山區(qū)引水式電站前池?cái)r污設(shè)計(jì)思考

張培 陸天壽

摘 要：貴州引水式小水電站較多，渠道較長(zhǎng)，且多依山而建，樹(shù)枝、雜草較多，嚴(yán)重影響水電站的正常運(yùn)行、設(shè)備安全，文章對(duì)山區(qū)引水式電站壓力前池?cái)r污設(shè)計(jì)及改造提出探討思路，供山區(qū)引水電站壓力前池工程參考。

關(guān)鍵詞：引水式電站；前池；排污

1 概述

貴州省余慶縣地處黔北高原，境內(nèi)海拔在400米～1386.5米之間，為典型的山區(qū)地貌。長(zhǎng)江一級(jí)支流烏江橫慣縣境中部，受地形控制，兩岸支流眾多，蘊(yùn)藏了較多的水能資源。根據(jù)水利區(qū)劃測(cè)算，全縣理論水資源蘊(yùn)藏量為6.57萬(wàn)千瓦（不含大烏江干流），可開(kāi)發(fā)量為2.477千瓦。全縣已建電站16座，其中11座為引水式電站，動(dòng)力渠道較長(zhǎng)，樹(shù)枝、雜草經(jīng)常在前池處堵塞攔污柵，影響電站出力，清污工作量大；且在秋冬季常遇松果或竹木之類(lèi)的硬物堵塞機(jī)組轉(zhuǎn)輪，至導(dǎo)葉變形，加速機(jī)械磨損，使水輪機(jī)大修間隔縮短，影響電站經(jīng)濟(jì)效益。

2 原因分析

前池是山區(qū)電站引水建筑物的重要組成，其功能除了分配水流、容蓄水量、反射水擊波等作用外，還有便于清除污物、泥沙、浮渣等功能。前池的沉砂池和攔污柵就是發(fā)揮這個(gè)功能的主要組成部分。根據(jù)電站較多類(lèi)似的故障或事故分析，主要原因是在小電站設(shè)計(jì)中對(duì)相應(yīng)的攔污設(shè)施功能重視不夠，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、布置方式等大多不符合規(guī)范要求；其次就是沒(méi)有結(jié)合山區(qū)河流泥沙、雜草等漂浮物量多及具體機(jī)型等特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，針對(duì)性的措施不足；三是清污方式落后，清污不及時(shí)。

2.1 攔污柵存在的主要問(wèn)題

（1）攔污柵未安裝到底。由于下部存在空缺，一旦攔污柵堵塞，則很多雜物就會(huì)從下部穿過(guò)攔污柵進(jìn)入水輪機(jī)。2007年，我縣某電站就出現(xiàn)過(guò)類(lèi)似的故障，運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)機(jī)組因?qū)~突然無(wú)法關(guān)閉，檢修時(shí)竟然在導(dǎo)葉中取出了近1m長(zhǎng)、未破碎前直徑超過(guò)5cm的竹桿。

（2）攔污柵柵格間距設(shè)計(jì)不合理。按規(guī)范規(guī)定，攔污柵柵條間距一般宜小于50mm。但在實(shí)際運(yùn)行中我們發(fā)現(xiàn)，有有些特殊機(jī)型，如果設(shè)計(jì)間距過(guò)大，則會(huì)引發(fā)新的問(wèn)題。如我縣三跌水電站有1臺(tái)小流量混流式機(jī)組，水輪機(jī)設(shè)計(jì)水頭123m，設(shè)計(jì)流量1.29m3/s。在機(jī)組運(yùn)行不久后，發(fā)現(xiàn)不明原因的出力減少，且這種情況在秋冬較明顯。直到后來(lái)機(jī)組大修過(guò)程中，看到轉(zhuǎn)輪縫隙塞了若干松果和玉米芯，才終于找到了出力減少的主要原因。原來(lái)該水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪縫隙僅3～5cm大小，而攔污柵柵格間距又較大，松果雜物從柵格間進(jìn)入水輪機(jī)引起故障故障。電站對(duì)攔污柵靠近水面部分進(jìn)行加密改造后，機(jī)組運(yùn)行正常。

（3）攔污柵變形普遍。縣內(nèi)小電站攔污柵多采用30mm扁鐵或14～18mm光面鋼筋焊成，運(yùn)行一段時(shí)間后，變形普遍較大。據(jù)觀察，在靠水現(xiàn)上層變形大，底層變形小。表明上層?xùn)鸥袷芰Υ螅讓訓(xùn)鸥袷芰π?。通過(guò)受力驗(yàn)算，柵格產(chǎn)生的變形超過(guò)了正常設(shè)計(jì)計(jì)算值，這說(shuō)明了兩個(gè)情況，一是污物堵塞較為嚴(yán)重，二是柵條材料有待加強(qiáng)。

2.2 沉砂池存在的主要問(wèn)題

雖然沉砂池在水電站的投資、占地等方面所占的比例很小，但其作用卻不可忽視。取消沉砂池或沉砂池不合格，大量砂粒將進(jìn)入水輪機(jī)，會(huì)給電站的正常運(yùn)行帶來(lái)諸多隱患，得不償失。從縣內(nèi)出現(xiàn)碎石卡阻導(dǎo)葉或機(jī)械磨損較重的幾個(gè)電站的情況分析，造成問(wèn)題的主要原因，一部分是沉砂池沒(méi)有按規(guī)范設(shè)計(jì)，更多的是根本沒(méi)有設(shè)計(jì)沉砂池。

3 攔污柵設(shè)計(jì)

3.1 縣內(nèi)小水電站攔污柵設(shè)計(jì)中注意的問(wèn)題

攔污柵柵體設(shè)計(jì)直接影響其性能。在小電站設(shè)計(jì)中，應(yīng)有符合規(guī)范的過(guò)流面積、足夠的剛度、較小的水除系數(shù)，以及有效地?cái)r截污物，且方便清污功能。

