石泉水電站2號機(jī)組進(jìn)水口攔污柵變形原因分析

姚群

大唐陜西發(fā)電有限公司石泉水力發(fā)電廠 陜西石泉 725200

1 工程概況

石泉水電站有兩個機(jī)組進(jìn)水口。1號機(jī)組進(jìn)水口為電站原設(shè)計的進(jìn)水口，1979年竣工。發(fā)電引水管道布置在4至6壩段，為單元引水，每臺機(jī)組一管，共三條引水管；單機(jī)容量45MW，總裝機(jī)容量135MW。2號進(jìn)水口為石泉水電站擴(kuò)機(jī)工程2臺機(jī)組進(jìn)水口，單機(jī)容量45MW，進(jìn)水口位于石泉大壩左壩肩上游77m左右，分別由引水明渠段、引水隧洞、出水岔管組成。引水明渠底寬18.60m，長24m；引水隧洞位于石泉水電站左岸山體中，引水隧洞段長約188.0m，管徑9.0m，進(jìn)水口底部高程382.00m，其中上平段長約127.0m，壓力斜井段長約61.0m。

2號機(jī)組進(jìn)水口攔污柵按“一”字形排列，3孔，3扇。扇數(shù)及尺寸，原設(shè)計4扇，主柵3扇，尺寸為5×20米，柵格間隔150mm；副柵1扇，尺寸為5×10米，平時存放于1#副柵槽內(nèi)，后2002年4月對三扇主柵進(jìn)行了加高，加高后尺寸為1#、2#柵5×28.5米、3#柵5×29.5米。扇葉為焊接結(jié)構(gòu)，原設(shè)計主柵每扇6節(jié)，副柵3節(jié)，2002年4月主柵均增加至9節(jié)。底坎高程，382.00米攔污柵總重170噸。

2 攔污柵在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題

2.1 水工建筑物攔污柵的流速設(shè)計

（1）為減少水頭損失和便于清污，攔污柵設(shè)計允許過柵流速，一般要求過柵流速不大于1.0m/s左右。

（2）攔污柵的過柵流速：當(dāng)引用流量一定時，攔污柵孔口尺寸決定過柵流速。水流速度大，水頭損失也大，清污較困難，但攔污柵孔口尺寸可減小，造價可降低。相反，水流速度小，攔污柵孔口尺寸將增大，則造價提高。對于泵站、水電站進(jìn)水口的攔污柵，其過柵流速可參考：采用人工清污時，宜取0.6m/s-0.8m/s；采用機(jī)械清污時宜取0.8m/s-1.0m/s；不考慮清污時宜取0.5m/s[1]。

2.2 石泉水庫2號進(jìn)水口攔污柵在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題

在運(yùn)行過程中2013年汛前提柵檢查發(fā)現(xiàn)二號進(jìn)水口攔污柵3個柵槽底部攔污柵變形量撓度都達(dá)到了95mm，經(jīng)咨詢攔污柵設(shè)計廠家西勘院，此種變形為鋼材的塑性變形，不可恢復(fù)。

圖1 2013年石泉水庫2號進(jìn)水口機(jī)組攔污柵圖

2014在汛前提柵檢查中又發(fā)現(xiàn)部分柵條變形嚴(yán)重、底柵變形最大達(dá)8.4cm，大部分柵條銹蝕嚴(yán)重，由于沒有備用柵，只能更換到頂部帶病運(yùn)行柵。

3 2號機(jī)組進(jìn)水口攔污柵變形原因分析

石泉水庫2號進(jìn)水口寬度18.6m，攔污柵寬度3×5000mm，柵槽寬度5000mm，柵體單寬4000m，柵格間隔150mm，柵葉厚度10mm，實(shí)際過水面寬度5000-1000-270=3730mm。

