引水式電站多層次清污系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賈 愛 軍，何 孟 蕓，呂 念 東

(中國(guó)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)

1 概 述

在水電站工程中，攔污柵對(duì)于機(jī)組發(fā)電十分重要。允許通過機(jī)組導(dǎo)葉的污物尺寸是嚴(yán)格限定的，故進(jìn)水口前必須設(shè)置攔污柵，攔污柵前積壓的污物也要及時(shí)清理。

對(duì)于建設(shè)在植被較好的高山峽谷地區(qū)的水電站，汛期時(shí)河面上漲，帶來大量的樹樁、木頭、雜草等漂浮物及半沉木。污物來勢(shì)迅猛，會(huì)迅速集滿在進(jìn)水口攔污柵前。如果不及時(shí)清污，輕則影響生態(tài)景觀和機(jī)組發(fā)電，重則造成攔污柵破壞，被迫停機(jī)維修，嚴(yán)重影響電站的生產(chǎn)運(yùn)行[1]。因此，對(duì)多污物河流的攔污、清污設(shè)施布置深入研究，合理設(shè)計(jì)，使汛期入庫的污物能夠快速清理，對(duì)電站的安全可靠運(yùn)行是十分重要的。

2 龍洞水電站首部樞紐布置

龍洞水電站位于四川省甘孜州康定縣，系瓦斯河干流梯級(jí)開發(fā)的第一級(jí)。開發(fā)任務(wù)為發(fā)電，同時(shí)兼顧下游生態(tài)及景觀用水。電站采用低閘引水式開發(fā)，由首部樞紐、引水系統(tǒng)和廠區(qū)樞紐三大部分組成。首部閘壩正常蓄水位2 440 m，相應(yīng)庫容11.09萬m3，為徑流式運(yùn)行；電站引用流量69.4 m3/s，額定水頭270 m，安裝3臺(tái)單機(jī)容量為55 MW的混流式機(jī)組。

首部樞紐建筑物沿壩軸線自左至右布置有：進(jìn)水口、左岸擋水壩、生態(tài)流量泄放閘、沖沙閘、泄洪閘及右岸擋水壩。其中，進(jìn)水口側(cè)向布置于左岸擋水壩段上游側(cè)，進(jìn)水口前緣與閘軸線夾角為110°，進(jìn)水口由攔污柵閘、漸變段、進(jìn)水閘及清污平臺(tái)等建筑物組成。在主河床布置2孔泄洪閘，左側(cè)緊靠進(jìn)水口布置1孔生態(tài)泄放閘和1孔沖沙閘，在沖沙閘和泄洪閘之間設(shè)有一束水墻。為防止推移質(zhì)和下沉污物進(jìn)入進(jìn)水口內(nèi)，在進(jìn)水口前鋪蓋上設(shè)2道攔沙坎，與束水墻組成沖沙槽，達(dá)到束水排沙的目的。首部樞紐平面布置圖見圖2。

根據(jù)引用流量和過柵流速計(jì)算，攔污柵可布置3孔，每孔寬度為6 m，高度為8 m。依照常規(guī)布置，每孔設(shè)一道清污導(dǎo)槽和一道工作攔污柵，頂部設(shè)耙斗式清污機(jī)用來清污。

瓦斯溝為高山峽谷河流，電站攔河壩距康定市城區(qū)2 km，汛期時(shí)庫區(qū)自然污物和生活污物極多。根據(jù)下游電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，常規(guī)的布置方式在汛期時(shí)由于清污效率不高，會(huì)因污物大量積壓而導(dǎo)致停機(jī)清污，將嚴(yán)重影響電站正常運(yùn)行。電站壩址位于康定市區(qū)附近，大量污物漂浮在庫區(qū)，影響城市的環(huán)境面貌。

3 多層次清污系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為解決龍洞水電站汛期污物清理的難題，結(jié)合工程實(shí)際，設(shè)計(jì)了一種多層次清污系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括：(1)布置在進(jìn)水口外側(cè)的清污閘，設(shè)置有粗格攔污柵、回轉(zhuǎn)式清污機(jī)、皮帶機(jī)及檢修電動(dòng)葫蘆；(2)布置在清污閘和進(jìn)水口之間的2道攔沙坎，和沖沙閘共同組成沖沙、排污系統(tǒng)；(3)進(jìn)水口攔污柵閘，設(shè)置有細(xì)格攔污柵和耙斗式清污機(jī)。

