǎn)生水頭損失，當(dāng)水流過攔污柵后由于斷面擴(kuò)大流速減慢，又產(chǎn)生水頭損失。水頭損失計(jì)算如下式：

式中：V1為柵前流速；V2為過柵后流速；δ為柵條厚度；l為柵條凈距；α為攔污柵與水平面所成的夾角；β為柵條斷面形狀系數(shù)，依據(jù)表1選取（如圖1）。

圖1　柵條典型斷面

表1　柵條形狀系數(shù)

在不考慮攔污柵被污物堵塞的前提下，柵前、柵后流速變化不大，從式（1）可以看出，在攔污柵垂直放置的情況下，若柵條凈距和支承框架結(jié)構(gòu)已定，柵條斷面型式的選擇就是影響水頭損失的唯一因素。從表1得知，其中流線型斷面的系數(shù)較矩形斷面的系數(shù)小，宜采用流線型斷面，其中斷面d、e、f的柵條形狀系數(shù)較小，但斷面型式較為復(fù)雜，由于溪洛渡攔污柵分節(jié)數(shù)量大，孔口數(shù)量多，柵條總數(shù)達(dá)42320根，柵條制造的便捷是攔污柵制造滿足工期的一個(gè)要點(diǎn)。經(jīng)比較，在盡可能減小水頭損失的前提下，斷面b、c易于加工和切割。柵條典型斷面c系數(shù)較小，且制造方可直接外購該斷面型式的成型扁鋼，采用斷面c不僅有利的減小了水頭損失，并且通過采購扁鋼的作為柵條原材料比制造方自行加工極為有效的減少了柵條的加工量。

3.3水頭損失比較

采用H型鋼為柵葉結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件，避免了腹板和翼緣的對(duì)接焊縫，降低應(yīng)力集中對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，保證了結(jié)構(gòu)的剛度。在剛度較強(qiáng)的前提下，為減少擋水面積，減小水頭損失，考慮取消雙主梁間的隔板、節(jié)點(diǎn)板和連接梁。

圖2　單節(jié)柵葉結(jié)構(gòu)視圖（單位：mm）

攔污柵相關(guān)參數(shù)如下：

（1）單臺(tái)機(jī)設(shè)計(jì)總流量430m3/s，1臺(tái)機(jī)組前共設(shè)置5孔攔污柵；

（2）攔污柵孔口尺寸：寬3.8m×高73m；

（3）攔污柵垂直于水平面布置，柵面與水流方向垂直，每孔攔污柵共23節(jié)，每節(jié)柵葉為雙主梁；

（4）攔污柵柵條凈距l(xiāng)=180mm；

（5）主梁為H型鋼，主梁翼緣高度為300mm；

（6）單孔攔污柵共460根柵條，柵條斷面型式為C型，厚度δ=12mm。

計(jì)算：

單孔攔污柵擋水面積Ad=23×（0.3×3.8×2+0.012×3.2×20）= 70.1m2

通過計(jì)算，采用柵條斷面c的型式，取消節(jié)點(diǎn)板和連接梁，水頭損失僅為0.4cm。

3.4設(shè)計(jì)布置及清污

該攔污柵設(shè)計(jì)水頭為4m，柵葉結(jié)構(gòu)主要材料為Q235B，單孔攔污柵共23節(jié)，節(jié)間采用節(jié)間連接板和銷軸連接。每節(jié)柵葉結(jié)構(gòu)均具有互換性，如圖2所示，布置2根H型鋼主梁和2根H型鋼邊梁，主支承為HTN增強(qiáng)復(fù)合材料滑道。柵條通過套管和螺柱固定柵條凈距，并通過U型螺柱固定于主梁上，為保證柵葉結(jié)構(gòu)的互換性，且使柵葉提出水面時(shí)污物不易掉落，在每節(jié)柵葉結(jié)構(gòu)的柵條底部設(shè)懸臂200mm的集污鉤。

攔污柵在前后水位差Δh≤1m時(shí)方可啟吊，左岸采用閘頂兩臺(tái)500kN雙向門機(jī)配合液壓自動(dòng)抓梁起吊，右岸采用閘頂兩臺(tái)2500kN/500kN雙向門機(jī)的回轉(zhuǎn)吊配合液壓自動(dòng)抓梁起吊，平時(shí)備用攔污柵分節(jié)存放在6個(gè)儲(chǔ)柵槽內(nèi)。

4　結(jié)語

（1）水頭損失值在合理范圍下，采用H型鋼作為支承框架的主要部件，以及兩端圓弧頭扁鋼為柵條型式，可以為優(yōu)化結(jié)構(gòu)剛度，縮短制造工期創(chuàng)造有利條件。該結(jié)構(gòu)型式對(duì)減小水頭損失增加電站發(fā)電效益有重要意義。

（2）由于布置了兩道攔污柵（疊梁門）槽，可不停機(jī)清污，但污物較多的情況下，若不及時(shí)處理，將減小過流面積，影響機(jī)組工作效率甚至損壞攔污柵，因此定期清污以確保機(jī)組正常運(yùn)行尤為重要。汛期漂浮物較多，主要集中于壩前，兼顧考慮清污時(shí)配以清污船進(jìn)行人工清污，保證發(fā)電效率。

［1］水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)——金屬結(jié)構(gòu)（二）.北京：中國水利水電出版社，1988.

［2］任玉珊，高金花，楊 敏.水電站進(jìn)水口攔污柵水頭損失試驗(yàn)研究［J］.大壩與安全，2003，04：51～54.

張萬秋（1984-），女，工程師，本科，主要從事水電設(shè)計(jì)等相關(guān)工作。

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