余健 劉蕊 錢玉英 何敏

1 工程概況

豐寧抽水蓄能電站位于河北省豐寧滿族自治縣境內(nèi)，工程規(guī)模為一等大（1）型，總裝機(jī)容量3 600 MW，電站具有周調(diào)節(jié)性能，建成后在京津及冀北電網(wǎng)系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相和事故備用任務(wù)。樞紐工程主要由上、下水庫，一、二期工程輸水系統(tǒng)和地下廠房系統(tǒng)等主要建筑物組成[1]。下水庫進(jìn)/出水口位于下水庫的左岸，一、二期工程分開獨(dú)立布置，距下水庫攔河壩分別約2.5 km和2.2 km。下水庫進(jìn)/出水口采用岸邊側(cè)式，攔污柵清污采用提柵清污方式，本工程原設(shè)計(jì)方案采用永久門機(jī)方式提柵，門機(jī)布置在1 069 m高程攔污柵檢修平臺上。對于下水庫泥沙淤積問題，在下水庫庫尾設(shè)置攔沙壩，將下水庫分成蓄能專用庫和攔沙庫。灤河上游的污物被攔沙壩擋在攔沙庫內(nèi)，經(jīng)分析，下水庫進(jìn)/出水口攔污柵處污物較少，攔污柵基本不需要提柵清污。本文研究攔污柵啟閉方式及排架體型的設(shè)計(jì)優(yōu)化，有利于節(jié)省工程投資和縮短建設(shè)工期。

2 門機(jī)提柵方案

2.1 攔污柵排架布置

下水庫進(jìn)/出水口采用岸邊側(cè)式，進(jìn)/出水口沿抽水水流方向依次為防渦梁段、調(diào)整段、擴(kuò)散段，全長為63.15 m，底板高程為1 026.0 m。每個(gè)進(jìn)/出水口設(shè)3個(gè)分流墩，將進(jìn)/出水口分成4孔。為防止污物進(jìn)入機(jī)組，在防渦梁段與調(diào)整段之間設(shè)置攔污柵，攔污柵排架為混凝土框架結(jié)構(gòu)，高31.5 m，排架上方布置攔污柵檢修平臺，平臺高程為1 069 m，檢修平臺兩側(cè)各設(shè)置1座交通橋與2號公路連接，4座橋梁的橋跨布置均為單跨25 m簡支預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋。下水庫進(jìn)/出水口原設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

2.2 攔污柵檢修及清污方式

汛期下水庫會存留一定的天然污物，為防止在抽水工況時(shí)污物進(jìn)入流道，影響機(jī)組運(yùn)行，在下水庫進(jìn)/出水口設(shè)1道攔污柵。每個(gè)下水庫進(jìn)/出水口由隔墩分成4孔，一、二期共6個(gè)下水庫進(jìn)/出水口，共24孔，每孔設(shè)1扇攔污柵，另配置2扇備用攔污柵，共設(shè)置26扇攔污柵。

由于抽水蓄能電站攔污柵受雙向水流作用，攔污柵的設(shè)計(jì)除需滿足強(qiáng)度和剛度要求外，還需滿足抗振要求。攔污柵采用平面滑動楔緊方式支承，即將攔污柵槽設(shè)計(jì)成單邊“V”形，通過滑塊與“V”形槽的楔緊力將攔污柵緊固，這種緊固方式可以提高攔污柵整體的自振頻率，最大限度地減小攔污柵產(chǎn)生振動的可能性[2]。根據(jù)運(yùn)輸要求，將攔污柵沿高度方向分為3個(gè)運(yùn)輸單元，節(jié)間采用連接板鉸接，每扇攔污柵自重約25 t。其中備用攔污柵分為2節(jié)懸掛在2孔口上方檢修平臺處。攔污柵柵槽采用I型門槽，設(shè)有主軌、反軌、副軌、側(cè)底坎等埋件。攔污柵清污采用提柵清污方式，在1 069.00 m檢修平臺上設(shè)置1臺630 kN單向門式啟閉機(jī)配合自動掛脫梁起吊攔污柵，單向門機(jī)總揚(yáng)程為39 m，其中軌上揚(yáng)程為9 m，攔污柵整體起吊分兩節(jié)吊運(yùn)。門機(jī)的操作方式為現(xiàn)地操作[3]。

