浅谈蜀河水电站机组进水口拦污栅技术改造

浅谈蜀河水电站机组进水口拦污栅技术改造

周智民

（大唐蜀河水力发电厂陕西旬阳725721）

摘要：蜀河水电站为国内少有的厂顶溢流式厂房，设计及运行较为复杂，在工程设计及施工阶段，机组进水口拦污栅按照常规思路进行设计和制造，在2010年的“7.19”、“7.24”洪水中厂房表孔泄洪时，部分拦污栅从栅槽逸出沿厂表流道落入尾水渠。设计院经模型试验后采取了一系列的措施，2011年对六台机组拦污栅进行了技术改造，至今运行良好。笔者曾参加和负责了拦污栅技术改造的方案讨论及具体施工等工作，体会颇深。现整理成文，以求和同行们共同探讨，为今后此类工程提供借鉴意义。

关键词：机组进水口拦污栅技术改造

1．工程概况

蜀河水电站位于陕西省旬阳县境内的汉江上游干流上，坝址在旬阳县蜀河镇上游约1km处，距旬阳县城51km，距上游已建的安康水电站约120km，距下游已建的丹江口水电站约200km，是汉江上游梯级开发规划中的第六个梯级电站，是陕西汉江投资开发有限公司开发建设的第二个水电站。

蜀河水电站工程的主要任务是发电，并兼顾航运等。主要承担陕西电网的调峰、调频以及事故备用等任务。工程规模为二等大（2）型，主要建筑物按百年一遇洪水设计，千年一遇洪水校核，相应洪峰流量分别为30000m3/s和38100m3/s。设计洪水位为222.05m、校核洪水位为227.15m（总库容为3.235亿m3）、正常蓄水位217.30m（相应库容1.76亿m3）、死水位为215.00m、汛期排沙水位为212.00m。坝顶高程230m，坝顶长度290m，最大坝高72m。调节库容为0.24亿m3，为日调节水电站。

蜀河水电站为砼重力闸坝、厂顶溢流式厂房，安装六台灯泡贯流式水轮发电机组，单机容量45MW，总装机容量270MW，保证出力57.4MW，年平均发电量9.53亿kW.h，年利用小时3530h。枢纽建筑物从右至左由右副坝表孔坝段（1孔）、泄洪闸表孔兼垂直升船机坝段（1孔）、泄洪闸表孔坝段（4孔）、导墙坝段、厂房坝段（厂房表孔6孔，下部机组6台）、安装间表孔坝段（安装间右表孔1孔、安装间左表孔1孔）等组成。

2．进水口拦污栅原设计安装情况

蜀河水电站引水发电系统六台机共设置六条引水道（上部设置6孔厂房表孔），每条引水道由进口至向下游分别设置一道拦污栅、一道进口检修闸门、一道出口事故检修闸门及196m厂表流道底板设置两扇防水钢盖板。其中拦污栅和进口检修闸门共槽，发电时拦污栅落下，检修闸门提起放置门库；检修时将拦污栅提起，检修闸门落下封水。拦污栅、机组检修闸门采用2×1600kN坝顶门机主钩操作，清污抓斗静水清污。

拦污栅布置在引水道进口，潜孔，栅槽中心桩号为坝下0+003.800，共六孔，孔口宽12m、高19m，底坎高程172.5m。栅槽采用矩形槽，宽1.1m、深0.6m，由主、反轨及底坎组成。拦污栅为平面直立式钢结构，设计水头4m，支撑跨度12.8m，双吊点，栅体分7节，每节高2.8m，节间销轴连接，栅条布置在上游面（栅条净距200mm，栅条高度100mm，栅条厚度10mm），支承于主梁上，迎水面为半圆形。主滑块采用钢基铜塑滑块，反向滑块采用铸铁滑块，总重量93吨。由西北勘测设计研究院设计，水电十六局制造，水电十一局安装。

3．机组进水口拦污栅逸出情况及模型试验情况

3.1机组进水口拦污栅逸出情况

蜀河水电站为国内少见的厂顶溢流式厂房，机组进水口拦污栅按照常规设计和制造。2010年7~9月，蜀河水电站遭遇“7.19”洪水（入库洪峰流量24400m³／s）、“7.24”洪水（入库洪峰流量12200m³／s），厂顶溢流过程中，导致1~3号机组进水口拦污栅共计20节栅叶（每扇7节，共21节）从栅槽逸出，沿196流道落至下游尾水渠内。

