石泉水电站2号机组进水口拦污栅变形原因分析

姚群

大唐陕西发电有限公司石泉水力发电厂 陕西石泉 725200

1 工程概况

石泉水电站有两个机组进水口。1号机组进水口为电站原设计的进水口，1979年竣工。发电引水管道布置在4至6坝段，为单元引水，每台机组一管，共三条引水管；单机容量45MW，总装机容量135MW。2号进水口为石泉水电站扩机工程2台机组进水口，单机容量45MW，进水口位于石泉大坝左坝肩上游77m左右，分别由引水明渠段、引水隧洞、出水岔管组成。引水明渠底宽18.60m，长24m；引水隧洞位于石泉水电站左岸山体中，引水隧洞段长约188.0m，管径9.0m，进水口底部高程382.00m，其中上平段长约127.0m，压力斜井段长约61.0m。

2号机组进水口拦污栅按“一”字形排列，3孔，3扇。扇数及尺寸，原设计4扇，主栅3扇，尺寸为5×20米，栅格间隔150mm；副栅1扇，尺寸为5×10米，平时存放于1#副栅槽内，后2002年4月对三扇主栅进行了加高，加高后尺寸为1#、2#栅5×28.5米、3#栅5×29.5米。扇叶为焊接结构，原设计主栅每扇6节，副栅3节，2002年4月主栅均增加至9节。底坎高程，382.00米拦污栅总重170吨。

2 拦污栅在运行过程中出现的问题

2.1 水工建筑物拦污栅的流速设计

（1）为减少水头损失和便于清污，拦污栅设计允许过栅流速，一般要求过栅流速不大于1.0m/s左右。

（2）拦污栅的过栅流速：当引用流量一定时，拦污栅孔口尺寸决定过栅流速。水流速度大，水头损失也大，清污较困难，但拦污栅孔口尺寸可减小，造价可降低。相反，水流速度小，拦污栅孔口尺寸将增大，则造价提高。对于泵站、水电站进水口的拦污栅，其过栅流速可参考：采用人工清污时，宜取0.6m/s-0.8m/s；采用机械清污时宜取0.8m/s-1.0m/s；不考虑清污时宜取0.5m/s[1]。

2.2 石泉水库2号进水口拦污栅在运行过程中出现的问题

在运行过程中2013年汛前提栅检查发现二号进水口拦污栅3个栅槽底部拦污栅变形量挠度都达到了95mm，经咨询拦污栅设计厂家西勘院，此种变形为钢材的塑性变形，不可恢复。

图1 2013年石泉水库2号进水口机组拦污栅图

2014在汛前提栅检查中又发现部分栅条变形严重、底栅变形最大达8.4cm，大部分栅条锈蚀严重，由于没有备用栅，只能更换到顶部带病运行栅。

3 2号机组进水口拦污栅变形原因分析

石泉水库2号进水口宽度18.6m，拦污栅宽度3×5000mm，栅槽宽度5000mm，栅体单宽4000m，栅格间隔150mm，栅叶厚度10mm，实际过水面宽度5000-1000-270=3730mm。

作用在拦污栅上的荷载包括：作用在栅面上的水压力，流水及杂物对栅面的撞击力，以及拦污栅的自重等。拦污栅设计荷载主要决定于栅面的水压差。在正常工作状态下，作用在拦污栅上的荷载是水流通过拦污栅时所形成的上下游水位差，其数值常为几厘米至几十厘米。

石泉水库2号机组进水口拦污栅设计压差4m，2013年前运行最大压差9.6m（瞬时压差），2013年运行最大压差5.6m（瞬时压差）。超压差运行是拦污栅变形的原因之一，同时过栅流速过大是拦污栅变形的主要原因。

3.1 过栅流速分析计算

2号机组进水口计允许过栅流速，一般要求过栅流速不大于1.0m/s左右。实际运行过程中，过栅流速大大超过允许过栅流速。

（1）过栅流量：石泉水库水位在400米以下，四、五号机组运行时计算的入库流量和上游河道实测的流量进行预报修正后差别较大，在水位降至398米以下，甚至出现了入库为负流量的情况。经过分析认为在低水位下，NQH曲线不准确是造成流量计算误差大的主要原因。扩机工程增加的两台机组，在提供的设计资料中没有发电机、水轮机效率曲线，只提供了综合出力系数K值为8.5，在制作NQH表时按线性变化计算，因此低水位运行时发电流量与实际入库流量严重不符[2]。

通过验算修订了发电流量曲线。

表1 在2台机运行的情况下最大过流量

（2）过水面积：2号机组进水口拦污栅单宽3.73m，总宽11.1m；底坎高程382.00m，在不同水位下净过水面积。

当压差1m时，水深减小1m，当压差5.6m时水深减小5.6m。

（3）过栅流速计算。通过计算在不同水位下进水口最大过流量，过栅流速最小1.0m/s；在设计最大压差（设计最大允许压差4m）过栅流速最小4.0m/s。

4 结语

石泉水电站2号机组进水口，由于受地形影响过流断面施工开挖量不足，造成机组拦污栅过流量受环境影响大；加之机组设计为弃水发电，实际运行中，库水位在394m以上机组均参与发电运行，使进水口流速加大，增加了流速[3]。

表3 压差0m的过栅流速计算表

表2 在不同水位下净过水面积计算表

表4 不同压差下过栅流速计算统计表

拦污栅过栅流速，一般要求不大于1.0m/s左右，通过计算库水位在405m没有压差时，就达到1.0m/s的设计过栅流速；在允许压差4m时库水位在405m过栅流速1.3m/s，库水位在395m过栅流速4.0m/s。远远大于设计过栅流速，为了2号进水口安全运行，建议：①请设计部门根据目前2号进水口实际情况重新设计拦污栅，增加拦污栅强度。②改变4、5号机组运行规程，库水位在403m以上时2台机组发电运行，库水位在403m以下时1台机组发电运行。③加强对2号进水口漂浮物打捞，减少进水口压差。