扇形回轉式自控攔污柵設計

劉 天 為

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 研究背景

攔污柵的功能為阻止植物根莖、生活廢物與工業垃圾等污物進入工程內部結構，避免上述異物對建筑物與設備造成危害。目前攔污柵按結構類型可劃分成平面式和旋轉式。平面式攔污柵在工程中一般豎向布設兩道，當發生污物堵塞現象時，將攔污柵提出門槽進行輪流清污。平面式攔污柵清污較為困難，需配備啟閉及清污等專門設備進行污物清除。旋轉式攔污柵在柵面上布設清污齒，利用清污齒的轉動來清理污物。因河流中各類異物來源多樣及型式多種，清污齒的大小難以確定，清污齒的轉動容易被污物堵塞卡死，進而導致清污設備停機清理[1]。

由于河道中異物數目及尺寸難以準確預估與控制，進水口上游匯集的異物難以及時得到有效清除，攔污設施被堵塞現象常有發生，將造成下列后果：攔污柵上下游側的水位差逐漸增大，進而降低水利水電工程的出力與效率；柵前污物逐漸堆積，柵面有效過水面積減小，柵前污物在水流推力作用下不斷撞擊攔污柵，導致攔污柵的變形及損壞；若發生嚴重堵塞現象將導致水電站被迫停機清污，影響工業生產、居民用電及電站效益[2-3]。

2 工程現狀與研究進展

目前我國完建運行的水利水電工程，已發生多例攔污設施被嚴重堵塞現象。針對各類水利水電工程的不同結構布置特征，研究人員根據實際情況因地制宜地采用了多種處理措施，但效果有限且操作較為復雜。瀾滄江功果橋水電站采用岸塔式進水口與平面式攔污柵，運行僅5年即發生柵前污物嚴重堆積現象，導致機組部件磨損并嚴重影響電站的平穩運行。為解決功果橋柵前淤積問題，謝文明[4]采用了上游庫區清漂、增加清污頻率并改造攔污柵門槽混凝土結構等措施。浙江省趙山渡水電站采用河床式發電廠房，因柵前污物堆積現象日益嚴重且難以得到有效清理，電站的引用流量與利用水頭受到較大影響，導致水輪發電機組的實際出力僅為設計值的50%左右，闕劍生等[5]必須對取水與攔污結構進行改造，并在水庫上游增加了清漂與攔污設備。福建省古田溪梯級水電站采用河岸斜坡式進水口與傾斜布置攔污柵，運行僅4年即發現攔污柵被植物根莖與枝干挾裹泥沙堵死，攔污柵上下游側的最大水位差達到了4.4 m，攔污柵上的柵片與結構梁發生嚴重彎曲變形。古田水電站停機清污后的效果維持時間不到2年，攔污設施被嚴重堵塞現象再次發生。針對上述問題，何乃珍[6]對攔污設施采取臨時加固措施、定期更換攔污柵并在后期采用梯級電站系統調度運行與建立即時監測系統。根據工程調研與文獻歸納，攔污柵前污物匯集且較難清除的現象在各類水利水電工程中較為常見且較難解決。

為解決上述問題，針對攔污柵的結構布置設計及攔污清污效果，目前已有部分學者進行了系列研究并取得一定進展。李勝等[7]等研究了傳統平面直立式攔污柵與液壓式清污耙斗的結構布置及設計。任玉珊等[8]針對已投產運行項目發生攔污柵柵前污物堵塞的現象，通過水工模型試驗探討了攔污柵堵塞程度與水頭損失的關系。張多鋒等[9]系統性研究了攔污柵前污物匯集的力學影響并對攔污柵與水面的傾角提出優化建議。但針對攔污、集污、清污的全過程解決方案，目前學術界在這方面的研究較少。本文提出一種集攔污、集污、清污功能于一體，能夠解決攔污柵堵塞現象的扇形回轉式自控攔污柵設計方案，可供工程設計人員參考。

3 扇形回轉式自控攔污柵結構及工作原理

3.1 攔污柵的結構型式

扇形回轉式自控攔污柵的工程平面布置見圖1。扇形攔污柵位于取水建筑物上游側，其動力裝置設置于閘墩上。攔污柵兩側閘墩高于洪水位，動力裝置的運行不受水位漲落的影響。在扇形攔污柵上游與下游位置，布置柵差監測系統來控制攔污柵運行。在扇形攔污柵的下游方向，設置工作橋及傳送皮帶，方便污物的及時處理。

