漢江碾盤山電站水力一體攔導(dǎo)漂排設(shè)計研究

蔡 瑩，李書友，黃明海

(1.長江科學(xué)院 水力學(xué)研究所，武漢 430010； 2.南水北調(diào)中線實業(yè)發(fā)展有限公司，北京 100038)

1 研究背景

碾盤山水利水電樞紐位于漢江中下游湖北鐘祥市境內(nèi)，是漢江流域綜合開發(fā)治理樞紐工程，也是國務(wù)院確定的172項節(jié)水供水重大水利工程，屬Ⅱ等大(2)型工程。工程開發(fā)任務(wù)以發(fā)電、航運為主，兼顧灌溉、供水，為引江濟漢工程良性運行創(chuàng)造條件。樞紐從左至右依次布置左岸連接土壩、泄水閘、電站廠房、連接混凝土重力壩(含魚道)及船閘等，工程正常蓄水位50.72 m，相應(yīng)庫容8.77×108m3。航道標準為Ⅲ級，船閘設(shè)計標準1 000 t級；電站裝機6臺，總裝機容量為180 MW，年發(fā)電量6.16×108kW·h。

多年來漢江干流汛期漂浮物量大，歷時較長，流域已建的王甫洲、崔家營、興隆電站及引江濟漢倒虹吸等重大工程在運行時常爆發(fā)水草漂浮物，堵塞工程攔污柵，直接影響工程運行安全和效益，有的工程已多次進行應(yīng)急搶險處理。此外，漂浮物聚集對河道生態(tài)環(huán)境、航運、取水等都造成影響。

工程漂浮物產(chǎn)生、漂移、匯集與雨洪關(guān)系密切，漂浮物具有流動、組成復(fù)雜、分散、聚集、纏繞、下沉等多重特性，運移規(guī)律及治理環(huán)境復(fù)雜。當前工程漂浮物治理相關(guān)研究不足，設(shè)計缺乏規(guī)范依據(jù)，工程運用存在被動、低效、失控、管理困難等問題，漂浮物治理是水利工程難題之一[1]。

根據(jù)已建工程運行情況，碾盤山電站建成后運行時將同樣會出現(xiàn)漂浮物問題。通過多方案比較研究，工程設(shè)計采用在電站引水渠內(nèi)布置水力一體攔導(dǎo)漂浮排技術(shù)方案。水力一體治漂是由長江科學(xué)院自主開發(fā)的一項技術(shù)[2]，并在國家重點研發(fā)計劃等項目支持下開展了大量工程調(diào)研和水力學(xué)模型試驗研究[3]，形成的主要實用裝備水力一體治漂浮排經(jīng)長江三峽水電站壩前、黃河三門峽水電站壩前工程實際運用檢驗，可在實際工程中因勢利導(dǎo)地攔、導(dǎo)、排、集、清漂一體化治理漂浮物，提升工程安全、經(jīng)濟、實用等多方面的綜合性能，可為樞紐關(guān)鍵水域構(gòu)建安防屏障[4]。

漂浮物與工程水力條件關(guān)系密切，根據(jù)河道形態(tài)及樞紐布置特點，改善工程治理方式采取相應(yīng)的水力一體治漂措施，有利于提升工程漂浮物治理效果，全面發(fā)揮工程效益。水力一體治漂技術(shù)措施有浮排、浮閘、進水口網(wǎng)柵、排濾收漂閘等，系列技術(shù)已申請多項國家專利[5-8]。

2 工程布置及水文條件

根據(jù)工程設(shè)計方案，碾盤山樞紐水庫正常蓄水位與校核洪水位都為50.72 m，死水位50.32 m，電站進水渠河床地形高程約35 m，寬度為152.8 m，正常運行水深約15 m，水位變幅約0.4 m，6臺水輪機組滿發(fā)過機流量為2 785.02 m3/s。樞紐壩址附近鐘祥站歷年最大風速為18.7 m/s(風向NNW)，多年平均最大風速為12.2 m/s。

