引水式电站多层次清污系统设计

贾 爱 军，何 孟 芸，吕 念 东

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

在水电站工程中，拦污栅对于机组发电十分重要。允许通过机组导叶的污物尺寸是严格限定的，故进水口前必须设置拦污栅，拦污栅前积压的污物也要及时清理。

对于建设在植被较好的高山峡谷地区的水电站，汛期时河面上涨，带来大量的树桩、木头、杂草等漂浮物及半沉木。污物来势迅猛，会迅速集满在进水口拦污栅前。如果不及时清污，轻则影响生态景观和机组发电，重则造成拦污栅破坏，被迫停机维修，严重影响电站的生产运行[1]。因此，对多污物河流的拦污、清污设施布置深入研究，合理设计，使汛期入库的污物能够快速清理，对电站的安全可靠运行是十分重要的。

2 龙洞水电站首部枢纽布置

龙洞水电站位于四川省甘孜州康定县，系瓦斯河干流梯级开发的第一级。开发任务为发电，同时兼顾下游生态及景观用水。电站采用低闸引水式开发，由首部枢纽、引水系统和厂区枢纽三大部分组成。首部闸坝正常蓄水位2 440 m，相应库容11.09万m3，为径流式运行；电站引用流量69.4 m3/s，额定水头270 m，安装3台单机容量为55 MW的混流式机组。

首部枢纽建筑物沿坝轴线自左至右布置有：进水口、左岸挡水坝、生态流量泄放闸、冲沙闸、泄洪闸及右岸挡水坝。其中，进水口侧向布置于左岸挡水坝段上游侧，进水口前缘与闸轴线夹角为110°，进水口由拦污栅闸、渐变段、进水闸及清污平台等建筑物组成。在主河床布置2孔泄洪闸，左侧紧靠进水口布置1孔生态泄放闸和1孔冲沙闸，在冲沙闸和泄洪闸之间设有一束水墙。为防止推移质和下沉污物进入进水口内，在进水口前铺盖上设2道拦沙坎，与束水墙组成冲沙槽，达到束水排沙的目的。首部枢纽平面布置图见图2。

根据引用流量和过栅流速计算，拦污栅可布置3孔，每孔宽度为6 m，高度为8 m。依照常规布置，每孔设一道清污导槽和一道工作拦污栅，顶部设耙斗式清污机用来清污。

瓦斯沟为高山峡谷河流，电站拦河坝距康定市城区2 km，汛期时库区自然污物和生活污物极多。根据下游电站的运行经验，常规的布置方式在汛期时由于清污效率不高，会因污物大量积压而导致停机清污，将严重影响电站正常运行。电站坝址位于康定市区附近，大量污物漂浮在库区，影响城市的环境面貌。

3 多层次清污系统设计

为解决龙洞水电站汛期污物清理的难题，结合工程实际，设计了一种多层次清污系统。该系统包括：(1)布置在进水口外侧的清污闸，设置有粗格拦污栅、回转式清污机、皮带机及检修电动葫芦；(2)布置在清污闸和进水口之间的2道拦沙坎，和冲沙闸共同组成冲沙、排污系统；(3)进水口拦污栅闸，设置有细格拦污栅和耙斗式清污机。

该系统最前面的清污闸可以拦截大部分的表层污物，并能将其快速清理。下沉式污物被拦沙坎拦截后，可以通过冲沙闸排出。进水口前的污物由细格拦污栅拦截，利用耙斗式清污机清理[2]。该系统能够全面拦截、高效清除污物，避免进水口前污物积压。多层次清污系统见图1。

3.1 库区增设拦污设施的必要性

龙洞水电站进水口布置3孔拦污栅，能够满足发电进水流量的要求。通常情况下，在非汛期库区来污量不大的时候，通过拦污栅拦截和清污机清污，能够及时处理污物。但汛期时短期来污量大，进水口前污物难以及时清理，污物积压压力很大。有必要在进水口之前增设一道拦污设施，以减轻进水口拦污栅前的污物堆积压力。目前，国内最常用的方法是在库区设一道拦漂排来拦截污物。

3.2 设置拦漂排的可行性分析

拦漂排通常布置在库区合适位置，为柔性结构，漂浮于水面上，随水位起伏而升降，用于拦截漂浮物。拦漂排由浮箱、拦污格栅、左右端锚固结构、左右端支承结构、左右端过渡浮箱及牵引钢丝绳等组成。浮箱漂浮于水面上，拦污格栅固定在浮箱底部，与浮箱一起用于拦截漂浮物[3]。柔性拦漂排只有拦漂作用，没有机械清污装置，需使用清污船清污，通常适用于水面平缓的高坝大库。

龙洞电站为径流式电站，日调节水库。库容较小，水位变动幅度大，水流速度较快。如果设置拦漂排，污物容易翻过拦漂排，拦截效果不佳。电站库区小，不适合配备自动清污船，人工船捞污量小，不能够及时清理，会造成污物积压。综上分析，拦漂排不适用于该工程。

