水工建筑物拦污栅设计关键技术

水工建筑物拦污栅设计关键技术摘要取水输水建筑物中，拦污栅是不可缺少的设备。在泵站、水电站和船闸输水廊道的进水口一般设置拦污栅，用以拦阻水流中所挟带的污物，使污物不易流入引水道内，以保护机组、闸门、阀及管道不受损害，保证机组等设备、结构的安全运行。关键词水工建筑物；拦污栅；设计；关键技术0引言拦污栅的布置得当与否，对建筑物和拦污栅自身的安全运行是非常重要的。如果布置不妥当，会在经济上、运行管理上造成很大的损失和不便。布置和设计拦污栅时，应尽可能地利用水流流向及地形等有利条件，尽量避免污物进入进水口，以减轻对拦污栅的威胁；要求过栅水流平顺，水头损失小；此外，应考虑清污方便，便于安装、检修及更换。在寒冷地区，必要时应采取有效措施，以防止拦污栅结冰或被冰屑堵塞。拦污栅宜设置清污平台。对于污物严重的河流，在做枢纽整体模型试验时，应对拦污栅进行定性观测和试验。1水工建筑物拦污栅的布置形式1）拦污栅的布置形式：根据河流中污物的性质、数量以及对清污的要求等来确定，在污物较少的地区，可设置一道拦污栅，在污物较多的地区，宜考虑排污设施，并宜考虑设两道拦污栅或采用连通式布置，此外尚应设置有效的清污及卸污设施。拦污栅在平面上的布置形状有直线、折线、曲线、多边形布置等形式。当污物不多而进水口过流面积足够大时，一般采用直线布置；当污物较多，进水口为了获得较大的过水面积和降低过栅流速，可采用折线、曲线布置；当进水口为伸入水库中的塔式结构时，拦污栅则沿塔身周围布置，在平面上呈多边形。拦污栅在立面上有垂直置放和倾斜置放。垂直置放可以缩短进水口建筑物的长度，减少建筑物的投资，平面上采用折线、曲线、多边形布置的一般采用垂直置放；对于位于深水之下的进水口，其拦污栅受冰冻和污物堵塞的机会相对较少，一般不要求机械清污，其拦污栅一般垂直置放。高度不是太大的进水口的拦污栅，可采用倾斜置放，拦污栅倾斜置放较垂直置放扩大了栅面，因而降低了流速，减少了水头损失，并可提高清污机的清污效果；2）拦污栅设置：在进水口检修闸门和工作闸门的上游。有时也可将拦污栅设置在工作闸门和检修闸门之间，这时因受空间尺寸限制，拦污栅一般只能垂直置放，这种布置拦污栅可在孔口内检修。由于拦污栅和检修闸门不同时使用，为布置紧凑，有的进水口两者共用一个闸槽，这种布置形式虽节省了一道栅槽，但也增大了检修闸门的尺寸，其操作也不方便。在污物较多而又不便于设置机械清污的进水口，可设置两道拦污栅，以便于轮换提出水面清除污物。在污物特别严重的大中型电站中，可将进水口布置成连通式或分段连通式。当某孔拦污栅被污物局部堵塞时，其他孔口可向该孔口补充水流，以保证机组的正常运行。拦污栅可做成固定的或活动的。固定式拦污栅是用地脚螺栓将栅叶固定在栅槽内，但固定式拦污栅检修和清污困难，出现事故也不易处理，因此，拦污栅宜做成活动式的，以便提出孔口来维修、更换；3）拦污栅结构布置：拦污栅包括栅叶和栅槽埋件两部分。栅叶是由栅面和支承框架构成，栅面是数块栅片连接排列而成，栅片由平行置放的金属栅条连接而成，连接的方式有螺栓连接和焊接两种。螺栓连接的拦污栅，是一种栅片和栅条均可拆卸和更换的拦污栅，其栅片是用长螺栓将平行置放的栅条贯穿于一起。为了保持栅条间距，在栅条间设置等距的间隔环，长螺栓两端用螺帽旋紧。栅片用U形螺栓固定在支承框架上。焊接连接的拦污栅是不可拆卸的焊接结构，其栅条与肋板焊接在一起构成栅片，栅片上的栅条则直接焊在支承框架上，形成了栅面。这种结构形式的拦污栅不仅可以加强拦污栅的整体刚度，同时也简化了制造拦污栅的工艺流程，在工程实践中较常用。栅条一般用扁钢制成，其截面常为矩形，有时为了减小水头损失，可采用流线形截面。