根據(jù)工程設(shè)計總體布置方案，碾盤山電站引水渠攔導(dǎo)漂浮排左端導(dǎo)墻系排滑槽中心點樁號為壩0-045.7 m，距電站進水口側(cè)墻4.5 m，滑槽高度6 m；右端系排錨固墩靠近魚道，錨固墩中心點樁號為壩0-267.2 m，左右端定位中心點沿壩軸線的長度為218.0 m，浮排軸線長度306 m，吃水深度1.0 m。過排最大流速按1.2 m/s考慮，樞紐敞泄電站不運行時左端導(dǎo)墻頭部反向流速按3.2 m/s考慮。

3 攔導(dǎo)漂排方案比選

當前電站、泵站工程一般都采用攔污柵、柔性攔漂排攔截漂浮物，利用人工和船只機械清理。本文根據(jù)碾盤山水利樞紐工程水文條件、布置及運行要求、漂浮物特征等，對攔污柵、柔性攔漂排、水力一體攔導(dǎo)漂浮排的電站攔漂設(shè)計方案進行了比選研究。

3.1 攔污柵

泵站和水電站工程進水口設(shè)置攔污柵攔截漂浮物，并利用清污機組合清理[9-11]，進水口攔污柵迎流面一般與渠道水流方向垂直布置，有些電站在進水口前引水渠內(nèi)加設(shè)一道斜面攔污柵。

進水口水流條件復(fù)雜，漂浮物組成多樣，相互纏繞擠壓，工程實際運行中經(jīng)常突發(fā)大量漂浮物，受氣象條件、環(huán)境場地等限制，在進水口咽喉部位的攔污柵前利用抓斗等機械抓起漂浮物，操作困難、工作被動、效率低，有的工程在進水口前水面利用船只清漂，操作存在安全問題。漂浮物清理不及時常出現(xiàn)大面積漂浮物聚集，導(dǎo)致攔污柵嚴重堵塞卡阻，在下層水流吸引和清漂操作攪動下，加劇漂浮物下潛下沉，造成攔污柵堵塞深度增加，清理更加困難。攔污柵嚴重堵塞對工程運行帶來巨大威脅，降低排澇泵站效率影響轄區(qū)防汛排澇，加大電站攔水頭損失影響工程直接效益，一些工程運行中出現(xiàn)攔污柵被擠壓垮塌，影響工程安全運行，有時被迫停機進行應(yīng)急搶險處理。攔污柵及配套機械設(shè)施投資大，運用缺乏靈活性，對漂浮物的適應(yīng)性不強。傳統(tǒng)攔污柵與機械組合清漂方式難以滿足治理漂浮物需要，研究改善工程漂浮物治理措施具有重要作用。

3.2 柔性攔漂排

為減輕漂浮物對工程運行造成的影響，有些工程在河道內(nèi)設(shè)置柔性攔漂排提前攔截漂浮物，結(jié)合樞紐泄洪建筑物排漂或利用人工船只清漂。柔性攔漂排形式有竹排、木排、金屬或高分子浮筒(箱)、圍欄等，水下掛網(wǎng)或攔污柵增加攔截漂浮物的深度，排體一般由兩端在岸邊定位，中間處于自由狀態(tài)。

柔性攔漂排具臨時攔截兜集漂浮物的作用，實際運行時存在問題多，不能獲得應(yīng)有效果，難以滿足漂浮物爆發(fā)期間運行需要[12]。柔性攔漂排在水流作用下排體在水面呈懸鏈線狀態(tài)，形態(tài)隨水流狀態(tài)變化，失去水流導(dǎo)漂能力，難以利用泄水閘發(fā)揮有效的排漂作用，在狀況復(fù)雜的水面攔漂導(dǎo)致漂浮物聚積，造成攔漂排上浮、翻轉(zhuǎn)、損毀等問題，水面清漂不及時造成漂浮物下沉泄露，設(shè)施運用中不便于應(yīng)急干預(yù)，管理困難。柔性攔漂排沒有協(xié)調(diào)好水力關(guān)系，將水流方向的作用力轉(zhuǎn)化為軸線力，由端點集中受力，結(jié)構(gòu)傳遞荷載方式對設(shè)施安全不利。柔性攔漂排不適應(yīng)漂浮物多種復(fù)雜特性，簡單增加水下攔網(wǎng)或柵體深度都不能發(fā)揮有效作用。