作用在攔污柵上的荷載包括：作用在柵面上的水壓力，流水及雜物對柵面的撞擊力，以及攔污柵的自重等。攔污柵設(shè)計荷載主要決定于柵面的水壓差。在正常工作狀態(tài)下，作用在攔污柵上的荷載是水流通過攔污柵時所形成的上下游水位差，其數(shù)值常為幾厘米至幾十厘米。

石泉水庫2號機(jī)組進(jìn)水口攔污柵設(shè)計壓差4m，2013年前運(yùn)行最大壓差9.6m（瞬時壓差），2013年運(yùn)行最大壓差5.6m（瞬時壓差）。超壓差運(yùn)行是攔污柵變形的原因之一，同時過柵流速過大是攔污柵變形的主要原因。

3.1 過柵流速分析計算

2號機(jī)組進(jìn)水口計允許過柵流速，一般要求過柵流速不大于1.0m/s左右。實(shí)際運(yùn)行過程中，過柵流速大大超過允許過柵流速。

（1）過柵流量：石泉水庫水位在400米以下，四、五號機(jī)組運(yùn)行時計算的入庫流量和上游河道實(shí)測的流量進(jìn)行預(yù)報修正后差別較大，在水位降至398米以下，甚至出現(xiàn)了入庫為負(fù)流量的情況。經(jīng)過分析認(rèn)為在低水位下，NQH曲線不準(zhǔn)確是造成流量計算誤差大的主要原因。擴(kuò)機(jī)工程增加的兩臺機(jī)組，在提供的設(shè)計資料中沒有發(fā)電機(jī)、水輪機(jī)效率曲線，只提供了綜合出力系數(shù)K值為8.5，在制作NQH表時按線性變化計算，因此低水位運(yùn)行時發(fā)電流量與實(shí)際入庫流量嚴(yán)重不符[2]。

通過驗(yàn)算修訂了發(fā)電流量曲線。

表1 在2臺機(jī)運(yùn)行的情況下最大過流量

（2）過水面積：2號機(jī)組進(jìn)水口攔污柵單寬3.73m，總寬11.1m；底坎高程382.00m，在不同水位下凈過水面積。

當(dāng)壓差1m時，水深減小1m，當(dāng)壓差5.6m時水深減小5.6m。

（3）過柵流速計算。通過計算在不同水位下進(jìn)水口最大過流量，過柵流速最小1.0m/s；在設(shè)計最大壓差（設(shè)計最大允許壓差4m）過柵流速最小4.0m/s。

4 結(jié)語

石泉水電站2號機(jī)組進(jìn)水口，由于受地形影響過流斷面施工開挖量不足，造成機(jī)組攔污柵過流量受環(huán)境影響大；加之機(jī)組設(shè)計為棄水發(fā)電，實(shí)際運(yùn)行中，庫水位在394m以上機(jī)組均參與發(fā)電運(yùn)行，使進(jìn)水口流速加大，增加了流速[3]。

表3 壓差0m的過柵流速計算表

表2 在不同水位下凈過水面積計算表

表4 不同壓差下過柵流速計算統(tǒng)計表

攔污柵過柵流速，一般要求不大于1.0m/s左右，通過計算庫水位在405m沒有壓差時，就達(dá)到1.0m/s的設(shè)計過柵流速；在允許壓差4m時庫水位在405m過柵流速1.3m/s，庫水位在395m過柵流速4.0m/s。遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計過柵流速，為了2號進(jìn)水口安全運(yùn)行，建議：①請設(shè)計部門根據(jù)目前2號進(jìn)水口實(shí)際情況重新設(shè)計攔污柵，增加攔污柵強(qiáng)度。②改變4、5號機(jī)組運(yùn)行規(guī)程，庫水位在403m以上時2臺機(jī)組發(fā)電運(yùn)行，庫水位在403m以下時1臺機(jī)組發(fā)電運(yùn)行。③加強(qiáng)對2號進(jìn)水口漂浮物打撈，減少進(jìn)水口壓差。