洪家渡水电站锚固式拦漂排布置与优化设计

罗德武

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081）

水电站库区污物以漂浮物为主，在未泄洪状态下大部分污物随水流漂浮至引水发电进水口拦污栅前，若清污不及时容易造成拦污栅堵塞，影响发电机组出力，严重时损坏拦污栅结构，威胁机组安全运行。为减轻进水口拦污栅前的拦污、清污压力，国内外新建水电站大部分均考虑了库区设置拦漂排，许多已建电站经过多年运行，亦提出增设拦漂排的需求，作为库区拦污、清污的第一道设施。

1 工程概况

洪家渡水电站位于乌江北源六冲河下游，是乌江梯级“龙头”电站，电站装机600 MW，总库容49.47 亿m3，调节库容33.61 亿m3，设计洪水位1141.43 m，正常蓄水位1140 m，死水位1076 m，属多年调节水库。随着上游库区养殖与旅游业的兴起，污物逐渐增多，随水流漂浮至电站进水口、溢洪道及大坝前；且近坝库区设有多家工业企业的浮动式泵站取水点，对库区水域的清洁提出了更高要求。为保障电站的安全运行，有效拦截库区漂浮物，洪家渡水电站需在库区增设一道拦漂排。

2 拦漂排方案比选

洪家渡水电站为乌江梯级的“龙头”电站，无通航要求，坝前库区河道较宽，水库运行水位变幅达64 m，漂浮物以生活垃圾、树木及其他单体漂浮杂物为主。根据库区规划和现场地形、地质勘查情况，拦漂排横跨库区主河道，设于溢洪道上游，两端直线距离460 m，拟定了两种钢浮箱型式的拦漂排方案。

2.1 方案一：两端锚固型式

拦漂排由端部锚固墩、连接钢丝绳、浮箱、浮箱连接座等组成。中间若干钢浮箱铰接串连形成柔性链状水面拦漂结构，两端部连接钢丝绳锚固于库区左、右岸混凝土张拉墩，锚固点高程为设计洪水位高程。由于库区水位变幅较大，拦漂排设计驰度100 m，以满足库区水位变化时拦漂排仍能随水位变化而升降运行。方案一布置型式见图1。

图1 拦漂排方案一（上游立视）

2.2 方案二：两端导轨升降型式

拦漂排由端部导轨、浮箱梁、过渡浮箱、浮箱、浮箱连接座等组成。端部浮箱梁与过渡浮箱连接，在其自身浮力及过渡浮箱浮力作用下随库区水位变化在导轨内上下移动，中间若干钢浮箱铰接串连形成柔性链状结构浮于水面，设计弛度40 m。浮箱底部迎水面挂水下拦污栅，可拦截水面以下1.5 m 范围内污物，浮箱挂拦污栅后倾斜可在浮箱内加混凝土配重保证平衡。端部导轨底槛高程1074 m，顶部高程1146 m，以此保证拦漂排能随库水位变化而升降运行。方案二布置型式见图2。

图2 拦漂排方案二（上游立视）

2.3 拦漂排方案比选

洪家渡水电站为“龙头”电站，库容大，河道跨度宽，运行水位变幅高，结合工程实际情况分析了上述两种方案的各自特点。

方案一（锚固型式）：施工方便，均为水上作业，施工期对库水位无特殊要求；土建开挖及混凝土工程量较少；拦漂排设计驰度较大，能够满足库区的运行水位变幅，但当水位较锚固点高程下降较多时，两端部有浮箱搁浅河岸，拦漂效果较好。

方案二（导轨升降型式）：施工难度大，需在库区低水位运行的窗口期施工，且存在水下作业；土建开挖及混凝土工程量大；拦漂排能随水位变化整体升降，拦漂效果好。

两种方案的工程量及经济指标对比见表1。

表1 工程量及经济指标对比表

方案二拦漂效果虽更好，但其施工难度大，土建部分特别是土石方开挖工程量较大，工程投资约为方案一的4 倍，因此洪家渡电站库区拦漂排布置型式采用方案一。

3 荷载分析与计算

3.1 工况与荷载组合

拦漂排所承受外力主要为水流、波浪、风及污物对浮箱的荷载，冰、雪荷载相对其他主要载荷较小，可忽略不计。洪家渡电站拦漂排以库区水位为工况分类基准，拟定了各工况的运行条件及荷载组合见表2。

