王甫洲水電站攔污柵的損壞原因分析與處理

王 振 宇

(湖北漢江王甫洲水力發電有限責任公司，湖北 老河口 441800)

1 前 言

王甫洲水電站位于湖北省老河口市近郊的漢江干流上，上距丹江口水利樞紐約30km，是漢江中下游水電航運梯級的第一級。王甫洲水電站由電站廠房、重力壩、船閘、泄水閘、圍堤五大水工建筑物組成，具有發電、航運、灌溉、養殖、旅游等綜合效益。樞紐為Ⅱ等工程，主要建筑物為3級。電站為低水頭河床式電站，安裝4臺單機容量為2.725萬kW的燈泡貫流式機組(成套水輪發電機組由奧地利伊林公司引進)，總裝機容量10.9萬kW，單機最大流量為420m3/s。電站設計年均利用小時5 330h，設計年均發電量5.81億kW·h。水庫總庫容3.095億m3。

取水口的攔污柵布置在檢修門后，為固定式斜面攔污柵，柵頂高程86.23m,柵底高程60.76m，攔污柵斜面傾角75°。每臺機組設有兩扇攔污柵，每扇攔污柵高26.368m、寬7.4m，柵條間距200mm。為了便于安裝和檢修更換，攔污柵由吊裝單元拼裝而成。每扇攔污柵的吊裝單元布置從左到右分成5條、從上到下有8排，這樣每扇攔污柵共有40個吊裝單元。吊裝單元尺寸有兩種，分別為1 296mm×3 346mm和1 492mm×3 346mm。柵體吊裝單元上下兩端用螺栓和主梁連接，左右兩側自由。中間1條攔污柵每個吊裝單元有6片柵條，中間布置了3根小橫梁，攔污柵條鑲焊在小橫梁上；兩側4條攔污柵吊裝單元均有7片柵條，布置形式與上面相同。

4臺機組于2000年始相繼投產發電，運行僅僅不到兩年時間，在機組狀態檢修時工作人員相繼發現4臺機組攔污柵條均有不同程度的斷裂和裂紋，其中1號機組和4號機組的攔污柵破壞較嚴重，裂紋達200多處，并且部分柵條脫落(27塊)。從單扇攔污柵看，從上往下，第5、6排吊裝單元破壞嚴重，破壞最嚴重的攔污柵單元高程與機組燈泡頭在同一水平線上，柵條斷裂位置在柵條與主梁或小橫梁連接處，其次為第4、7排，再次為第3排，最上面的第1、2排基本完好無損。從水平方向看，破壞主要發生在柵面中間，靠閘墩兩側破壞要輕一些。

2 攔污柵損壞原因試驗

王甫洲電廠在丹江口水庫下游約30km處，其上游的大型污物在丹江口就已被攔截，因此造成攔污柵外部損壞的這個因素完全可以排除。根據對攔污柵柵條實際損壞的形態分析，都是在柵條兩端固定焊接部位產生脆性裂紋，由此可以判斷是由于共振造成的損壞，即攔污柵結構的自振頻率與下泄水流脈動壓力的頻率相等或接近。為了證實判斷的準確性，特委托武漢大學工程檢測中心對1號、4號機組的攔污柵進行了試驗，試驗內容包括攔污柵結構動力特性、攔污柵動力響應及水流脈動壓力三部分。

導致攔污柵振動的因素很多，但從運行角度看，機組的流速(導葉開度)影響最大，因此試驗工況主要通過改變機組導葉的開度進行。表1為攔污柵過流時，導葉的開度試驗工況。

表1 攔污柵試驗工況

2.1 攔污柵動力特性試驗

攔污柵動力特性試驗分有水和無水兩種工況進行。攔污柵動力特性檢測采用敲激法和自激法。敲激法是采用重錘敲擊攔污柵使之振動，自激法是利用下泄水流引起攔污柵振動。無水工況試驗采用敲激法，有水工況試驗采用自激法。

2.1.1 攔污柵動力特性(無水)

從結構形式、材料、邊界條件等看，各攔污柵單元格的結構形式相同，因此試驗條件基本一致。試驗對象為1號機組第二孔攔污柵第一排和第二排中的兩個單元格，分別為單元格1與單元格2。表2為現場頻率試驗結果。

表2 攔污柵單元格無水工況頻率 Hz

由表2可見，攔污柵各階頻率基本呈倍頻關系。試驗結果表明：在無水工況下，單元格1與單元格2的前四階頻率有一定差別。前者的各階頻率要低于后者，表明盡管單元格1與單元格2在結構形式、處理特性等方面相同，但由于安裝后形成單元格的邊界條件不完全相同，使得兩者的頻率也有差別。可見，安裝情況對攔污柵的頻率有一定影響。

2.1.2 攔污柵動力特性(有水)

由于攔污柵損壞主要是在流水作用下產生的，因此有水時的攔污柵振動頻率才是真正需要引起注意的頻率。表3為攔污柵在水流作用下實測的各階自振頻率。

表3與表2相比，有水時攔污柵的自振頻率發生了很大的變化。現場試驗主要是通過改變機組導葉開度進行。根據現場情況以及加速度和應力實測結果可以清楚地看到，在機組11.6%～63.4%導葉開度下，攔污柵振動比較平穩，而在73.4%導葉開度時振動非常明顯。表3頻率測試結果表明，攔污柵結構振動頻率表現出兩類特征，一是在一般開度時隨開度的增加頻率變化從低階到高階比較有規律；二是在導葉73.4%開度時，頻率非常單一，頻率值為18.71Hz，為第四階頻率。