該系統(tǒng)最前面的清污閘可以攔截大部分的表層污物，并能將其快速清理。下沉式污物被攔沙坎攔截后，可以通過沖沙閘排出。進(jìn)水口前的污物由細(xì)格攔污柵攔截，利用耙斗式清污機(jī)清理[2]。該系統(tǒng)能夠全面攔截、高效清除污物，避免進(jìn)水口前污物積壓。多層次清污系統(tǒng)見圖1。

3.1 庫區(qū)增設(shè)攔污設(shè)施的必要性

龍洞水電站進(jìn)水口布置3孔攔污柵，能夠滿足發(fā)電進(jìn)水流量的要求。通常情況下，在非汛期庫區(qū)來污量不大的時(shí)候，通過攔污柵攔截和清污機(jī)清污，能夠及時(shí)處理污物。但汛期時(shí)短期來污量大，進(jìn)水口前污物難以及時(shí)清理，污物積壓壓力很大。有必要在進(jìn)水口之前增設(shè)一道攔污設(shè)施，以減輕進(jìn)水口攔污柵前的污物堆積壓力。目前，國(guó)內(nèi)最常用的方法是在庫區(qū)設(shè)一道攔漂排來攔截污物。

3.2 設(shè)置攔漂排的可行性分析

攔漂排通常布置在庫區(qū)合適位置，為柔性結(jié)構(gòu)，漂浮于水面上，隨水位起伏而升降，用于攔截漂浮物。攔漂排由浮箱、攔污格柵、左右端錨固結(jié)構(gòu)、左右端支承結(jié)構(gòu)、左右端過渡浮箱及牽引鋼絲繩等組成。浮箱漂浮于水面上，攔污格柵固定在浮箱底部，與浮箱一起用于攔截漂浮物[3]。柔性攔漂排只有攔漂作用，沒有機(jī)械清污裝置，需使用清污船清污，通常適用于水面平緩的高壩大庫。

龍洞電站為徑流式電站，日調(diào)節(jié)水庫。庫容較小，水位變動(dòng)幅度大，水流速度較快。如果設(shè)置攔漂排，污物容易翻過攔漂排，攔截效果不佳。電站庫區(qū)小，不適合配備自動(dòng)清污船，人工船撈污量小，不能夠及時(shí)清理，會(huì)造成污物積壓。綜上分析，攔漂排不適用于該工程。

3.3 設(shè)置清污閘

排除攔漂排方案后，經(jīng)設(shè)計(jì)研究，創(chuàng)新發(fā)明了一種新方法。在左岸進(jìn)水口外側(cè)、泄洪沖沙閘上游測(cè)，布置一道清污閘。綜合考慮樞紐布置，將清污閘與沖沙閘上游的束水墻相結(jié)合，順束水墻延長(zhǎng)線方向構(gòu)建。為保證發(fā)電引用流量，采用表層攔污，下層過流的結(jié)構(gòu)。清污閘共布置7孔攔污柵，其中，4孔寬度為6 m，3孔寬度為4 m，高度均為6 m。

首部樞紐平面布置見圖2。

3.4 清污閘的攔污及清污設(shè)備選擇

在水利水電工程中應(yīng)用較廣的清污機(jī)有兩大類型：耙斗式清污機(jī)和回轉(zhuǎn)式清污機(jī)，兩種類型清污機(jī)的特點(diǎn)和適用范圍不同，各有優(yōu)缺點(diǎn)[4]。耙斗式清污機(jī)是由移動(dòng)式啟閉機(jī)帶動(dòng)清污耙斗，沿著攔污柵下行抓取污物，耙斗采用液壓油缸開合?；剞D(zhuǎn)式清污機(jī)是以攔污柵為基礎(chǔ)，通過回轉(zhuǎn)鏈條帶動(dòng)耙齒繞柵葉轉(zhuǎn)動(dòng)，將污物耙出水面。

圖2 首部樞紐平面布置圖

耙斗式清污機(jī)可以抓取各種污物，能夠用于一機(jī)多孔，應(yīng)用范圍廣泛。缺點(diǎn)是運(yùn)行速度慢，清污效率低。回轉(zhuǎn)式清污機(jī)運(yùn)行速度快，能夠連續(xù)運(yùn)行，清污效率高，對(duì)于漂浮垃圾清理效果好。缺點(diǎn)是適用范圍有限，多用于表孔布置，且是一孔一機(jī)，孔數(shù)較多時(shí)造價(jià)偏高。