表2 拦漂排各工况运行条件及荷载组合

3.2 荷载计算

（1）水流作用在拦漂排水面以下结构的水平荷载[1]：

式中：Kc为水流阻力系数，取1.8；γc为水的重度，取10000 N/m3；hc为浮箱的入水深度，取0.43 m；v水为水流速，根据各工况分别取值。

（2）风作用在拦漂排水面以上结构的水平荷载[1]：

式中：Ka为空气流阻力系数，取1.9；γa为空气的重度，取12.64 N/m3；ha为浮箱的出水高度，取0.57 m；v风为计算风速，取14 m/s。

（3）根据《水工建筑物荷载设计规范》，当挡水建筑物迎水面前水深H＞Hcr和H＞Lm/2 时，挡水建筑物单位长度上的浪压力值[2]：

式中：Pwk单位长度迎水面上的浪压力；Lm平均波长；h1%累积频率为1%的波高；hz波浪中心线至计算水位的高度；H 挡水建筑物迎水面前的水深；η 为考虑只有部分浪压力作用在拦污排上而引入的波浪压力集度修正系数，0.0＜η≤1.0。

（4）拦漂排张拉力计算

为计算拦漂排各运行工况下的最大张力，假设拦漂排同时受到的水流、风和波浪三种主要荷载，且风的方向与水流方向一致，同时考虑拦漂排500 N/m 的拦污能力。计算得出拦漂排各运行工况下的荷载及张拉力见表3。

表3 各工况荷载及张拉力

由表3 可知，当库区水位在设计洪水位时，机组满发加最大泄洪流量下，拦漂排同时受水流、风和波浪的荷载值最大，且受载跨度最长，因此以拦漂排在工况3 运行条件下的张拉力作为结构设计的控制条件。

4 拦漂排结构优化设计

针对两端锚固式拦漂排的布置情况，当库区水位降低时两端部有部分浮箱搁浅河岸边，易损坏浮箱结构，对拦漂排运行是安全隐患。因此，对拦漂排结构做了以下优化设计及分析：

（1）在浮箱上、下游面设置吊耳，张拉绳穿过每个浮箱吊耳后锚固于两端张拉墩，浮箱所受水流、风、波浪、污物冲击等荷载传至张拉绳，张拉绳作为拦漂排的主要受力部件；

（2）浮箱上、下游面分别挂于张拉绳上，可避免因水流冲击浮箱发生翻转或倾斜；

（3）由于浮箱不承载张拉力，浮箱框架工字钢型号及面板厚度均减小，浮箱之间的连接轴直径减小，节省钢材重量约90 t；

（4）浮箱与浮箱之间采用十字交叉的铰接结构，能提供水平与竖直方向的转动自由度，形成高度柔性的链状系统，避免因水位变化时，浮箱之间因自由度干涉而破坏浮箱结构；

（5）两端距离锚固点50 m 范围内挂设塑料浮箱替代钢浮箱，避免水位下降时刚浮箱搁浅河岸而损坏，节省钢材重量约56 t。

拦漂排结构优化设计后的细部结构见图3。

图3 拦漂排细部结构（俯视）

5 结语

洪家渡水电站库区拦漂排建成以来，拦漂效果较好，有效降低了引水发电进水口的拦污、清污压力。两端锚固式拦漂排通过结构优化设计，采用张拉绳作为主要受力部件，钢浮箱挂设于张拉绳上，在保证拦漂效果的同时，工程投资更省，施工更便利。目前国内外水电站库区拦漂排型式各异，本工程的拦漂排布置型式、结构设计，对其他水位变幅大、河道较宽的水利水电工程具有借鉴推广意义。