3.3 水力一體攔導(dǎo)漂浮排

漂浮物流動、聚集、下沉與水流狀態(tài)、流速等水力要素密切相關(guān)，根據(jù)工程清漂實際操作要求，應(yīng)盡可能避免在工程關(guān)鍵部位聚集和清理漂浮物。在過程中利用水流將漂浮物引導(dǎo)至適合部位清理可減少一系列問題，措施應(yīng)具有針對性。

水力一體治漂浮排是通過改善設(shè)施結(jié)構(gòu)，在水面維持直線形態(tài)，利用河流水力在浮排前形成穩(wěn)定的定向?qū)⒘鲌?，在設(shè)施和導(dǎo)漂微流場共同作用下，在攔截漂浮物過程中將漂浮物導(dǎo)向適合的水域清漂或排漂。與攔污柵和柔性攔漂排和清漂比較，設(shè)施在攔截漂浮物過程中具有引導(dǎo)功能，可避免在電站進水口前聚集和清理，減少漂浮物聚集下沉、跑漏，降低結(jié)構(gòu)吃水深度，減少水流對結(jié)構(gòu)沖擊力。設(shè)施采用沿程錨墩系纜定位分散承擔水力，減小設(shè)施軸線受力，結(jié)構(gòu)受力合理，安全性能更好。攔導(dǎo)漂浮排充分發(fā)揮水力作用，減少中間操作環(huán)節(jié)，治漂運行成本低，減少電站發(fā)電水頭損失，增加工程發(fā)電效益。形成的實用裝備經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用檢驗，適應(yīng)漂浮物特性和水上清理漂浮物的要求，具有多方面的效果。

4 碾盤山水力一體攔導(dǎo)漂排設(shè)計研究

4.1 水力一體攔導(dǎo)漂浮排結(jié)構(gòu)

碾盤山電站沒有漂浮物實測和研究成果，根據(jù)碾盤山電站設(shè)計總體布置要求，經(jīng)水文、樞紐布置、現(xiàn)有工程漂浮物治理方式綜合比較，結(jié)合已開發(fā)的裝備運用經(jīng)驗，采用水力一體攔導(dǎo)漂浮排有利于發(fā)揮工程效益。

根據(jù)引水渠水流條件及工程運用需要，電站水力一體攔導(dǎo)漂浮排由10節(jié)30.6 m獨立單元浮排串聯(lián)構(gòu)成，在浮排上下游的水下設(shè)置錨墩，錨墩與各節(jié)浮排間用鋼纜繩連接，浮排軸線與壩軸線之間的導(dǎo)漂角度約為45°，浮排總體布置見圖1。

圖1 碾盤山電站攔導(dǎo)漂排總體平面布置、剖面結(jié)構(gòu)及右岸錨墩大樣立面圖Fig.1 General layout plan and sectional structure offloating raft of Nianpanshan Hydropower Station

碾盤山電站攔漂排運用過程中在水流作用下將攔截的漂浮物導(dǎo)向泄水閘一側(cè)，適時開啟泄水排漂。工程運行期間水流情況、漂浮物爆發(fā)及組成等都具有不確定性，為在一般運行條件下能獲得較好的攔導(dǎo)漂效果，要求浮排應(yīng)具有一定自適應(yīng)能力，可通過調(diào)節(jié)連接系纜繩長度在一定范圍內(nèi)調(diào)整浮排狀態(tài)，使排體形態(tài)、導(dǎo)漂角度等適應(yīng)導(dǎo)漂要求。為減輕阻漂和結(jié)構(gòu)受力，設(shè)計方案還對浮排攔污柵形式、吃水深度都預(yù)留了靈活處理措施。浮排具有水面安全的交通功能，操作便利，可為檢測、巡視、應(yīng)急處理、管理提供條件。根據(jù)已有浮排試用檢驗，設(shè)施可為電站進水口提供水面安防保障。

