山区引水式电站前池拦污设计思考

张培 陆天寿

摘 要：贵州引水式小水电站较多，渠道较长，且多依山而建，树枝、杂草较多，严重影响水电站的正常运行、设备安全，文章对山区引水式电站压力前池拦污设计及改造提出探讨思路，供山区引水电站压力前池工程参考。

关键词：引水式电站；前池；排污

1 概述

贵州省余庆县地处黔北高原，境内海拔在400米～1386.5米之间，为典型的山区地貌。长江一级支流乌江横惯县境中部，受地形控制，两岸支流众多，蕴藏了较多的水能资源。根据水利区划测算，全县理论水资源蕴藏量为6.57万千瓦（不含大乌江干流），可开发量为2.477千瓦。全县已建电站16座，其中11座为引水式电站，动力渠道较长，树枝、杂草经常在前池处堵塞拦污栅，影响电站出力，清污工作量大；且在秋冬季常遇松果或竹木之类的硬物堵塞机组转轮，至导叶变形，加速机械磨损，使水轮机大修间隔缩短，影响电站经济效益。

2 原因分析

前池是山区电站引水建筑物的重要组成，其功能除了分配水流、容蓄水量、反射水击波等作用外，还有便于清除污物、泥沙、浮渣等功能。前池的沉砂池和拦污栅就是发挥这个功能的主要组成部分。根据电站较多类似的故障或事故分析，主要原因是在小电站设计中对相应的拦污设施功能重视不够，结构设计、布置方式等大多不符合规范要求；其次就是没有结合山区河流泥沙、杂草等漂浮物量多及具体机型等特点进行设计，针对性的措施不足；三是清污方式落后，清污不及时。

2.1 拦污栅存在的主要问题

（1）拦污栅未安装到底。由于下部存在空缺，一旦拦污栅堵塞，则很多杂物就会从下部穿过拦污栅进入水轮机。2007年，我县某电站就出现过类似的故障，运行中发现机组因导叶突然无法关闭，检修时竟然在导叶中取出了近1m长、未破碎前直径超过5cm的竹杆。

（2）拦污栅栅格间距设计不合理。按规范规定，拦污栅栅条间距一般宜小于50mm。但在实际运行中我们发现，有有些特殊机型，如果设计间距过大，则会引发新的问题。如我县三跌水电站有1台小流量混流式机组，水轮机设计水头123m，设计流量1.29m3/s。在机组运行不久后，发现不明原因的出力减少，且这种情况在秋冬较明显。直到后来机组大修过程中，看到转轮缝隙塞了若干松果和玉米芯，才终于找到了出力减少的主要原因。原来该水轮机转轮缝隙仅3～5cm大小，而拦污栅栅格间距又较大，松果杂物从栅格间进入水轮机引起故障故障。电站对拦污栅靠近水面部分进行加密改造后，机组运行正常。

（3）拦污栅变形普遍。县内小电站拦污栅多采用30mm扁铁或14～18mm光面钢筋焊成，运行一段时间后，变形普遍较大。据观察，在靠水现上层变形大，底层变形小。表明上层栅格受力大，底层栅格受力小。通过受力验算，栅格产生的变形超过了正常设计计算值，这说明了两个情况，一是污物堵塞较为严重，二是栅条材料有待加强。

2.2 沉砂池存在的主要问题

虽然沉砂池在水电站的投资、占地等方面所占的比例很小，但其作用却不可忽视。取消沉砂池或沉砂池不合格，大量砂粒将进入水轮机，会给电站的正常运行带来诸多隐患，得不偿失。从县内出现碎石卡阻导叶或机械磨损较重的几个电站的情况分析，造成问题的主要原因，一部分是沉砂池没有按规范设计，更多的是根本没有设计沉砂池。

