低水头径流式小水电站外置式拦污栅的优势及设计方法

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低水头径流式小水电站（以下简称电站）的站址一般处于某个流域的中下游河段，站址以上集雨面积大，流经人类聚居点多，这些河段的河水往往具有流量大、垃圾多的特点。每当雨季来时，河流的中上游，都有大量的垃圾被冲入河中，随河水流走，给中下游的电站的正常运行造成严重的威胁。
据了解，大部分的电站都遭遇过垃圾带来的麻烦。垃圾的影响一般来自于两种情况：一种是大块的垃圾，如枯木、树根等，这样的垃圾撞击拦污栅，轻则使栅条变形，重则撞破拦污栅，威胁机组的安全，这种垃圾很难清除，若不及时清除会影响电站出力；另一种是成片的漂浮垃圾，由于种种原因，河面漂浮垃圾容易集中连成片，当大片的漂浮垃圾进入电站流道时，在水流的推动下紧紧附着在拦污栅上，在短短的几秒钟内，拦污栅的过流能力迅速降低，需要紧急停机清污，严重的会损坏机组或电气控制设备。
对于这个问题，目前最为有效的解决办法是把拦污栅移出电站外，设于进水渠口，这样就能扩大拦污栅面积，降低过栅流速，消除垃圾的不利影响。下面对外置式拦污栅的特点、设计方法及优点等进行详细的论述。
一、电站拦污栅的布置特点
电站拦污栅布置一般有2种方式：一种是内置式，拦污栅就布置在电站厂房前部，栅墩属于厂房的一部分，拦污栅一般设一个倾角，后面是机组检修闸门；另一种是外置式，拦污栅布置在电站进水渠口，离开厂房有一定的距离，栅墩是独立于厂房的砼结构，与厂房砼结构没有联系，栅叶立面布置一般设75°倾角，拦污栅底坎与拦砂坎结合设计，以降低土建投资。
内置式的布置特点是：每台机组具有独立的拦污栅，栅面积小，深度大，过栅流速较大，一般达到1.5m/s以上，且流速分布不均匀，靠近流道口处的过栅流速更大，清污困难。
外置式的布置特点是：所有的机组共用一道拦污栅，拦污栅总面积大，深度小，过栅流速较小，一般在0.8m/s以下，尤其是电站不满发时，过栅流速更小，且流速分布较为均匀，清污方便容易。
二、外置式拦污栅的设计方法
外置式拦污栅的设计由两部分组成—栅座及栅叶设计，由于拦污栅所受的荷载不大，故栅叶的强度设计易满足要求，但要做到结构简单、运行安全、经济实用的设计目的也不易。带来困难的不是计算方法，而是一些计算参数的确定，这些参数直接影响拦污栅的经济及安全性，这些参数是过栅流速、设计水头及栅座抗倾安全系数K。下面就这几个重要参数的计算和取值进行计算分析。
1、过栅流速的计算及确定。
过栅流速是指水流在拦污栅内的流速，用公式表达为：V=Q/A，Q—通过拦污栅的流量，A—水面以下的拦污栅面积，需要扣除拦污栅的主次梁框架面积（可按孔口的15%计算），但栅片的面积不扣除。过栅流速太大，则水头损失较大，漂浮物的冲击力也比较大；过栅流速太小，水头损失很小，但栅面积就较大，造价较高。
笔者通过对设计过程中理论上的不同流速的经济比较，及建成后实际运行效果比较，认为过栅流速V=0.6~0.8m/s较为合适。通过调整拦污栅的底坎高程，改变拦污栅高度，或调整拦污栅平面轴线与电站进水方向的夹角，改变拦污栅总长，都可以调整过栅流速的大小。
2、拦污栅设计水头的选择。
拦污栅设计水头是指电站满发，拦污栅正常工作时，拦污栅前后可能出现的最大的水位差。这个参数目前没有可靠的计算方法，它是随时都会变化的，与水位、流量及栅上的垃圾附着量等多种因素有关。一些设计手册认为拦污栅的设计水头取2~4m较合适，但目前不少低水头电站，设计水头在5m以下，最低的只有2m多，故拦污栅设计水头取2~4m，显然太高了，据此设计的拦污栅造价必然很高，故应该具体问题具体分析。
笔者认为根据过栅水深及河流垃圾情况，来确定拦污栅的设计水头较为合理。据实际经验，低水头电站过栅流速的拦污栅设计水头取0.5~0.8m已足够了。通过计算可以知道：当拦污栅实际水头达0.5m时，在此水头作用下的过栅流速为2.3m，在过流量不变的前提下，此时拦污栅被堵的面积约2/3。而这种情况在实际运行时是不会出现的，原因是：河面垃圾是以漂浮物为主，当过栅流速较小时，拦污栅前垃圾会积成片，上部是堵住了，但中下部是畅通的。故选择拦污栅设计水头时，过栅水深大、垃圾多的取大值，过栅水深小、垃圾少的取小值，垃圾多少可大致按电站上游流域面积来判断。
3、栅座抗倾稳定系数K的计算。