发生洪水时1号至4号机组均已投产发电，拦污栅处于工作状态；5号、6号机组尚未投产发电，拦污栅尚未入槽工作，由检修闸门封水。1#机拦污栅有6节栅叶出槽丢失，仅有底节仍在门槽内。2#和3#机组拦污栅全部丢失。1#~3#台机组3扇拦污栅共21节栅叶，有20节出槽丢失，且全部落入尾水渠。根据现场了解和观察拦污栅的落点（残骸位置）、各节扇体破坏变形、侧档变形等情况可以看出如下现象：

（1）缺失的拦污栅是通过厂房表孔流道被洪水带入尾水渠；（2）拦污栅是分节出槽，一节一节落入尾水渠；（3）栅叶两侧的侧档弧面有5~10mm的变形；（4）顶节垂直向变形最大，最大矢高（或拱度）约1.5m；（5）除一个销轴和连接板与栅叶挂接外，其它均已脱落，均未找到；（6）侧滑块有明显的划痕。

3.2机组进水口拦污栅模型试验情况

为了研究拦污栅出槽的原因，制定修复处理方案，设计院对“7.19”和”7.24洪水”进行了模型试验，对栅前流态分布、流速、栅格梁受力情况进行定性和定量的分析。制作1：50单体模型2个，其中包括一孔机组泄水道和厂房表孔，两侧闸墩。为了进一步了解拦污栅的受力情况，观察进水口及拦污栅的流态，制作1：25的局部模型1个，模型两边采用透明有机玻璃制作。

模型试验目的：（1）研究各种工况下进水口拦污栅上、下游的水流流态、流速，拦污栅主梁腹板上的受力情况等水力学参数；（2）根据设计院提供的拦污栅栅叶结构形式和栅槽形式，分析原拦污栅从栅槽中脱出的原因；（3）研究拦沙坎体型及拦污栅结构修改后，拦污栅是否有脱槽的可能，是否需要增加配重；（4）结合整体模型试验结果，提出有利于拦污栅稳定的厂房溢流表孔运行方式，提供安全运行指南。

模型试验情况：泄洪水流经过拦沙坎后，表层水流顺利通过厂房溢流表孔下泄，而底层水流受起伏较大的引水渠底坡影响，使得进水口前水流非常紊乱，对拦污栅栅叶及主梁产生脉动冲击，使其产生上下跳跃和左右摆动。在第一节拦污栅处有明显的向上的行近流速，在其作用下，上下跳动的拦污栅很容易被抬升，横在溢流表孔流道前，有部分栅节脱出栅槽，被水流从表孔冲向下游。放水后检查发现，大部分拦污栅栅节被抬升，离开其原始位置；有数节拦污栅被冲向下游，其中有两节被冲至尾水渠外，其余皆落在尾水渠内。

3.3机组进水口拦污栅逸出的原因分析

结合模型试验，定性和定量分析了拦污栅破坏和出槽的原因：

（1）由于上游纵向导墙缩短，致使引水渠底坡变陡；拦沙坎及引水渠下游坡面“Z”字形基坑施工道路，致使在坝前下部水流产生横向水流。因此，导致坝前下部水流产生上下、左右翻滚，流态非常紊乱，拦污栅在门槽内随之产生强烈的上下跳跃和左右振动。如此复杂的流态是工程设计及初期运行所未料到的。

（2）拦污栅出槽和破坏是在栅前横向和垂向水流共同作用下产生的。其出槽和破坏的过程极有可能是：一是在横向水流的频繁持续作用下，拦污栅整体在门槽内产生左右强烈的、持续的振动，将限位钢筋剪断，然后销轴松动、脱落或基本脱落。二是在拦污栅上部，向上的水流作用在拦污栅主梁上，将拦污栅沿门槽整体或几节一起向上托举。当达到196m高程以上时，受泄洪水流的冲击后，各节销轴脱落，栅叶变形脱槽，被冲向下游尾水渠。这两个过程可能同时或者交叉发生。