龍洞水電站的特點(diǎn)是汛期短時(shí)來污物量大，要求清污機(jī)清污效率高。清污閘要承擔(dān)絕大多數(shù)的污物攔截和清理，因此，優(yōu)先選用回轉(zhuǎn)式清污機(jī)。結(jié)合工程的具體特點(diǎn)，對(duì)回轉(zhuǎn)式清污機(jī)進(jìn)行了專門設(shè)計(jì)：(1)柵葉采用粗格攔污柵，柵條凈距略大于進(jìn)水口攔污柵的柵條凈距。為增強(qiáng)柵條的抗沖擊性能，柵條加厚設(shè)計(jì)。(2)為使清理上岸的污物能夠快速轉(zhuǎn)移，設(shè)置了皮帶機(jī)，污物可以通過皮帶機(jī)直接輸送到清污平臺(tái)的垃圾車上。(3)為后期檢修方便，在清污機(jī)頂部設(shè)一臺(tái)移動(dòng)式電動(dòng)葫蘆。

清污閘及進(jìn)水口的攔污和清污設(shè)施布置剖面見圖3。

3.5 利用水工建筑實(shí)現(xiàn)中下層污物的清理

龍洞水電站的汛期來流中夾雜大量的沉木、半沉木，上游康定城拋棄在河道中的建筑垃圾以及半沉于水下的污物較多。此類污物堆積到進(jìn)水口攔污柵前，極易堵塞柵葉，難以清理。因此，如何將此類污物在攔污柵之前攔截，并在其形成淤堵之前清理出庫，是個(gè)難題。

圖3 首部樞紐攔污和清污設(shè)施布置剖面圖

經(jīng)過和水工專業(yè)共同研究，利用攔沙、排沙建筑物，結(jié)合水工模型試驗(yàn)研究成果，適當(dāng)調(diào)整攔沙坎的走向、長(zhǎng)度和高度，通過設(shè)在攔污柵前的2道攔沙坎，攔截下沉式污物[5]。開啟沖沙閘工作閘門排沙時(shí)，攔截的污物可隨之排出。

1號(hào)攔沙坎緊鄰進(jìn)水口布置，2號(hào)攔沙坎布置在外側(cè)。攔沙坎頂高程從上游到下游漸變?cè)O(shè)計(jì)，上游凈高度4 m，下游凈高度為3 m。沖沙閘為露頂式，寬度2.5 m。為便于局部開啟沖沙和排污，工作閘門采用弧形閘門，高度8.5 m，啟閉設(shè)備為固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)。

3.6 進(jìn)水口攔污柵及清污機(jī)布置

經(jīng)清污閘和攔沙坎攔截后，還有部分小型污物來到進(jìn)水口前。進(jìn)水口攔污柵是防止污物進(jìn)入引水隧洞的最后防線，共布置3孔細(xì)格攔污柵，柵條凈距按水輪機(jī)允許過機(jī)雜物的最大尺寸設(shè)計(jì)，頂部設(shè)置耙斗式清污機(jī)用于清污。

攔污柵設(shè)兩道柵槽，前一道為備用柵槽兼清污耙斗導(dǎo)槽，后一道為工作柵槽。攔污柵頂部設(shè)一臺(tái)橋機(jī)，用于操作攔污柵和清污耙斗。清污耙斗設(shè)計(jì)為整跨式，下降時(shí)固定耙齒插入柵葉20 mm，能夠完全清理柵葉上的污物。清污耙斗自身需有足夠的重量，才能保證耙齒能夠壓緊污物并下降到柵葉底部。活動(dòng)耙齒由液壓裝置控制開合。同時(shí)，在進(jìn)水口左側(cè)設(shè)有清污平臺(tái)，抓上來的污物可直接轉(zhuǎn)卸到垃圾車上，方便外運(yùn)。

4 結(jié) 語

龍洞水電站為汛期多污物低閘引水式電站，針對(duì)該類電站的攔污、清污問題，發(fā)明了一種多層次清污系統(tǒng)。該系統(tǒng)由清污閘、攔沙坎、沖沙閘及進(jìn)水口攔污柵閘共同組成，清污閘快速清理大部分的漂浮物，攔沙坎攔截，沖沙閘清理下沉式污物，進(jìn)水口攔污柵閘清除剩余污物。多層次清污系統(tǒng)采用多道且分層次的方法，能夠高效攔截及清理各類污物，解決了電站汛期污物積壓的難題。

龍洞水電站投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)后，經(jīng)過3年多的運(yùn)行，攔污、清污、排污效果很好，攔污柵和清污設(shè)備運(yùn)行良好。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)有效解決了多污物低閘引水式電站汛期的攔污及清污問題。多層次清污系統(tǒng)已取得專利，可供國(guó)內(nèi)外相似工程借鑒。