3 拦污栅设计

3.1 县内小水电站拦污栅设计中注意的问题

拦污栅栅体设计直接影响其性能。在小电站设计中，应有符合规范的过流面积、足够的刚度、较小的水除系数，以及有效地拦截污物，且方便清污功能。

（1）孔口面积的先择。拦污栅孔口面积的大小决定于过栅流速的大小和结构形式，对于以发电为目的小水电站，为了减小水头损失，宜采用0.8～0.9m/s的过栅流速，当超过1m/s的流速时，小水头损失会明显增大。（2）拦污结构设计。常见的拦污栅即格栅式拦污栅，由栅条、主梁和一些细部构件构成。拦污栅的结构设计要求满足荷载要求、便于清污及检修更换要求。栅条间距是其最主要的部件构成，设计中，栅条间距可以参照水轮机的类型和转轮直径D控制。轴流式水轮机D/20，混流式水轮机D/30，冲击式水轮机为喷嘴直径的1/5。在具体工程设计中，栅条间距还应结合水流中污物的性质和数量进行综合考虑。对大流量大机组，如轴流式水轮机，适当考虑以“排”为主。对小流量小机组，如混流式水轮机，则应以“拦”为主。结构设计中，由于栅条截面的狭长矩形特性，其侧向抗弯刚度和抗扭刚度相对其他型钢而言较低，故设计时应特别注意，不但要进行强度计算，还必须验算其稳定性。验算矩形截面用的稳定安全系数不应小于2。（3）合理设置拦污栅的布置方式。适当改变拦污栅的安放角度，利用水流的推力将污物推到拦污栅上部，再配合合适的清污方式，可以有效减少污物的堵塞。有实验表明，对于拦污栅的倾斜角度，当倾角大于60度时，其下部有少量杂划堆积；而当倾角小于45度时，各种水草都能被推向栅格的顶部，且在实验条件下不发生与污物缠绕。此外，还可以考虑分级双重设置。如前述解决松果问题的例子中，电站采用了单独加设一道较密的拦污栅的方式，设在靠近水面的上半部分，既解决了拦截松果、玉米芯的目的，也起到了兼顾水损的目的。所以，具体的部署方式，应结合地形、流速等结合考虑设置。

4 沉砂池设计

沉砂池有竖流式、涡流式及平流式自然沉砂池等形式的沉砂池，竖流式由于除砂效果差，运行管理不便，因而极少采用；涡流式虽然有占地小、除砂效率高，但是这种池型及其除砂设备均为国外专利；而平流式自然沉砂池构造简单，效果较也好，国内所有的小型电站几乎都是采用这一类型的沉砂池。在《水利水电工程沉砂池设计规范》中，对自然沉砂池的布置及尺寸都有详细的规定。沉砂池的大小一般按池内水平流速和停留时间来确定，而决定流速大小的关键因素就是沉砂池横断面。贵州山区水电站沉淀池多数采用矩形水池，池的大小是根据设计流量、水的平均流速取值、沉淀泥沙粒径大小而定。设计中，一般采用允许平均流速反算沉砂池横断面面积。

即：横断面面积：A=Q/V

式中：A-沉淀池过水断面面积；Q-取水设计流量；V-允许平均流速确定。

根据经验，过水平均流速一般取V=0.2-0.8m/s，流速过快，则沉砂效果会受到影响。设计中还要根据水流含砂量、冲砂条件等情况，对沉砂池的水深、池长等进行综会考虑，以保证沉砂效果。在较长或比降较大的渠道中，建议设置两级以上的沉砂池来确保沉砂效果。总之，作者建议在设计山区引水式电站前池时，除按规范控制关键参数外，还应结合山区河流泥沙、树枝、杂草等漂浮物量多及装机机形的特点，采取有针对性的措施，才能最终实现“拦污干净，沉沙彻底，清污快捷、排沙容易”的效果。

5 结束语

前池的拦污设施虽然只是水电站前池的辅助设施，但对保证水电站安全、经济和高效运行发挥了重要的作用。针对拦污设施在使用中出现的问题，可以从沉砂池及拦污栅的结构设计、安装形式等方法方面强化拦污性能。结合自身运行和管理情况，在可能情况下，可以增加拦污栅启闭装置，以及采用机械化自动清污等方法，进一步提高电站效益，确保安全运行。

参考文献

[1]水电站压力钢管设计规范.DL_T_5141-2001.[S].

[2]SL269-2001.水利水电工程沉砂池设计规范[S].

[3]水工设计手册[M].水利电力出版社，1989.

[4]邵林广，王华.平流式沉砂池设计参数的研究[Z].