（3）1#拦污栅是在“7.19洪水”时，产生出槽破坏的。2#拦污栅在“7.19”洪水期间也发生了（至少是部分）出槽破坏形象。2#和3#拦污栅是在“7.19”洪水或“7.24”洪水期间破坏的。

4．技术改造方案及实施过程

通过大比尺模型试验及数值计算，复核原设计、研究拦污栅出槽破坏的机理，验证拦污栅运行的安全可靠性，对拦污栅的设计进行优化，提出改进措施，为拦污栅修复处理方案提供依据，确保工程运行安全。

4.1技术改造方案

（1）在栅叶主梁腹板开大孔，增加开孔面积，减少水流上托力。拦污栅主梁为水平布置的，高度（水平方向）1.2m，在不增加栅叶阻水面积和不削弱栅叶强度的前提下，增加主梁的开孔面积，减少水流着力面积，进而减少水流的上托力。原拦污栅主梁只开了漏水孔，开孔面积仅为主梁面积的1.6%，修改后开孔面积增加到37%。

（2）增加拦污栅单节以及整体的竖向强度和刚度。原拦污栅由7节栅叶通过两端的销轴连接。现通过在主梁腹板上增加T型梁、增大竖向斜拉桁架杆件的截面尺寸等方式增加了单节拦污栅的竖向强度和刚度；并且将7节柔性连接改为2大节分别刚性连接的方式，即上部4节节间采用桁架焊接为一个整体，下部3节节间采用桁架焊接为一个整体，两大节间仍采用销轴连接的方式，满足门机起吊要求，同时改进了销轴的固定方法，使节间连接更加可靠。通过上述措施极大增加了拦污栅的竖向强度和刚度。

（3）增加配重。经过以上修改后，模型试验对拦污栅主梁腹板受力情况进行了观测。结果表明，在宣泄设计洪水时，拦污栅仍有上浮出槽的可能。因此，在满足门机起吊能力的条件下，结合模型试验定量测试的结果，为了防止设计洪水下，拦污栅发生出槽情况，在每扇拦污栅上增加配重约42t，总重量达到150吨。

4.2施工过程

由于临近汛期和尽快投运发电，为了节约资金和加快进度，在生产厂家制作三扇新栅（1号至3号机组），同时在蜀河水电站现场改造三扇旧栅（4号至6号机组），由原拦污栅制造单位水电十六局承担。2011年3月25日，设计院出具正式设计图纸。4月10日，召开设计图纸技术交底会。4月25日，水电十六局进驻施工现场。6月7日、6月25日、8月2日，第一、二、三扇旧栅技改安装完毕；6月29日、7月10日、7月17日，第一、二、三扇新栅制作安装完毕。

该工程从4月10日开工，8月2日全面完工，历时115天。在工程施工过程中，设计、业主单位人员同心协力、紧盯进度、牢控环节，及时协调解决施工中遇到的各种困难，落实资金、协调厂家，及时消除坝顶门机缺陷，抓好现场安全，把好质量关。施工单位参加人员加班加点，克服场地狭小、焊接量大、工艺复杂、大件运输等难题。通过大家共同努力，最终圆满、安全的完成了六台机组拦污栅技改、制作工程。

5.技术改造效果

技术改造后的六台机组进水口拦污栅，历经8次厂顶过流（最大洪水17800m3/s），经2011年11月至2017年3月每次机组小修提栅检查，未发现异常和破坏，运行状况良好，表明拦污栅技术改造成功，为机组安全运行提供了可靠保证。

6.结束语

蜀河水电站为国内少有的厂顶溢流式厂房、大型灯泡贯流式电站，设计及运行复杂，无成熟经验依照设计，拦污栅按照常规经验设计和制造，在2010年的“7.19”、“7.24”洪水中厂房表孔泄洪时，部分拦污栅从栅槽逸出沿厂表流道落入尾水渠。设计院经模型试验后针对性的采取了一系列的工程措施，对六台机组拦污栅进行了技术改造，有效的解决了厂表泄洪时拦污栅出槽损坏问题，经6年来8次厂顶过流验证，至今运行良好，为今后解决类似工程问题提供了一定的借鉴作用。此类问题应引起有关水电工程设计人员的高度重视，以免类似现象的再次发生，最大限度地保证机组的安全稳定运行。