3 攔污柵提柵方式設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 下水庫污物來源分析

豐寧抽水蓄能電站下水庫污物一般為混合物，主要發(fā)生在汛期和初期蓄水期，汛期漂浮物主要來自于陸地面被雨水沖刷后帶入灤河中的雜物；初期蓄水期的漂浮物則主要是來源于蓄水期間被淹沒的專用庫兩岸植被等。水庫的污物主要可以分為兩部分：一部分是浮在水面、可順?biāo)髁飨蚝惋L(fēng)向飄動的漂浮物，主要包括地表植物莖葉、農(nóng)作物秸稈、生活垃圾、工業(yè)廢棄物、家畜尸體及水生植物等，這部分污物占污物總量的80%左右；另一部分是懸浮在水中，可隨水流游弋的懸浮物，主要包括枯木、樹根等。

3.2 攔污柵門機(jī)取消可行性研究

下水庫進(jìn)/出水口原設(shè)計(jì)方案在攔污柵平臺設(shè)置門式啟閉機(jī)，主要作用是可根據(jù)進(jìn)/出水口處污物的聚集情況，隨時(shí)通過起吊攔污柵對進(jìn)/出水口前的污物進(jìn)行清理，避免較大污物進(jìn)入機(jī)組影響發(fā)電。攔污柵清污的頻率根據(jù)運(yùn)行期下水庫和進(jìn)/出水口前污物的數(shù)量，結(jié)合運(yùn)行的要求分時(shí)分階段進(jìn)行清污[4]。其優(yōu)點(diǎn)主要是不受水位限制，可隨時(shí)進(jìn)行提柵檢修。根據(jù)國內(nèi)已建抽水蓄能電站實(shí)際運(yùn)行實(shí)例，目前已建的十三陵、天荒坪、西龍池、瑯琊山、張河灣、蒲石河、宜興、呼蓄等抽水蓄能電站的攔污柵大部分沒有進(jìn)行檢修或1～2次提柵試運(yùn)行，也就是說攔污柵實(shí)際檢修頻率很低。

若取消門機(jī)，從清污方面來說，需要采用其它方法對污物進(jìn)行清理，可通過對下水庫污物的監(jiān)控。在汛期，分析下水庫污物的來源，從源頭進(jìn)行清理措施，攔截一部分污物不進(jìn)入下庫。對于進(jìn)入下水庫的污物，要根據(jù)其分布情況，適時(shí)地進(jìn)行清理，防止污物在攔污柵前聚集，進(jìn)而影響機(jī)組的運(yùn)行；在通過攔沙庫溢洪道補(bǔ)水前，也需要對攔沙庫的污物進(jìn)行清理。上述污物清理，可通過人工或采用機(jī)器人清污的方式進(jìn)行。從攔污柵檢修和維護(hù)方面來說，需要根據(jù)調(diào)度和運(yùn)行的需要，將庫水位降低到某一高程，在檢修平臺攔污柵孔口上方采用臨時(shí)起重設(shè)備（含架子及起吊設(shè)備）通過鎖定在檢修平臺的拉桿，將攔污柵分節(jié)提出檢修平臺，并將攔污柵運(yùn)送到檢修平臺右側(cè)端部，再通過汽車起重機(jī)將攔污柵吊送至1 069 m平臺進(jìn)行檢修維護(hù)。然后再將備用攔污柵通過上述過程放置于孔口內(nèi)，防止抽水工況時(shí)污物進(jìn)入流道。

綜上，下庫的污物是必然存在的，無論是否采用門機(jī)，為保證電站機(jī)組的正常運(yùn)行，都需要對下庫的污物進(jìn)行清理，是方法問題，不存在技術(shù)問題。