4.2 運行方式

水力一體治漂浮排運行效果與工程運行方式和浮排區(qū)域水面流態(tài)情況相關(guān)。結(jié)合碾盤山樞紐水文運行條件與其他類似工程調(diào)研資料，攔導(dǎo)漂排區(qū)域流態(tài)大致可分為以下幾種典型工況：枯水期流量<1 500 m3/s電站單獨運行;流量1 500～2 785 m3/s電站滿負運行(滿負荷發(fā)電)；汛期流量>2 785 m3/s電站與泄水閘聯(lián)合運行;汛期泄洪水頭不滿足發(fā)電要求電站不運行。幾種典型工況電站前流態(tài)見圖2，攔導(dǎo)漂浮排運行工況應(yīng)與工程來流量和漂浮物量相適應(yīng)。

圖2 碾盤山電站典型運行工況流態(tài)示意圖Fig.2 Flow patterns in typical operation conditions ofNianpanshan Hydropower Station

枯水期電站單獨運行時漂浮物來量較少，攔漂排只發(fā)揮攔截漂浮物的作用，可在浮排水上走道上利用人工清理或在排前船只保潔清漂；流量較大電站滿負荷單獨運行時，可適時利用人工或船只清漂，也可根據(jù)情況短暫開啟靠電站部分泄水閘間歇排漂；大流量電站滿負荷運行與泄水閘聯(lián)合泄流是在主要排漂期，運用泄水閘排漂應(yīng)盡可能開啟臨近電站的泄水閘孔發(fā)揮浮排攔導(dǎo)漂作用；洪水期間電站不發(fā)電時，漂浮物在浮排攔截作用下受隔墻頭逆向繞流影響導(dǎo)向泄水閘。

碾盤山電站在正常運行條件下引水渠內(nèi)流態(tài)較平穩(wěn)，根據(jù)設(shè)計提供的數(shù)據(jù)流速一般≤1.2 m/s，水位變幅小，有利于攔漂排安全順利攔截引導(dǎo)漂浮物。在樞紐開敞泄洪或生態(tài)調(diào)度敞泄期間電站不發(fā)電情況下，根據(jù)設(shè)計資料左側(cè)隔墻頭出現(xiàn)3.2 m/s逆向繞流，運行中可能會出現(xiàn)局部跌水等較紊亂流態(tài)，這種情況浮排不發(fā)揮作用。為避免不利流態(tài)可能對浮排對穩(wěn)定帶來影響，攔漂排設(shè)計方案中預(yù)留了相應(yīng)處理措施，可提前將該水域浮排撤離到安全水域與其他浮排臨時并聯(lián)避險。

4.3 攔導(dǎo)漂浮排荷載分析

“水力一體治漂攔漂排”是在流態(tài)穩(wěn)定部位利用定向?qū)⒘鲌鰧崿F(xiàn)水力導(dǎo)漂作用，導(dǎo)漂微流場流速v1、導(dǎo)漂夾角θ、寬度b、深度h等指標直接影響浮排構(gòu)造、受力穩(wěn)定和導(dǎo)漂效果。

依據(jù)碾盤山攔漂排布置結(jié)構(gòu)形式及設(shè)施運行條件，結(jié)構(gòu)受力分析見圖3。根據(jù)受力分析，浮排單位長受水流作用力s與前后斷面m-m、n-n的流速V、V′、水位差(靜水頭)Δ的大小以及浮排形式有關(guān)。

圖3 攔導(dǎo)漂排結(jié)構(gòu)受力分析Fig.3 Forces acting on the floating raft structure

圖3中:v1和v2分別為河道流速v的順導(dǎo)漂排速度分量和垂直導(dǎo)漂排速度分量;q為纜繩牽引力;q1和q2分別為纜繩牽引力q的垂直分量和水平分量;g為浮排重力;f為浮力;L、R分別為浮排軸線左、右連接纜繩張力。

攔導(dǎo)漂排運用時在空間三維方向都有一定自由度，可以繞牽引錨繩與浮排接觸點O自由轉(zhuǎn)動，可限制設(shè)施發(fā)生漂移和翻轉(zhuǎn)，在浮排各連接部位都設(shè)置防撞措施。根據(jù)浮排與水流、漂浮物、鋼纜繩之間的作用關(guān)系，攔漂排重力g為常數(shù)，水流作用力s、纜繩牽引力q、浮力f，以及軸線纜繩張力L、R都為可變量，影響因素主要是流速v、導(dǎo)漂夾角θ、攔漂排吃水h、水深H、流態(tài)等因素，波浪對攔導(dǎo)漂排受力影響小，風力可忽略。調(diào)節(jié)纜繩長度可改變導(dǎo)漂角θ、牽引力q，以及軸線纜繩張力L、R和攔漂排彎矩M。