表3 攔污柵單元格有水工況自振頻率 Hz

2.2 攔污柵加速度試驗

加速度是衡量攔污柵結構振動強弱的主要參數。表4為1號機組攔污柵加速度均方根值與最大絕對值實測結果，其中均方根值描述振動信號的能量大小。

表4 1號機組攔污柵加速度值 g

由表4可以看出，加速度大小與機組導葉開度密切相關，即開度越大，加速度值也越大。開度32%以下時加速度很小，開度為73.4%時，加速度最大，為最不利開度。由此可見，攔污柵振動大小具有明顯的局部性。

2.3 攔污柵動應力試驗

動應力從結構強度反映攔污柵振動大小，與靜應力相比，結構振動參數的動應力引起材料疲勞的破壞作用比靜應力要大得多。表5為動應力實測結果。

表5 1號機組攔污柵動應力實測值 MPa

動應力測量結果表明，動應力大小的變化規律與機組開度的關系和加速度測量結果一致，即隨開度增加動應力值增加。最大值出現在測點4，工況為機組開度73.4%，其動應力均方根值為19.4MPa,最大動應力值為41.07MPa。

2.4 脈動壓力

表6為水流脈動壓力實測頻率值，在頻率為18.7Hz時，脈動壓力的功率值有明顯的極大值，特別是18.7Hz這一頻率值與試驗得到的攔污柵條在水中的固有頻率相同，形成了“共振”的條件。

表6 水流脈動壓力實測頻率 Hz

3 攔污柵損壞原因分析

3.1 共 振

比較表3與表6，攔污柵與水流脈動壓力頻率前三階基本相同，但由于導葉開度小時水流能量也較小，沒有激起“共振”，而在導葉開度73.4%時，脈動水壓力的頻率成分主要分布在18.71Hz，此時與攔污柵有水工況第四階頻率相同，導致攔污柵發生了共振。共振引起攔污柵發生強烈振動，導致攔污柵加速度與動應力嚴重超標，并使攔污柵柵條材料長期處于疲勞運行狀態。而機組導葉開度在73.4%左右為機組的常用開度，因此長期共振作用是導致攔污柵發生疲勞破壞的主要原因。

3.2 進水口流態影響

攔污柵破壞主要發生在1號和4號機組，位于中間的2號和3號機組破壞相對較輕。發生這種現象與王甫洲樞紐布置有關，特別是1號機組進水口左側有一段較長的圍堤，左側寬闊的水面使橫向和斜向的水流與進水口正向水流相遇，從而在1號機組進水口處形成了較強的立軸漩渦，導致進水口處流態紊亂；而攔污柵進水口流態調整不充分導致攔污柵附近流態較差，也是引起攔污柵損壞的原因之一。

3.3 攔污柵布置位置靠近機組

攔污柵位于檢修門后使柵后進水段很短，柵體距機組很近。從攔污柵破壞部位看，靠機組最近部位即機組燈泡頭高程處的攔污柵吊裝單元破壞最嚴重，此處攔污柵條直接受貫流式機組流道中下泄水流的強大吸引力作用也是柵條損壞的原因之一。

4 攔污柵振動的處理建議

攔污柵是水電廠重要的輔助設備，對水電廠的安全運行和經濟效益影響很大，特別是對于低水頭貫流式機組的安全運行而言極其重要。

4.1 對攔污柵進行減振加固

從提高攔污柵整體剛度出發，將同橫排各吊裝單元的小橫梁連接起來，兩側吊裝單元的小橫梁再與混凝土隔墩連接起來，可以使攔污柵在空氣中的自振頻率從12.32Hz提高到32.48Hz,其在水中的振動頻率也將相應提高。加固后的攔污柵可以避開產生共振頻率，從而達到減振目的。此方法最簡單，成本最低，效果最好，王甫洲公司在2004年和2006年分別對1號和4號機組按此方法進行了改造。一年后的檢修時統計裂紋攔污柵裂紋，發現裂紋大幅減少，脫落現象基本消失，效果非常明顯。

4.2 避開共振區運行

在攔污柵尚未加固的情況下，將機組導葉開度避開不利區(70%左右)運行。

4.3 改變進水口流態

王甫洲電廠是利用老河道作為引水渠，使1號機組左水面側寬闊，在條件允許的情況下，可在1號機組左側修建導流堤，使攔污柵進水口水流平順、對稱，避免立軸漩渦形成；或在進水口增設防渦梁、板及防渦柵破漩渦，改善流態。但此方法工程量巨大，且前期工作比較繁瑣，處理比較麻煩。

參考文獻：

[1] 陳美娟，葉士林.王甫洲水電站斜面攔污柵設計[J].人民長江，1997,28(11).

[2] 張紹春,趙種民,陳兆新.邦朗電站進水口攔污柵振動試驗研究[J].水力發電學報,2003(1):76-82.