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

中图分类号tv73 文献标识码a 文章编号 1674—6708（2012）76—0143—02

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50 mm，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