低水頭徑流式小水電站外置式攔污柵的優(yōu)勢(shì)及設(shè)計(jì)方法

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低水頭徑流式小水電站（以下簡(jiǎn)稱電站）的站址一般處于某個(gè)流域的中下游河段，站址以上集雨面積大，流經(jīng)人類聚居點(diǎn)多，這些河段的河水往往具有流量大、垃圾多的特點(diǎn)。每當(dāng)雨季來時(shí)，河流的中上游，都有大量的垃圾被沖入河中，隨河水流走，給中下游的電站的正常運(yùn)行造成嚴(yán)重的威脅。
據(jù)了解，大部分的電站都遭遇過垃圾帶來的麻煩。垃圾的影響一般來自于兩種情況：一種是大塊的垃圾，如枯木、樹根等，這樣的垃圾撞擊攔污柵，輕則使柵條變形，重則撞破攔污柵，威脅機(jī)組的安全，這種垃圾很難清除，若不及時(shí)清除會(huì)影響電站出力；另一種是成片的漂浮垃圾，由于種種原因，河面漂浮垃圾容易集中連成片，當(dāng)大片的漂浮垃圾進(jìn)入電站流道時(shí)，在水流的推動(dòng)下緊緊附著在攔污柵上，在短短的幾秒鐘內(nèi)，攔污柵的過流能力迅速降低，需要緊急停機(jī)清污，嚴(yán)重的會(huì)損壞機(jī)組或電氣控制設(shè)備。
對(duì)于這個(gè)問題，目前最為有效的解決辦法是把攔污柵移出電站外，設(shè)于進(jìn)水渠口，這樣就能擴(kuò)大攔污柵面積，降低過柵流速，消除垃圾的不利影響。下面對(duì)外置式攔污柵的特點(diǎn)、設(shè)計(jì)方法及優(yōu)點(diǎn)等進(jìn)行詳細(xì)的論述。
一、電站攔污柵的布置特點(diǎn)
電站攔污柵布置一般有2種方式：一種是內(nèi)置式，攔污柵就布置在電站廠房前部，柵墩屬于廠房的一部分，攔污柵一般設(shè)一個(gè)傾角，后面是機(jī)組檢修閘門；另一種是外置式，攔污柵布置在電站進(jìn)水渠口，離開廠房有一定的距離，柵墩是獨(dú)立于廠房的砼結(jié)構(gòu)，與廠房砼結(jié)構(gòu)沒有聯(lián)系，柵葉立面布置一般設(shè)75°傾角，攔污柵底坎與攔砂坎結(jié)合設(shè)計(jì)，以降低土建投資。
內(nèi)置式的布置特點(diǎn)是：每臺(tái)機(jī)組具有獨(dú)立的攔污柵，柵面積小，深度大，過柵流速較大，一般達(dá)到1.5m/s以上，且流速分布不均勻，靠近流道口處的過柵流速更大，清污困難。
外置式的布置特點(diǎn)是：所有的機(jī)組共用一道攔污柵，攔污柵總面積大，深度小，過柵流速較小，一般在0.8m/s以下，尤其是電站不滿發(fā)時(shí)，過柵流速更小，且流速分布較為均勻，清污方便容易。
二、外置式攔污柵的設(shè)計(jì)方法
外置式攔污柵的設(shè)計(jì)由兩部分組成—柵座及柵葉設(shè)計(jì)，由于攔污柵所受的荷載不大，故柵葉的強(qiáng)度設(shè)計(jì)易滿足要求，但要做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行安全、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的設(shè)計(jì)目的也不易。帶來困難的不是計(jì)算方法，而是一些計(jì)算參數(shù)的確定，這些參數(shù)直接影響攔污柵的經(jīng)濟(jì)及安全性，這些參數(shù)是過柵流速、設(shè)計(jì)水頭及柵座抗傾安全系數(shù)K。下面就這幾個(gè)重要參數(shù)的計(jì)算和取值進(jìn)行計(jì)算分析。
1、過柵流速的計(jì)算及確定。
過柵流速是指水流在攔污柵內(nèi)的流速，用公式表達(dá)為：V=Q/A，Q—通過攔污柵的流量，A—水面以下的攔污柵面積，需要扣除攔污柵的主次梁框架面積（可按孔口的15%計(jì)算），但柵片的面積不扣除。過柵流速太大，則水頭損失較大，漂浮物的沖擊力也比較大；過柵流速太小，水頭損失很小，但柵面積就較大，造價(jià)較高。
筆者通過對(duì)設(shè)計(jì)過程中理論上的不同流速的經(jīng)濟(jì)比較，及建成后實(shí)際運(yùn)行效果比較，認(rèn)為過柵流速V=0.6~0.8m/s較為合適。通過調(diào)整攔污柵的底坎高程，改變攔污柵高度，或調(diào)整攔污柵平面軸線與電站進(jìn)水方向的夾角，改變攔污柵總長，都可以調(diào)整過柵流速的大小。
2、攔污柵設(shè)計(jì)水頭的選擇。