確定浮排單位長度水流作用力s是結(jié)構(gòu)荷載分析的基本要求，可依據(jù)作用面水力基本計算方法，按式(1)粗略估算。

s=Kgρ(?h+Δ)=

(1)

式中：K為結(jié)構(gòu)等多因素綜合系數(shù)，且K<1；ρ為水體密度；?V為浮排前后斷面流速變化值；?h為動水頭；Δ為靜水頭。動水頭?V和靜水頭Δ共同作用，均對s產(chǎn)生影響。

碾盤山攔漂排由獨立的單節(jié)攔漂排連接，為綜合考慮運行安全、水上交通、應(yīng)急處置的需要，基本制作單元長×寬×高尺寸約10 m×2.3 m×0.8 m，由2條平行螺旋鋼管與管間鋼架連接構(gòu)成，攔漂排單位長度總量約為浮重的50%。

根據(jù)已有工程運用試驗實測資料分析，攔漂排前后流速V、V′變化小，浮排前后斷面流速變化值?V、動水頭值?h以及靜水頭值Δ都很小。經(jīng)多種方式估算，設(shè)計采用的結(jié)構(gòu)最大流速約3 m/s時，攔漂排單位長度水流作用力s不超過1.5 kN/m，30 m單節(jié)攔漂排水力不超45 kN。三峽水庫試驗浮排在流速約0.8 m/s時實測受力約0.2 kN/m，運用中攔截了2艘各約400 t的失控船只，設(shè)施安全性能經(jīng)過檢驗，可為工程提供水面安防保障。

根據(jù)材料力學(xué)性能，每節(jié)排兩端系纜樁抗剪力約400 kN，系纜繩破斷力>400 kN，水下錨墩錨環(huán)剪切力約500 kN，攔漂排左、右兩岸端靜載分別≤250、500 kN，結(jié)構(gòu)各項力學(xué)指標遠大于估算荷載。運行中可根據(jù)浮排形態(tài)和纜繩張拉情況調(diào)整纜繩可松緊狀態(tài)，確保整體受力均勻合理，可以通過調(diào)節(jié)纜繩甚至消除浮排軸線方向的節(jié)間作用力。

4.4 結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定實用分析

工程攔漂排沒有現(xiàn)成規(guī)范，簡單計算分析成果只能提供初步參考依據(jù)，新設(shè)施有待在應(yīng)用中積累經(jīng)驗。水力一體攔導(dǎo)漂浮排設(shè)計及研制參考了多種相似攔漂設(shè)施結(jié)構(gòu)及定位方式，綜合考慮碾盤山電站工程布置、水流狀態(tài)、樞紐調(diào)度、漂浮物爆發(fā)與組成等特點，從功能、安全、耐久、維護、實用、經(jīng)濟等方面進行綜合分析比較，形成了最終實施方案。

水力一體攔導(dǎo)漂排與同跨度梯形鋼屋架比較，單位長度用材量和截面積都顯著增大，而單位長度荷載小；與現(xiàn)有工程采用的柔性攔漂排比較，水力一體攔漂排的內(nèi)力減小，結(jié)構(gòu)安全性高。經(jīng)分析攔導(dǎo)漂排單位長度自重大于水平水流作用力，浮排水平側(cè)向剛度大于豎向剛度，單節(jié)浮排在2點水平起吊裝運過程中未觀測到排體軸線明顯彎曲變形，設(shè)施運用期間主要側(cè)向2點集中承受水流沖擊力，經(jīng)實際運用檢驗浮排抗彎曲性能滿足運用要求。

