劉冠英 程利平 趙艷茹

污物問(wèn)題在國(guó)內(nèi)外水電站普遍存在，國(guó)內(nèi)受污物影響發(fā)電的大中型水電站約有30座。為保證水電站的正常運(yùn)行，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)水電站前污物的形成、污物的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行深入而細(xì)致的研究，在清污實(shí)踐中也研制了很多種清污設(shè)備，應(yīng)用了多種清污技術(shù)。但現(xiàn)有的清污技術(shù)和清污設(shè)備都是依托各自水電站結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和河流污物特性，不具有廣泛的適用性。本文對(duì)三門峽水電站研發(fā)的綜合清污技術(shù)及配套裝備進(jìn)行了研究分析，以期為多污物水電站合理選擇清污方式提供參考。

1 三門峽庫(kù)區(qū)污物研究分析

1.1 庫(kù)區(qū)污物的成分分析

三門峽壩前污物以蘆葦根為主，夾雜一定數(shù)量的樹枝、樹根以及生活污物，具體包括：蘆葦根、雜草、農(nóng)作物秸桿、樹枝、樹葉、泡沫、動(dòng)物尸體，還有粗大的樹桿和樹根，其大致比例見(jiàn)表1。

表1 三門峽庫(kù)區(qū)污物成分%

1.2 庫(kù)區(qū)來(lái)污特點(diǎn)及規(guī)律

1.2.1 污物的時(shí)空分布?

在同一年內(nèi)，不同時(shí)段來(lái)污量相差較大。第一次洪水來(lái)臨，污物主要以枯蘆根為主，夾雜著樹枝、樹干等各種雜物，還有以蘆根和草相互纏繞，夾雜著泥沙呈漂浮狀態(tài)的草團(tuán)，直徑1～2 m，污物成分復(fù)雜且污量大；洪峰過(guò)后，污物主要是當(dāng)年新蘆根，成分單一。汛期不同時(shí)期的污物種類見(jiàn)表2。

表2 汛期不同時(shí)期來(lái)污規(guī)律

1.2.2 污物深度分布

隨著季節(jié)和水位的變化，污物的種類、數(shù)量及其在水下的分布也隨之變化。通常污物在水中呈漂浮狀態(tài)，分布在水下0～2 m范圍，樹干、樹枝等污物分布較深，在水面至水下7～8 m范圍內(nèi)漂浮。在接近攔污柵前時(shí)，由于機(jī)組進(jìn)水口位置較低，改變了水流方向，使污物向下移動(dòng)，在柵前深度達(dá)0～18 m，呈三角形分布。蘆葦根、雜草、樹枝、農(nóng)作物秸桿等纏卷在一起，沒(méi)有明顯的層次分布，只有少量的粗大樹桿和樹根分布在下面。

2 清污裝備研發(fā)

2.1 攔污柵結(jié)構(gòu)優(yōu)化

三門峽早期的攔污柵柵條間距220 mm，柵條布置不合理，沒(méi)有考慮到與抓斗配合使用，在汛期大量的污物涌向機(jī)組進(jìn)水口，極易使攔污柵形成密不透水的軟性柵欄，使攔污柵前后形成水位差（最大水位差超過(guò)4 m），直接影響到機(jī)組的安全運(yùn)行。

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)攔污柵的研究，依據(jù)攔污柵結(jié)構(gòu)受力狀況，對(duì)攔污柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。在保證機(jī)組安全運(yùn)行的前提下，采取適當(dāng)加大柵距，將攔污柵柵條之間距離由原220 mm 增大到300 mm，增加污物通過(guò)量，減小污物的積聚程度，減輕攔污柵負(fù)擔(dān)。

為配合液壓清污抓斗工作，去掉柵片上的所有柵齒，使攔污柵迎水面呈一平面，即制成光柵，以便于清污機(jī)械作業(yè)。針對(duì)清污抓斗抓齒深入攔污柵柵條尺寸有限，雜草容易掛到柵上形成草墻，產(chǎn)生壓差的現(xiàn)象，將柵條高度由120 mm加高到200 mm，便于抓斗清理攔污柵上的污物。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，優(yōu)化后的攔污柵可以大大減少緊貼在攔污柵上的污草，從而減少提柵次數(shù)和提高清污效果，同時(shí)還利于水草的疏通，增加過(guò)流量，減少污物的積聚程度。