攔污柵設(shè)計(jì)水頭是指電站滿發(fā)，攔污柵正常工作時(shí)，攔污柵前后可能出現(xiàn)的最大的水位差。這個(gè)參數(shù)目前沒有可靠的計(jì)算方法，它是隨時(shí)都會(huì)變化的，與水位、流量及柵上的垃圾附著量等多種因素有關(guān)。一些設(shè)計(jì)手冊(cè)認(rèn)為攔污柵的設(shè)計(jì)水頭取2~4m較合適，但目前不少低水頭電站，設(shè)計(jì)水頭在5m以下，最低的只有2m多，故攔污柵設(shè)計(jì)水頭取2~4m，顯然太高了，據(jù)此設(shè)計(jì)的攔污柵造價(jià)必然很高，故應(yīng)該具體問題具體分析。
筆者認(rèn)為根據(jù)過柵水深及河流垃圾情況，來確定攔污柵的設(shè)計(jì)水頭較為合理。據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，低水頭電站過柵流速的攔污柵設(shè)計(jì)水頭取0.5~0.8m已足夠了。通過計(jì)算可以知道：當(dāng)攔污柵實(shí)際水頭達(dá)0.5m時(shí)，在此水頭作用下的過柵流速為2.3m，在過流量不變的前提下，此時(shí)攔污柵被堵的面積約2/3。而這種情況在實(shí)際運(yùn)行時(shí)是不會(huì)出現(xiàn)的，原因是：河面垃圾是以漂浮物為主，當(dāng)過柵流速較小時(shí)，攔污柵前垃圾會(huì)積成片，上部是堵住了，但中下部是暢通的。故選擇攔污柵設(shè)計(jì)水頭時(shí)，過柵水深大、垃圾多的取大值，過柵水深小、垃圾少的取小值，垃圾多少可大致按電站上游流域面積來判斷。
3、柵座抗傾穩(wěn)定系數(shù)K的計(jì)算。
柵座抗傾穩(wěn)定系數(shù)K，是柵座的抵抗轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩MG與轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩MF的比值，即K=MG/MF，是衡量柵座抗傾穩(wěn)定性的參數(shù)。柵座承受的荷載來自于攔污柵，攔污柵的主要的荷載是動(dòng)水壓力，這是一個(gè)均布的面積力，其大小為p=γh，γ是水容重，大小為9.8kN/m2，h是攔污柵的設(shè)計(jì)水頭，按上面的分析進(jìn)行選擇。代入h計(jì)算可以知道，攔污柵的荷載并不大，只有5~8kN/m2，故柵座的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗滑穩(wěn)定性容易滿足要求。正是由于荷載小，柵座的結(jié)構(gòu)尺寸比較小，這使得抗傾穩(wěn)定成了柵座是否安全的控制條件。實(shí)際設(shè)計(jì)中要考慮到計(jì)算誤差和不可預(yù)見的不利因素，要求達(dá)到K≥2，同時(shí)，為了保證柵座結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，K值也不宜取太大，以K<3為好。
K值計(jì)算中要注意的兩個(gè)易出錯(cuò)的地方：一是轉(zhuǎn)動(dòng)中心的確定，計(jì)算假設(shè)基礎(chǔ)承載力是足夠的，故當(dāng)柵座發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，一定是繞著底板下游立面最低點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的，這點(diǎn)就是彎矩計(jì)算的轉(zhuǎn)動(dòng)中心點(diǎn)；二是計(jì)算結(jié)構(gòu)自重時(shí)，水下部分結(jié)構(gòu)要用浮容重計(jì)算。注意了這些易出錯(cuò)的地方， K值就計(jì)算準(zhǔn)確了。
三、外置式攔污柵的優(yōu)點(diǎn)
1、對(duì)垃圾適應(yīng)性強(qiáng)
攔污柵外置后，它的面積大幅度增加，過柵流速大幅度降低，這增強(qiáng)了對(duì)不規(guī)則垃圾的適應(yīng)性。故外置攔污柵能較好地消除成片垃圾，或大塊的垃圾對(duì)電站正常運(yùn)行的影響，提高了攔污效果。
當(dāng)漂浮的成片垃圾隨水來時(shí)，會(huì)在水面以下約1m深的范圍內(nèi)被攔污柵擋住，漂浮垃圾一般不會(huì)被吸入水下，攔污柵的中下部還是暢通無阻，但過柵流速及水頭損失均有所增加，攔污柵過流能力能滿足要求，電站發(fā)電出力有所下降，但不致于停機(jī)清污。而當(dāng)上噸重的大塊垃圾沖向攔污柵時(shí)，由于物體的動(dòng)能與速度的平方成正比例，當(dāng)一塊垃圾以0.5m/s的速度（柵外置時(shí)），或以1.5m/s的速度（柵內(nèi)置時(shí)）撞擊攔污柵時(shí)，它們的能量相差了9倍，故即使外置攔污的設(shè)計(jì)強(qiáng)度比內(nèi)置降低一半，其抗撞擊安全系數(shù)也能比內(nèi)置的提高4.5倍。由此可見，外置式攔污柵的抗大塊垃圾撞擊能力有了成倍提高，不會(huì)輕易被大塊垃圾撞壞。