3.3 设置清污闸

排除拦漂排方案后，经设计研究，创新发明了一种新方法。在左岸进水口外侧、泄洪冲沙闸上游测，布置一道清污闸。综合考虑枢纽布置，将清污闸与冲沙闸上游的束水墙相结合，顺束水墙延长线方向构建。为保证发电引用流量，采用表层拦污，下层过流的结构。清污闸共布置7孔拦污栅，其中，4孔宽度为6 m，3孔宽度为4 m，高度均为6 m。

首部枢纽平面布置见图2。

3.4 清污闸的拦污及清污设备选择

在水利水电工程中应用较广的清污机有两大类型：耙斗式清污机和回转式清污机，两种类型清污机的特点和适用范围不同，各有优缺点[4]。耙斗式清污机是由移动式启闭机带动清污耙斗，沿着拦污栅下行抓取污物，耙斗采用液压油缸开合。回转式清污机是以拦污栅为基础，通过回转链条带动耙齿绕栅叶转动，将污物耙出水面。

图2 首部枢纽平面布置图

耙斗式清污机可以抓取各种污物，能够用于一机多孔，应用范围广泛。缺点是运行速度慢，清污效率低。回转式清污机运行速度快，能够连续运行，清污效率高，对于漂浮垃圾清理效果好。缺点是适用范围有限，多用于表孔布置，且是一孔一机，孔数较多时造价偏高。

龙洞水电站的特点是汛期短时来污物量大，要求清污机清污效率高。清污闸要承担绝大多数的污物拦截和清理，因此，优先选用回转式清污机。结合工程的具体特点，对回转式清污机进行了专门设计：(1)栅叶采用粗格拦污栅，栅条净距略大于进水口拦污栅的栅条净距。为增强栅条的抗冲击性能，栅条加厚设计。(2)为使清理上岸的污物能够快速转移，设置了皮带机，污物可以通过皮带机直接输送到清污平台的垃圾车上。(3)为后期检修方便，在清污机顶部设一台移动式电动葫芦。

清污闸及进水口的拦污和清污设施布置剖面见图3。

3.5 利用水工建筑实现中下层污物的清理

龙洞水电站的汛期来流中夹杂大量的沉木、半沉木，上游康定城抛弃在河道中的建筑垃圾以及半沉于水下的污物较多。此类污物堆积到进水口拦污栅前，极易堵塞栅叶，难以清理。因此，如何将此类污物在拦污栅之前拦截，并在其形成淤堵之前清理出库，是个难题。

图3 首部枢纽拦污和清污设施布置剖面图

经过和水工专业共同研究，利用拦沙、排沙建筑物，结合水工模型试验研究成果，适当调整拦沙坎的走向、长度和高度，通过设在拦污栅前的2道拦沙坎，拦截下沉式污物[5]。开启冲沙闸工作闸门排沙时，拦截的污物可随之排出。

1号拦沙坎紧邻进水口布置，2号拦沙坎布置在外侧。拦沙坎顶高程从上游到下游渐变设计，上游净高度4 m，下游净高度为3 m。冲沙闸为露顶式，宽度2.5 m。为便于局部开启冲沙和排污，工作闸门采用弧形闸门，高度8.5 m，启闭设备为固定卷扬式启闭机。

3.6 进水口拦污栅及清污机布置

经清污闸和拦沙坎拦截后，还有部分小型污物来到进水口前。进水口拦污栅是防止污物进入引水隧洞的最后防线，共布置3孔细格拦污栅，栅条净距按水轮机允许过机杂物的最大尺寸设计，顶部设置耙斗式清污机用于清污。

拦污栅设两道栅槽，前一道为备用栅槽兼清污耙斗导槽，后一道为工作栅槽。拦污栅顶部设一台桥机，用于操作拦污栅和清污耙斗。清污耙斗设计为整跨式，下降时固定耙齿插入栅叶20 mm，能够完全清理栅叶上的污物。清污耙斗自身需有足够的重量，才能保证耙齿能够压紧污物并下降到栅叶底部。活动耙齿由液压装置控制开合。同时，在进水口左侧设有清污平台，抓上来的污物可直接转卸到垃圾车上，方便外运。

4 结 语

龙洞水电站为汛期多污物低闸引水式电站，针对该类电站的拦污、清污问题，发明了一种多层次清污系统。该系统由清污闸、拦沙坎、冲沙闸及进水口拦污栅闸共同组成，清污闸快速清理大部分的漂浮物，拦沙坎拦截，冲沙闸清理下沉式污物，进水口拦污栅闸清除剩余污物。多层次清污系统采用多道且分层次的方法，能够高效拦截及清理各类污物，解决了电站汛期污物积压的难题。

龙洞水电站投产运营后，经过3年多的运行，拦污、清污、排污效果很好，拦污栅和清污设备运行良好。实践证明，该系统有效解决了多污物低闸引水式电站汛期的拦污及清污问题。多层次清污系统已取得专利，可供国内外相似工程借鉴。