2.2 深水液壓抓斗研制

為清理電站水輪機(jī)進(jìn)水口攔污柵前臨近和貼附在柵條上的污物，減少水頭損失，提高發(fā)電效率，保證發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行，研制了液壓清污抓斗，如圖1所示。主要由導(dǎo)輪裝置1、油缸2、液壓油箱3、抓斗架4、滑桿5、轉(zhuǎn)動(dòng)耙爪6 等部件所組成。抓斗寬度與攔污柵寬度相近，能利用主柵槽為導(dǎo)向，抓取和清除攔污柵前污物。運(yùn)行時(shí)，由起吊設(shè)備提供電源，液壓油箱內(nèi)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪油泵，并通過(guò)控制閥將液壓油輸入油缸，由油缸通過(guò)滑動(dòng)桿、推拉桿帶動(dòng)左右斗爪，同時(shí)進(jìn)行開(kāi)或閉的動(dòng)作，完成清污作業(yè)。

圖1 抓斗結(jié)構(gòu)圖

試驗(yàn)表明抓斗可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的聯(lián)動(dòng)，能輕易地抓取柵前漂浮污物，在抓斗張開(kāi)下降時(shí)，斗齒可接近或插入攔污柵面，扒下貼附在攔污柵面上的污物，并將其抓取出，能夠深入水底抓取污物；在清污過(guò)程中，可視污物的多少，在同一孔口多次作業(yè)或在多個(gè)孔口交替作業(yè)。

正如文獻(xiàn)[7]所指出的那樣,Bell基投影測(cè)量和POVM測(cè)量已經(jīng)能夠?qū)嶒?yàn)實(shí)現(xiàn)了,因此本方案是可以物理實(shí)現(xiàn)的。

2.3 清污棧橋應(yīng)用

針對(duì)將污物吊運(yùn)至壩頂然后運(yùn)走處理的方式，為提高清污效率，經(jīng)過(guò)論證可在壩前斜靠壩面修建清污棧橋，以縮短污物清運(yùn)時(shí)間。棧橋采用在壩面錨固鋼支架并架設(shè)梁板形成棧橋方案，棧橋橋面設(shè)計(jì)高程316 m，橋梁總長(zhǎng)約180 m，為方便汽車掉頭，在右岸電站壩段316 m平臺(tái)前的安裝場(chǎng)11#壩段處加寬橋面，設(shè)置回車場(chǎng)，在此處將汽車掉頭后倒入316 m平臺(tái)，裝上清理出的污物后即可直接運(yùn)走。

壩前清污棧橋在2011年7月投入應(yīng)用，用起吊設(shè)備連接清污抓斗抓起污物，在壩前316 m 平臺(tái)直接裝入汽車運(yùn)走，省掉了將污物吊運(yùn)至壩頂?shù)沫h(huán)節(jié)，清理一車污物的時(shí)間由原來(lái)的40 min縮短為20 min，大大提高了清污效率。

2.4 清污船清污技術(shù)

為解決三門峽庫(kù)區(qū)污物在遠(yuǎn)離攔污柵、高水位、多污物狀態(tài)下的快速清污技術(shù)難題，對(duì)已有的清淤船進(jìn)行改造，研發(fā)了一種可拆卸和調(diào)節(jié)的推污裝置，并進(jìn)行了多次改造。

推污裝置一次作業(yè)有效寬度達(dá)10 m以上，可較快、較好地將分散的漂浮物集中到便于操作和抓撈的區(qū)域，基本解決了污草繞船和水流迂回的現(xiàn)象，并且漂浮物厚度越大，相互纏繞越緊密，其推移效果就越明顯。

