拦漂排失事案例分析处理及思考

汪艳青，周 浩

(中水珠江规划勘测设计有限公司，广州 510610)

1 概述

2021年，《水电工程拦漂排设计规范》(NB/T 10609—2021)发布实施。该规范在广泛调查、深入研究的基础上，总结了我国水电工程拦漂排设计科研、制造安装、运行维护等方面的实践经验，为水电工程拦漂排的设计提供了一定的指导和依据[1]。

长期以来，我国拦漂排的设计没有相应的设计规范和标准，没有成熟的结构形式，缺乏真实反映拦漂排受力状态的结构计算分析方法[2-3]，很多已建工程拦漂排的设计过程都是摸着石头过河，造成许多已建工程的拦漂排不可靠，拦污、排污效果差，洪水期污物经常堵塞进水口拦污栅，轻则导致发电水头降低，机组出力减少，影响发电效益，重则导致拦污栅甚至拦漂排自身结构破坏，严重危及机组运行安全[4-5]。

由于工程布置情况各异，库区污物来量和类型不同，水电站所在地形条件、气候条件、发电和泄洪洪水标准不一等因素[6]，甚至在不同运行条件下，拦漂排的运行工况都具有特殊性，目前虽有规范指导，但拦漂排的设计仍存在诸多不确定因素。目前关于拦污排的相关文献资料，大多是关于拦漂排布置和设计方案的探讨[7-14]，对于工程实际运行中出现的关于拦漂排工程质量事故的报道及分析总结较少。因此，为尽可能的避免拦漂排出现质量事故，影响工程安全运行，需要设计者从已建工程的拦漂排工程质量事故中的汲取经验教训，并结合工程实际，不断优化拦漂排设计方案。

2 拦污排失事案例分析及处理

2.1 拦漂排拉断

广东省某航运枢纽工程位于连江上 、下梁州河段之间，由泄水闸、厂房 、船闸、副坝及护岸等组成。厂房设有3台灯泡贯流式机组，装机容量为10 MW，正常蓄水位为29.0 m，死水位为28.5 m。在电站进水口前缘设置了1道拦漂排，拦漂排轴线长度为55 m，与水流夹角为61°。拦漂排设置在拦沙坎上，高出拦沙坎顶2 m。拦漂排由9个钢质双浮筒串连组成，中间用十字铰连接，上下游两端用自浮式锚头。2012年3月，电站3台机组同时发电运行时，拦漂排发生翻转断排事故。断排位置发生在靠上游浮体连接处，连接拉杆扭成麻花状(见图1)。

图1 节间拉杆扭曲示意

经现场查看和分析，翻转断排主要原因是由于排轴线与水流夹角太大，排前污物未能及时清理，大量污物堆积排前，急剧增大阻水面积，进而增大倾覆力，同时拦沙坎处水流紊乱，浮体承受超设计荷载。

处理措施是在每节双浮筒浮体后再增加1个平衡浮筒，形成三浮筒结构，增加浮体稳定性，同时要求运管单位及时清理排前污物，减小排前荷载(见图2)，目前拦漂排运行正常。

图2 拦漂排增加平衡浮筒示意

2.2 拦漂排锚墩翻倒

广东省某中型航电枢纽工程由泄水闸、电站厂房、船闸3部分组成，电站厂房布置在右侧，泄水闸布置在电站左侧。水库正常蓄水位为75.0 m，设计洪水位(5%)为75.12 m，校核洪水位(1%)为76.22 m。电站设有3台灯泡贯流式机组，装机容量11.7 MW。电站进水口前缘设置了1道拦漂排，在进水口设置了倾斜式拦污栅配耙斗式清污机清污，拦漂排前采用人工清污。拦漂排轴线长度为55 m，与水流夹角为66°。浮体为双浮筒拉杆连接，上下游锚头为自浮式浮筒，上锚头设在上游锚墩内，下锚头设在靠近厂坝导水墙上游的锚墩内。2004年蓄水初期，电站运行后，拦漂排下游锚墩发生倾覆(见图3～图4)。

图3 某工程全貌示意

图4 拦漂排下游锚墩倾覆示意

经现场查看和分析，锚墩倾覆的主要原因是由于拦漂排与水流夹角太大，过排水流紊乱；拦漂排下游端锚墩为悬臂结构，与厂坝导水墙结构分开设计，承受较大的水平荷载；下游锚墩底部受水流冲刷，基础被淘空。

处理措施是对下游锚墩和基础重新施工，与厂坝导水墙浇注成整体结构，同时做好抗冲刷措施。

2.3 拦漂排翻转

江西省某大型航电枢纽工程由船闸、泄水闸、电站厂房、鱼道、连接坝段等组成，电站厂房布置在右侧，泄水闸布置在电站左侧。水库正常蓄水位为32.5 m，设计洪水位为36.57 m，校核洪水位为37.95 m。电站装机容量为112 MW，设有7台灯泡贯流式机组。为改善监控泄水闸侧的机组取水效果，在厂坝连接的导墙上设了2扇补水拦污栅。拦漂排采用若干个钢浮箱，中间用钢质十字铰连接，端部用自浮式锚头。拦漂排分为两跨，上跨长度为158 m，排轴线与水流方向夹角为49.2°；下跨长度为255 m，排轴线与与水流方向夹角为17.1°。拦漂排下跨中后部设置拉锚装置，防止泄洪期拦漂排随意摆动或反向拖曳，拉绳通过托绳浮筒浮于水上。2019年6月30日，泄水闸开启，电站初期7台机低水位运行，同时泄水闸再部分下泄洪水；7月1日，下跨拦漂排整体翻转，部分挂栅被冲掉，上跨拦漂排排前污物堆积，呈倾斜状态拦污；2019年8月，清理完污物后将拦漂排翻转过来；2020年2月15日，下跨拦漂排再次翻转。翻排前一天泄水闸有开启泄洪，电站6台机发电，发电时库前水位约为30 m，发电流量接近设计流量。下跨拦漂排锚墩及边机组导墙补水栅及下跨拦漂排翻转见图5～图6。