（1）孔口面積的先擇。攔污柵孔口面積的大小決定于過(guò)柵流速的大小和結(jié)構(gòu)形式，對(duì)于以發(fā)電為目的小水電站，為了減小水頭損失，宜采用0.8～0.9m/s的過(guò)柵流速，當(dāng)超過(guò)1m/s的流速時(shí)，小水頭損失會(huì)明顯增大。（2）攔污結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。常見(jiàn)的攔污柵即格柵式攔污柵，由柵條、主梁和一些細(xì)部構(gòu)件構(gòu)成。攔污柵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求滿(mǎn)足荷載要求、便于清污及檢修更換要求。柵條間距是其最主要的部件構(gòu)成，設(shè)計(jì)中，柵條間距可以參照水輪機(jī)的類(lèi)型和轉(zhuǎn)輪直徑D控制。軸流式水輪機(jī)D/20，混流式水輪機(jī)D/30，沖擊式水輪機(jī)為噴嘴直徑的1/5。在具體工程設(shè)計(jì)中，柵條間距還應(yīng)結(jié)合水流中污物的性質(zhì)和數(shù)量進(jìn)行綜合考慮。對(duì)大流量大機(jī)組，如軸流式水輪機(jī)，適當(dāng)考慮以“排”為主。對(duì)小流量小機(jī)組，如混流式水輪機(jī)，則應(yīng)以“攔”為主。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于柵條截面的狹長(zhǎng)矩形特性，其側(cè)向抗彎剛度和抗扭剛度相對(duì)其他型鋼而言較低，故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意，不但要進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，還必須驗(yàn)算其穩(wěn)定性。驗(yàn)算矩形截面用的穩(wěn)定安全系數(shù)不應(yīng)小于2。（3）合理設(shè)置攔污柵的布置方式。適當(dāng)改變攔污柵的安放角度，利用水流的推力將污物推到攔污柵上部，再配合合適的清污方式，可以有效減少污物的堵塞。有實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于攔污柵的傾斜角度，當(dāng)傾角大于60度時(shí)，其下部有少量雜劃堆積；而當(dāng)傾角小于45度時(shí)，各種水草都能被推向柵格的頂部，且在實(shí)驗(yàn)條件下不發(fā)生與污物纏繞。此外，還可以考慮分級(jí)雙重設(shè)置。如前述解決松果問(wèn)題的例子中，電站采用了單獨(dú)加設(shè)一道較密的攔污柵的方式，設(shè)在靠近水面的上半部分，既解決了攔截松果、玉米芯的目的，也起到了兼顧水損的目的。所以，具體的部署方式，應(yīng)結(jié)合地形、流速等結(jié)合考慮設(shè)置。

4 沉砂池設(shè)計(jì)

沉砂池有豎流式、渦流式及平流式自然沉砂池等形式的沉砂池，豎流式由于除砂效果差，運(yùn)行管理不便，因而極少采用；渦流式雖然有占地小、除砂效率高，但是這種池型及其除砂設(shè)備均為國(guó)外專(zhuān)利；而平流式自然沉砂池構(gòu)造簡(jiǎn)單，效果較也好，國(guó)內(nèi)所有的小型電站幾乎都是采用這一類(lèi)型的沉砂池。在《水利水電工程沉砂池設(shè)計(jì)規(guī)范》中，對(duì)自然沉砂池的布置及尺寸都有詳細(xì)的規(guī)定。沉砂池的大小一般按池內(nèi)水平流速和停留時(shí)間來(lái)確定，而決定流速大小的關(guān)鍵因素就是沉砂池橫斷面。貴州山區(qū)水電站沉淀池多數(shù)采用矩形水池，池的大小是根據(jù)設(shè)計(jì)流量、水的平均流速取值、沉淀泥沙粒徑大小而定。設(shè)計(jì)中，一般采用允許平均流速反算沉砂池橫斷面面積。

即：橫斷面面積：A=Q/V

式中：A-沉淀池過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；Q-取水設(shè)計(jì)流量；V-允許平均流速確定。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，過(guò)水平均流速一般取V=0.2-0.8m/s，流速過(guò)快，則沉砂效果會(huì)受到影響。設(shè)計(jì)中還要根據(jù)水流含砂量、沖砂條件等情況，對(duì)沉砂池的水深、池長(zhǎng)等進(jìn)行綜會(huì)考慮，以保證沉砂效果。在較長(zhǎng)或比降較大的渠道中，建議設(shè)置兩級(jí)以上的沉砂池來(lái)確保沉砂效果。總之，作者建議在設(shè)計(jì)山區(qū)引水式電站前池時(shí)，除按規(guī)范控制關(guān)鍵參數(shù)外，還應(yīng)結(jié)合山區(qū)河流泥沙、樹(shù)枝、雜草等漂浮物量多及裝機(jī)機(jī)形的特點(diǎn)，采取有針對(duì)性的措施，才能最終實(shí)現(xiàn)“攔污干凈，沉沙徹底，清污快捷、排沙容易”的效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

前池的攔污設(shè)施雖然只是水電站前池的輔助設(shè)施，但對(duì)保證水電站安全、經(jīng)濟(jì)和高效運(yùn)行發(fā)揮了重要的作用。針對(duì)攔污設(shè)施在使用中出現(xiàn)的問(wèn)題，可以從沉砂池及攔污柵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝形式等方法方面強(qiáng)化攔污性能。結(jié)合自身運(yùn)行和管理情況，在可能情況下，可以增加攔污柵啟閉裝置，以及采用機(jī)械化自動(dòng)清污等方法，進(jìn)一步提高電站效益，確保安全運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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