3 清污技術(shù)及方法

三門峽水庫(kù)運(yùn)用水位年際變化大，汛期來(lái)污量大、成分復(fù)雜且污物分布隨來(lái)水量和時(shí)間的變化較大，僅僅采用一種清污方式，很難徹底清理壩前污物，必須實(shí)施綜合治理措施。經(jīng)過(guò)30年的探索試驗(yàn)和反復(fù)論證，分析各種清污方式和設(shè)備改造的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)清污技術(shù)裝備和水工結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化集成，研發(fā)適合多污物水電站綜合清污的成套技術(shù)及裝備，最終形成了“攔、排、抓、推、撈”五位一體的綜合清污技術(shù)。

3.1 “攔、排”結(jié)合清污技術(shù)及方法

三門峽水庫(kù)來(lái)污量大，成分復(fù)雜。為改善過(guò)柵水流狀況，增加過(guò)水量，根據(jù)《小型水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)》要求，將攔污柵柵條間距由220 mm 增加至300 mm，攔截體積較大的污物，排放體積較小的污物。經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐與運(yùn)用，將以“攔”為主的攔污柵優(yōu)化為“攔、排”結(jié)合的攔污柵。優(yōu)化后攔污柵可以大大減少緊貼在攔污柵上的污物，減少污物的聚集程度，改善機(jī)組的運(yùn)行條件。

3.2 “攔、抓”結(jié)合清污技術(shù)及方法

“攔、抓”結(jié)合清污方式主要用于清理電站水輪機(jī)進(jìn)水口攔污柵前臨近和貼附在柵條上的污物，減少水頭損失，提高發(fā)電效率，保證發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行。

攔污柵將污物攔截后，將清污抓斗下降至壩面并繼續(xù)下落，以攔污柵前清污抓斗導(dǎo)向槽為導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。下游側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)耙爪斗齒的齒尖插入攔污柵條間隔以鏟掉附著在攔污柵柵前的污物，轉(zhuǎn)動(dòng)耙爪成張開(kāi)狀態(tài)，可以收集并壓實(shí)鏟下的污物。當(dāng)抓斗至清污工位時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)耙爪閉合，將污物收集在耙斗內(nèi)，然后將裝滿污物的耙斗向上提出壩面，到指定地點(diǎn)進(jìn)行卸污，并通過(guò)清污棧橋?qū)⑽畚镞\(yùn)走。

3.3 “推、抓”結(jié)合清污技術(shù)及方法

清污船靈活機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，能夠較快較好地收集和轉(zhuǎn)移壩前漂浮污物，并能較好地配合清污抓斗在壩前實(shí)施撈污作業(yè)。通過(guò)清污船將遠(yuǎn)離攔污柵前的污物推入攔污柵槽后，利用清污抓斗抓污，提高了清污效率和安全性。通過(guò)污物的提前收集和集中排放，避免了被動(dòng)清污，實(shí)現(xiàn)了污物的及時(shí)清理和清污環(huán)節(jié)的前移。

3.4 “推、撈”結(jié)合清污技術(shù)及方法

“推、撈”結(jié)合清污技術(shù)及裝備主要運(yùn)用于清污后期，庫(kù)區(qū)進(jìn)行蓄水，水位不斷抬高，進(jìn)入庫(kù)區(qū)的污物也相應(yīng)增多，但是由于水位抬高等因素導(dǎo)致進(jìn)入攔污柵槽的污物較少，利用清污抓斗清污效果明顯下降。首先利用清污船將污物推至引壩段，然后由挖掘機(jī)進(jìn)行打撈。實(shí)踐證明，清污效率高，每小時(shí)清污可達(dá)到80 m3以上。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）新的清污技術(shù)在生產(chǎn)實(shí)際中實(shí)用性強(qiáng)，具有較強(qiáng)的可操作性，可有效減少污物在庫(kù)區(qū)的滯留時(shí)間和攔污柵上懸掛的污物，攔污柵前后壓差基本控制在50 cm 以內(nèi)并且波動(dòng)很小，有效提高發(fā)電效益。

（2）及時(shí)將污物清除，減少了污物分解產(chǎn)生的有害物質(zhì)和污物所滋生的有害微生物，使水電站的納污能力提高，為安全灌溉和飲水安全提供了保障，同時(shí)也改善了水電站及周邊的生態(tài)環(huán)境。