图5 下跨拦漂排锚墩及边机组导墙补水栅示意

图6 下跨拦漂排翻转示意

经现场查看并分析，主要是由于拦污排下跨为电站流量主要过流区，两次翻排均在泄水闸开启泄洪过程中或泄洪后，库水位较低，均在30 m左右，低于正常蓄水位2 m多，且由于拦污排布置位置在拦沙坎处，拦沙坎顶高程为26.0 m，加之污物拥堵，实际过水高度仅3 m左右，7台机组或6台机组发电时，引用流量接近设计流量，过排流速远大于正常运行流速，且多为横向水流，排前后水流流态紊乱，低水位大流量外加横向高流速下，拦污排运行条件极差。初步设计阶段的水工模型试验未模拟拦污排，对进水前沿包括拦沙坎处未提示横向流过大及流态紊乱问题。根据电站实际运行观测，电站进水口前沿水流流态与模型试验结果存在一定差异。另外，水流紊乱流速过大，无法在发电工况下及时清理排前污物，拦污排前污物堆积较多，引起排身不稳而倾覆。

处理建议：将拦漂排翻转归位后，控制拦污排运行水位不低于31.5 m；若确需在低水位下运行，应提前解开拦污排拉至右侧岸边固定，或者改造拦污排，利用电站停机时段，将拦污排上的栏杆、挂栅等附件拆除，仅留下浮箱，以便低水位运行时，减轻污物和水流对浮排运行的不利影响，减小对过排水流的阻碍，避免出现翻转、断排等安全事故。排前污物应及时停机借助清污机械清理。

3 思考和建议

结合以上的拦漂排工程案例，对水电站拦漂排在布置设计及运行管理方面提出以下几点思考和建议。

1)拦漂排应布置在地形和水流条件都有利的位置，应充分考虑水工结构的影响。为增强下跨端锚墩的抗倾覆能力，宜将下锚墩与厂坝导水墙浇注成整体结构。拦漂排轴线应尽量避开拦沙坎布置，因布置在拦沙坎处，将引起过排水流断面减小，水流流速突变，流态也往往比较紊乱，容易引起拦漂排张力增大，排身翻转。

2)拦漂排前流速不宜太大，需充分重视低水位大流量运行的工况。从工程实际运行看，拦漂排轴线处流速过大，拦漂排张力增大，拦漂排清漂难度增大。在低水头河床式水电站中，一般采用正常蓄水位下的平均流速和校核水位下端面平均流速来计算两种工况下浮排张力，往往会忽略电站低水位运行，但引用流量较大甚至接近设计流量的工况，这种情况过排流速相当大，张力也相当大，甚至会对锚墩和浮排自身结构造成破坏。因此，建议结构设计时考虑此工况，如果有条件，低水位大流量运行时考虑解排运行。

3)有条件的工程在水工模型试验阶段应提前纳入拦漂排进行试验验证。由于拦漂排设计的特殊性，存在很多不确定因素，在初期布置方案和结构形式确定后，应整体纳入水工模型试验，模拟各种运行工况下拦漂排的布置和结构的安全性，从而及时调整设计方案。进行水工模型试验时，是否纳入拦漂排对进水口前沿流速场的确定有一定影响，上述翻排案例工程水工模型试验时未纳入拦漂排，模型试验结果进水口前沿水流流态平顺，横向流角度不大，与实际运行中流态紊乱、横向流过大的情况存在较大差异。

4)加强运行管理，拦漂排前及时排污、清污。通常，拦漂排只有靠近坝端的反向水流产生的反弧段的污物才能被泄洪水流带走，自动导污效果不理想。大部分工程主要还是将拦漂排前的污物打捞上岸处理，但实际上拦漂排的清污较为困难，通常清漂船在风力4级以下、流速2 m/s以下的情况下才能够进行正常的清漂工作，而拦漂排前的水流流速极不均匀，最大流速往往是平均流速的2～3倍，且往往流态紊乱，一般的清漂船难以在不停机工况下安全工作。这也对清漂船的各项技术参数性能提出了更高的要求，希望可依托水电站拦漂排前的复杂水流条件，研发出能在电站不停机情况下安全运行的智能化清漂机器人，为运行管理单位解决实际难题。另外，在拦漂排运行中应随时注意每个拦污浮箱或浮筒的平衡情况，并通过调整平衡块以保证拦漂排的平衡。

4 结语

低水头河床式电站发电水头非常宝贵，电站进水口的拦污、清污设计方案至关重要，关系到运行安全及发电效益，往往需要统筹考虑，选择最优的方案。拦漂排作为第一道拦污防线，因其布置设计存在诸多不确定因素及工程的独特性，往往成为工程拦污、清污方案成败的关键。从业人员只有不断总结和吸取已建工程的经验和教训，主动将拦漂排纳入水工整体模型试验，优化布置设计方案，避免拦漂排设计失误。同时也寄希望于研发单位能够研发出电站不停机情况下安全运行的智能化清漂机器人，为运行管理单位解决拦漂排清污难题。