栅座抗倾稳定系数K，是栅座的抵抗转动弯矩MG与转动弯矩MF的比值，即K=MG/MF，是衡量栅座抗倾稳定性的参数。栅座承受的荷载来自于拦污栅，拦污栅的主要的荷载是动水压力，这是一个均布的面积力，其大小为p=γh，γ是水容重，大小为9.8kN/m2，h是拦污栅的设计水头，按上面的分析进行选择。代入h计算可以知道，拦污栅的荷载并不大，只有5~8kN/m2，故栅座的结构强度和抗滑稳定性容易满足要求。正是由于荷载小，栅座的结构尺寸比较小，这使得抗倾稳定成了栅座是否安全的控制条件。实际设计中要考虑到计算误差和不可预见的不利因素，要求达到K≥2，同时，为了保证栅座结构的经济性，K值也不宜取太大，以K<3为好。
K值计算中要注意的两个易出错的地方：一是转动中心的确定，计算假设基础承载力是足够的，故当栅座发生转动时，一定是绕着底板下游立面最低点转动的，这点就是弯矩计算的转动中心点；二是计算结构自重时，水下部分结构要用浮容重计算。注意了这些易出错的地方， K值就计算准确了。
三、外置式拦污栅的优点
1、对垃圾适应性强
拦污栅外置后，它的面积大幅度增加，过栅流速大幅度降低，这增强了对不规则垃圾的适应性。故外置拦污栅能较好地消除成片垃圾，或大块的垃圾对电站正常运行的影响，提高了拦污效果。
当漂浮的成片垃圾随水来时，会在水面以下约1m深的范围内被拦污栅挡住，漂浮垃圾一般不会被吸入水下，拦污栅的中下部还是畅通无阻，但过栅流速及水头损失均有所增加，拦污栅过流能力能满足要求，电站发电出力有所下降，但不致于停机清污。而当上吨重的大块垃圾冲向拦污栅时，由于物体的动能与速度的平方成正比例，当一块垃圾以0.5m/s的速度（栅外置时），或以1.5m/s的速度（栅内置时）撞击拦污栅时，它们的能量相差了9倍，故即使外置拦污的设计强度比内置降低一半，其抗撞击安全系数也能比内置的提高4.5倍。由此可见，外置式拦污栅的抗大块垃圾撞击能力有了成倍提高，不会轻易被大块垃圾撞坏。
2、经济效益显著
对内置式和外置式这两种拦污栅布置方式，没有进行过经济比较的设计者，可能会认为外置式的造价太高，不经济。其实不然，从长远利益来说，外置式拦污栅经济性更好。虽然从一次性投资来看，外置式比内置式高，但外置式的过栅水头损失小，电站年发电量比内置式多，即使不计内置式可能因垃圾造成的停机等事故的经济损失，外置式还是有经济优势的。下面通过实例来比较这两种布置方式的经济性。
某电站设计水头为3.5m，共装机 3台机，满发流量为90m3/s，拦污栅为内置式。其进水口的尺寸为4×4m（宽×高，下同），设拦污栅处进水口上部有所扩大，按4×5m计，其单发或满发的过栅流速均为1.76m/s，经计算，其水头损失为0.135m。后因过栅水头损失大及清污不便，厂方决定把拦污栅改为外置式。改造后，设了7孔5×3.5m的拦污栅，其满发过栅流速为0.86m/s（非满发时更小），其水头损失为0.028m。拦污栅改造投资估算总额为约20万元（其中栅叶投资约7万元），改造后，平均每年可以多发约21.7万度电，平均增加年产值5.4万元（年利用小时数按3000小时，电价按0.25元/度），投资回报年限仅为3.7年，而目前一般低水头电站的投资回报年限超过10年。由此可见，采用外置式拦污栅的经济效益显著。
3、人工清污比较方便
小水电站一般是采用人工清污的，外置式拦污栅对人工清污提供了方便。主要表现在两方面：一是拦污栅的高度小了，清污耙易伸至栅底，清污变得容易；二是过栅流速降低，垃圾在拦污栅上的吸附力小，易于清除。
由于水电站进水口顶需要有一定的淹没深度，而清污平台是高于校核洪水位的，故当拦污栅采用内置式时，拦污栅很高，一般高于5m，人工清污较困难，且效果不好。采用外置式时，拦污栅底坎与拦砂坎结合，拦砂坎的设计高程较高，且清污平台只需高于正常水位就行了，不需高于校核洪水位，拦污栅的高度大幅度缩小，一般仅为内置式的一半，故外置式拦污栅清污相对容易。
正是因为外置式拦污栅有如此多的优势，不但在新建电站采用，而且一些原来采用了内置式拦污栅的已建电站，由于清污不便，或由于过栅水头损失太大，也要求对内置式拦污栅进行改造，把拦污栅改成了外置式，并在实践中取得了较好的经济及管理效果。
四、采用外置式拦污栅需要注意的问题
拦污栅内置式时，由于拦污栅就设在厂房前部，如果人、畜或其它杂物，不小心掉入电站进水渠中，会被拦在拦污栅上，不会被冲入水轮机中。但外置式拦污栅，与厂房之间有一定的距离，隔着电站的进水渠，如有人、畜或其它杂物，掉入电站进水渠内，就会被直接冲入水轮机中，从而威胁人、畜生命安全及电站的运行安全。为了解决这个问题，需要把拦污栅与厂房之间的这一段区域，用拦杆结合钢丝网、或者围墙，封闭起来，任何尺寸大于钢丝网孔径的物体都不可能掉入这一段危险的区域，从而保证电站的运行安全。
 
参考文献
张洪楚 主编《水电站》P106~115 水利电力出版社1994年出版
水电站机电设计手册编写组 《水电站机电设计手册〈金属结构（二）〉》P200~213 水利电力出版社1988年出版