電站引水渠內(nèi)流態(tài)相對平順，流速、水位變化等主要指標較低，攔漂排整體連接后沒有翻轉(zhuǎn)條件，正常運行情況下結(jié)構(gòu)出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)的概率極低。攔漂排在三峽水庫試驗檢驗期間，在寬闊水面反復(fù)經(jīng)受風浪及消防反恐演練艇隊波浪沖擊，與配合試驗的約100 t工作船比較，攔漂排穩(wěn)定性更好，設(shè)施在風暴中還攔截了2艘各約400 t失控船只，在實用中設(shè)施安全性能經(jīng)過了綜合檢驗。

碾盤山電站攔導(dǎo)漂排結(jié)構(gòu)是在三峽、三門峽電站試驗設(shè)施基礎(chǔ)上進一步優(yōu)化和強化，運行時可避免相互碰撞，超標準流速等緊急情況設(shè)施可及時轉(zhuǎn)移，極端情況下單節(jié)攔漂排1/3長度瞬間同時損毀而不會下沉，主要安全指標經(jīng)試驗檢驗可測可控，排體結(jié)構(gòu)安全可靠，安全系數(shù)高。攔漂排頂人行通道為水上提供便捷操作平臺，功能完善，主動可控，方便運行管理，設(shè)施連接方式有利于水上調(diào)節(jié)操作，為維護和更換提供便利條件。

設(shè)施材料、 制造工藝、 加工制作、 焊接工藝、 組裝、 熱噴鋅涂裝防腐、 檢查驗收等需滿足現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求， 浮排制造完成后進行焊縫氣密性、 吃水深度和平衡試驗。 設(shè)施投入運行后， 需要對典型運行工況重點區(qū)域內(nèi)流態(tài)、 流場、 前后水頭差、 系纜力、 攔漂排形態(tài)、 攔導(dǎo)排漂效率等指標進行原型觀測和分析。

為實現(xiàn)順利導(dǎo)漂、避免阻漂，水力一體治漂浮排在三峽水電站和三門峽水電站試驗運用中分別試驗導(dǎo)漂板、導(dǎo)漂幕簾、射流導(dǎo)漂等不同導(dǎo)漂方式，都可增強導(dǎo)漂效果。碾盤山工程總體方案中攔漂排還是利用傳統(tǒng)攔污柵攔截漂浮物，將來運行時會出現(xiàn)阻漂問題。為此，在設(shè)計方案中預(yù)留了改進措施，根據(jù)試驗觀測情況可優(yōu)化改善導(dǎo)漂方式，以較小的投入獲得更好效果。

5 結(jié) 語

改善電站漂浮物治理對工程運行安全和發(fā)揮效益有直接作用，當前工程措施存在安全、失控、低效等諸多問題，不利于工程發(fā)揮長期穩(wěn)定效果。經(jīng)工程調(diào)研、水力學(xué)模型試驗研究和工程實際應(yīng)用檢驗，采取適當?shù)墓こ谭绞胶痛胧┖侠砝煤恿魉l件，有利于主動可控，高效安全治理漂浮物。

根據(jù)碾盤山電站引水渠布置及流態(tài)、流速、水位變化、漂浮物等特性，采用水力一體攔導(dǎo)排漂的新治理方式有利于工程運行的需要。工程設(shè)計方案在已開發(fā)的水力一體治漂浮排技術(shù)裝備和應(yīng)用成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程具體布置和水力條件進行了結(jié)構(gòu)受力和安全穩(wěn)定性分析，適當優(yōu)化完善設(shè)備構(gòu)造和功能，預(yù)留改進措施，明確設(shè)備加工制造質(zhì)量檢驗要求。

碾盤山水電站攔導(dǎo)漂浮排設(shè)施可實現(xiàn)過程中攔截和引導(dǎo)漂浮物，為清漂、泄水排漂提供有利條件，減少中間操作環(huán)節(jié)，避免大量漂浮物在電站區(qū)域聚集，設(shè)施適應(yīng)工程運行條件變化要求，保障工程安全運行。為驗證設(shè)施應(yīng)用效果，設(shè)計方案要求對主要指標應(yīng)開展必要的原型專業(yè)試驗觀測，根據(jù)觀測成果提出相應(yīng)完善措施。水力一體攔導(dǎo)漂浮排設(shè)施經(jīng)實際運用推廣，可為水利工程提供科學(xué)治理漂浮物的方式。