2、經(jīng)濟(jì)效益顯著
對(duì)內(nèi)置式和外置式這兩種攔污柵布置方式，沒有進(jìn)行過經(jīng)濟(jì)比較的設(shè)計(jì)者，可能會(huì)認(rèn)為外置式的造價(jià)太高，不經(jīng)濟(jì)。其實(shí)不然，從長遠(yuǎn)利益來說，外置式攔污柵經(jīng)濟(jì)性更好。雖然從一次性投資來看，外置式比內(nèi)置式高，但外置式的過柵水頭損失小，電站年發(fā)電量比內(nèi)置式多，即使不計(jì)內(nèi)置式可能因垃圾造成的停機(jī)等事故的經(jīng)濟(jì)損失，外置式還是有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)的。下面通過實(shí)例來比較這兩種布置方式的經(jīng)濟(jì)性。
某電站設(shè)計(jì)水頭為3.5m，共裝機(jī) 3臺(tái)機(jī)，滿發(fā)流量為90m3/s，攔污柵為內(nèi)置式。其進(jìn)水口的尺寸為4×4m（寬×高，下同），設(shè)攔污柵處進(jìn)水口上部有所擴(kuò)大，按4×5m計(jì)，其單發(fā)或滿發(fā)的過柵流速均為1.76m/s，經(jīng)計(jì)算，其水頭損失為0.135m。后因過柵水頭損失大及清污不便，廠方?jīng)Q定把攔污柵改為外置式。改造后，設(shè)了7孔5×3.5m的攔污柵，其滿發(fā)過柵流速為0.86m/s（非滿發(fā)時(shí)更?。?，其水頭損失為0.028m。攔污柵改造投資估算總額為約20萬元（其中柵葉投資約7萬元），改造后，平均每年可以多發(fā)約21.7萬度電，平均增加年產(chǎn)值5.4萬元（年利用小時(shí)數(shù)按3000小時(shí)，電價(jià)按0.25元/度），投資回報(bào)年限僅為3.7年，而目前一般低水頭電站的投資回報(bào)年限超過10年。由此可見，采用外置式攔污柵的經(jīng)濟(jì)效益顯著。
3、人工清污比較方便
小水電站一般是采用人工清污的，外置式攔污柵對(duì)人工清污提供了方便。主要表現(xiàn)在兩方面：一是攔污柵的高度小了，清污耙易伸至柵底，清污變得容易；二是過柵流速降低，垃圾在攔污柵上的吸附力小，易于清除。
由于水電站進(jìn)水口頂需要有一定的淹沒深度，而清污平臺(tái)是高于校核洪水位的，故當(dāng)攔污柵采用內(nèi)置式時(shí)，攔污柵很高，一般高于5m，人工清污較困難，且效果不好。采用外置式時(shí)，攔污柵底坎與攔砂坎結(jié)合，攔砂坎的設(shè)計(jì)高程較高，且清污平臺(tái)只需高于正常水位就行了，不需高于校核洪水位，攔污柵的高度大幅度縮小，一般僅為內(nèi)置式的一半，故外置式攔污柵清污相對(duì)容易。
正是因?yàn)橥庵檬綌r污柵有如此多的優(yōu)勢(shì)，不但在新建電站采用，而且一些原來采用了內(nèi)置式攔污柵的已建電站，由于清污不便，或由于過柵水頭損失太大，也要求對(duì)內(nèi)置式攔污柵進(jìn)行改造，把攔污柵改成了外置式，并在實(shí)踐中取得了較好的經(jīng)濟(jì)及管理效果。
四、采用外置式攔污柵需要注意的問題
攔污柵內(nèi)置式時(shí)，由于攔污柵就設(shè)在廠房前部，如果人、畜或其它雜物，不小心掉入電站進(jìn)水渠中，會(huì)被攔在攔污柵上，不會(huì)被沖入水輪機(jī)中。但外置式攔污柵，與廠房之間有一定的距離，隔著電站的進(jìn)水渠，如有人、畜或其它雜物，掉入電站進(jìn)水渠內(nèi)，就會(huì)被直接沖入水輪機(jī)中，從而威脅人、畜生命安全及電站的運(yùn)行安全。為了解決這個(gè)問題，需要把攔污柵與廠房之間的這一段區(qū)域，用攔桿結(jié)合鋼絲網(wǎng)、或者圍墻，封閉起來，任何尺寸大于鋼絲網(wǎng)孔徑的物體都不可能掉入這一段危險(xiǎn)的區(qū)域，從而保證電站的運(yùn)行安全。
 
參考文獻(xiàn)
張洪楚 主編《水電站》P106~115 水利電力出版社1994年出版
水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫組 《水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)〈金屬結(jié)構(gòu)（二）〉》P200~213 水利電力出版社1988年出版