对于矩形截面的栅条，其高度不宜大于12倍厚度，也不宜小于50mm；栅条的侧向支承间距不宜大于70倍栅条厚度。有清污要求的拦污栅，应满足耙齿进入栅面的要求。拦污栅支承框架的结构与平面闸门一样，由主梁、边梁、纵向联结系和支承等组成，但构件较轻。当主梁高度较大时，为了增加拦污栅的横向刚度，可在主梁之间加设横向联系构件。对于高度大的拦污栅，为了便于安装及运输，可以分节设置，分节的高度一般在3.5m以下。节与节之间的连接可在边梁腹板上用连接板和轴相连，并应考虑起吊拦污栅时的锁定装置小起吊设备的容量，节与节之间可不设连接装置，但起吊设备应配置自动挂脱梁，如果拦污栅有机械清污的要求，节与节之间应设导向定位装置，使得节间栅条对齐，以免卡阻清污机的清污耙。框架的主梁与边梁应等高布置，主梁的间距应按等荷载要求确定，并应考虑栅条的强度与稳定。主梁的形式应根据跨度及荷载而采用轧成梁、组合梁或桁架。当主梁跨度较小时采用轧成梁，对于中等跨度的拦污栅一般采用工字形组合梁，对于跨度较大的拦污栅可以采用桁架式主梁。桁架式梁多用平行弦桁架，节间数目为偶数，跨中对称，桁架高度一般为桁架跨度的1/7〜1/8。为减少水头损失，主梁可采用流线形轮廓。拦污栅的支承一般采用滑动支承，当要求在一定水头下动水提栅时，为了减少启闭力，也可采用轮式支承。拱形拦污栅的栅面结构与普通拦污栅相同，其支承框架采用拱形结构。3水工建筑物拦污栅的水头损失及流速设计技术1）水头损失：水流通过拦污栅，入口水流或多或少都有撞击损失，过流断面也有一个收缩和扩散的过程，由此产生的水头损失，与流速、栅条的形状及水流方向等有关；2）拦污栅的过栅流速：当引用流量一定时，拦污栅孔口尺寸决定过栅流速。水流速度大，水头损失也大，清污较困难，但拦污栅孔口尺寸可减小，造价可降低。相反，水流速度小，拦污栅孔口尺寸将增大，则造价提高。对于泵站、水电站进水口的拦污栅，其过栅流速可参考：采用人工清污时，宜取0.6m/s〜0.8m/s；采用机械清污时宜取0.8m/s〜1.0m/s；不考虑清污时宜取0.5m/s。对于高水头坝后式水电站，拦污栅一般布置在水下较深处，通常没有水下清污要求，与低水头电站相比，其过栅水头损失在总水头中所占比例较小，因而可适当选用较高的过栅流速。4水工建筑物拦污栅的设计1）拦污栅栅条间距：拦污栅栅条间距不宜过大，过大则会通过有害污物，起不到保护机组的作用；也不宜过小，过小则易于堵塞，加大水头损失。因此栅条的间距应根据水泵、水轮机的形式及转轮直径以及污物性质、数量等选择最大允许值。拦污栅栅条间距一般大于50mm，小于200mm。一般大型混流式和轴流式水轮机的导叶间隙较大，较大的污物可以通过；而小型的，尤其是冲击式水轮机，只有细小的污物才能穿行。泵站进水口的拦污栅栅条间距：对于轴流泵，可取D/20；对于混流泵和离心泵，可取D/30；2）拦污栅的结构计算：作用在拦污栅上的荷载包括：作用在栅面上的水压力，流水及原木对栅面的撞击力，机械清污机具作用在栅面上的附加荷载，以及拦污栅的自重等。拦污栅设计荷载主要决定于栅面的水压差。在正常工作状态下，作用在拦污栅上的荷载是水流通过拦污栅时所形成的上下游水位差，其数值常为几厘米至几十厘米。如果存在污物，则压差将增加。当拦污栅被污物和冰冻完全封堵时，拦污栅将承受单方向的全部水头。这在电站运行上及拦污栅受力上是不允许的。所以必须采取有效的清污及防冻措施，来保证拦污栅不被完全封堵。引水发电系统的拦污栅的设计荷载，应按栅面局部堵塞考虑，设计水位差一般采用2m〜4m。对于河床式和引水式电站的拦污栅，一般可选取较大的水头差；高水头坝后式电站的拦污栅，则可选取较小的压差。5结论工程实践为水工建筑物拦污栅的设计在现代设备及材料和现代技术应用方面提供了难能可贵的实践经验。作为具有现代知