扇形回轉式自控攔污柵由豎直攔污柵和扇形攔污柵組成，扇形攔污柵又分為機動清污斜面網和擋污扇面網。扇形攔污柵頂部由一根高強度的動力軸貫穿固定，動力裝置可通過控制動力軸的轉動來控制攔污柵的回轉。攔污柵具體結構型式詳見圖2。

圖1 扇形回轉式自控攔污柵平面圖

圖2 扇形回轉式自控攔污柵結構圖

3.2 攔污柵的工作原理

扇形回轉式自控攔污柵的作業原理如下：

(1)攔污柵柵前污物主要為漂浮物并匯集于水流表面。豎直攔污柵位于進水口上游側最低水位以下，機動清污斜面網與水流表面成一定緩傾角。利用水流沖力，使水中污物主要匯集在機動清污斜面網上。扇形回轉式攔污柵的攔污與集污工作原理見圖3。

(2)當污物在機動清污斜面網上匯集到一定數量時，工作人員可通過機械控制清污斜面網的順時針上揚來清理污物。清污工作原理見圖4。

(3)在順時針上揚斜面網進行清污的過程中，擋污扇面網與豎直攔污柵始終呈良好的相切關系，既防止污物在斜面網順時針上揚過程中掠過攔污柵，又可保障機組正常運行所需流量。清污工作原理見圖5。

圖3 攔污與集污工作原理圖

圖4 清污工作原理(步驟1)

圖5 清污工作原理(步驟2)

扇形回轉式自控攔污柵的攔污、集污與清污效果高效、經濟、徹底，提高了工程的運行效率與經濟效益。

4 自控清污工作流程

為實現扇形回轉式攔污柵的自動控制，滿足不同工作情景下的多種功能需求，本文進一步提出扇形回轉式攔污柵的自動化作業工作系統。扇形回轉式攔污柵的自動控制系統主要由監測模式、作業模式、報警模式、檢修模式組成，其具體工作流程如下：

(1)監測模式。在水利水電工程運行期間，扇形回轉式自控攔污柵處于監測模式狀態。利用柵差自動監測系統來計算柵前與柵后的水面高程，進而推算柵前污物的堆積數量及情況。

(2)作業模式。當柵前污物匯集程度達到程序設定閾值，系統自動啟動清污作業模式。當扇形回轉式自控攔污柵開始繞高強度動力軸順時針旋轉時，清污傳送皮帶開始傳動。

(3)報警模式。當發生柵前污物嚴重堆積、攔污柵動力系統發生故障、攔污柵轉動意外受阻等現象時，系統啟動報警模式。

(4)檢修模式。在攔污柵系統需要在進行保養、維護及檢修狀態下使用時，保障攔污柵系統的運行穩定及使用壽命。

扇形回轉式攔污柵的自控清污工作流程見圖6。

圖6 自控清污工作流程示意圖

5 創新特色及工程應用

扇形回轉式自控攔污柵不同于現有攔污柵的單一結構型式，將豎直結構和扇形結構合為一體，加載自動控制工作系統，創新特色及工程應用在于：

(1)結構創新。不同于傳統平面直立式攔污柵，扇形回轉式自控攔污柵由豎直攔污柵、機動清污斜面網和擋污扇面網組成。

(2)利用水流沖力集污。在水流沖力的作用下，利用機動清污斜面網與河道水面形成的緩傾角，使污物自動匯集于機動清污斜面網上。

(3)清污不停機。清污過程中擋污扇面網始終與豎向攔污柵保持良好的相切關系。污物無法翻過攔污柵，攔污柵在清污的同時能正常過水，停機清污的頻率得到極大降低，進而保障機組正常運行發電。

(4)自動控制化。加載監控、作業、報警及檢修的自動控制系統，配備污物運輸皮帶、柵面前后水位感應系統等自控設備，減少人工作業并提高運行穩定性。

(5)應用面廣。扇形回轉式自控攔污柵能夠應用于各類在建的水利工程和已投入運行但清污功能欠佳的水利工程。

6 結 語

攔污柵在工程運行中易于產生污物柵前匯集現象且較難清除，因此，筆者對攔污柵的結構形式進行創新設計。根據扇形回轉式自控攔污柵結構及工作原理，筆者提出一種集攔污、集污、清污功能于一體，加載自動控制系統，能夠解決攔污柵堵塞現象的扇形回轉式自控攔污柵設計方案。扇形回轉式自控攔污柵清污方便及時，能更好保障工程運行，降低了停機清污的可能性，提高工作效率，保證了攔污柵的工作平穩性，具有較為顯著的工程實用價值與經濟效益。