4 臨時(shí)提柵方案

4.1 攔污柵排架布置

豐寧抽水蓄能電站下水庫進(jìn)/出水口攔污柵提柵方式經(jīng)設(shè)計(jì)優(yōu)化取消永久門機(jī)后，為保障后期攔污柵具備檢修條件，攔污柵孔口上方仍保留檢修平臺。根據(jù)豐寧抽水蓄能電站可行性研究階段設(shè)計(jì)成果，電站上水庫、下水庫每周均放空1次，蓄滿1次。電站下水庫最低蓄水位為死水位1 042 m。下水庫水損備用庫容為120萬m3，冰凍庫容為243萬m3，考慮水損備用庫容與冰凍庫容持續(xù)蓄在死水位以上，則下水庫發(fā)電最低水位為1 043.99 m。電站建成投產(chǎn)后，上、下水庫的水位狀態(tài)與實(shí)際調(diào)度運(yùn)用情況密切相關(guān)[5]?？裳须A段應(yīng)用電源優(yōu)化程序?qū)ωS寧抽水蓄能電站設(shè)計(jì)水平年2025年在京津及冀北電網(wǎng)中進(jìn)行了運(yùn)行模擬，模擬時(shí)間為1年52周，每周168 h，共8 736個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，對模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，豐寧抽水蓄能電站下水庫的水位出現(xiàn)頻次及發(fā)生概率詳見表1。

表1 下水庫的水位出現(xiàn)頻次及發(fā)生概率統(tǒng)計(jì)表

結(jié)合下水庫進(jìn)/出水口布置，攔污柵兩側(cè)開挖邊坡以1 047 m高程為界，以上為1∶0.5坡比，以下為直立邊坡。綜合表1中下水庫各個(gè)水位在運(yùn)行期中出現(xiàn)的頻率，平臺高程擬定為1 047 m，取消檢修平臺與2號公路之間的交通橋，后期檢修時(shí)需采用臨時(shí)措施將設(shè)備送到檢修平臺。同時(shí)利用現(xiàn)有開挖邊坡，結(jié)合貼坡混凝土設(shè)置簡易的步道，方便檢修人員到達(dá)檢修平臺上進(jìn)行檢修工作。檢修平臺和簡易步道上設(shè)置活動欄桿，保證工作人員的人身安全。

4.2 攔污柵吊裝所用汽車起重機(jī)選型

一期工程下水庫進(jìn)/出水口攔污柵軸線方向在1 068.8 m平臺上設(shè)計(jì)跨度為103.64 m，根據(jù)目前實(shí)測資料，現(xiàn)場開挖完成后實(shí)際跨度為121.42 m，左側(cè)、右側(cè)平臺至1 047 m攔污柵檢修平臺的直立邊墻距離分別為25.3 m和14.1 m。二期工程下水庫進(jìn)/出水口攔污柵軸線方向在1 068.8 m平臺上設(shè)計(jì)跨度為114.54 m，根據(jù)目前實(shí)測資料，現(xiàn)場開挖完成后實(shí)際跨度為149.19 m，左側(cè)、右側(cè)平臺至1 047 m攔污柵檢修平臺的直立邊墻距離分別為35.3 m和32.0 m。下水庫進(jìn)/出水口攔污柵吊裝可通過1 068.8 m平臺至1 045 m攔污柵檢修平臺的直立邊墻的距離較短的一邊進(jìn)行檢修。

一期工程下水庫進(jìn)/出水口汽車起重機(jī)參數(shù)需滿足起吊幅度超過14.1 m（右側(cè)較短邊），起吊最大質(zhì)量約8 t。參考100 t汽車起重機(jī)資料，全配置作業(yè)情況下，臂長38.2 m，在起吊幅度為16 m時(shí)，起吊質(zhì)量為9.4 t，基本能夠滿足一期工程下水庫進(jìn)/出水口攔污柵吊裝要求；參考150 t汽車起重機(jī)資料，全配置作業(yè)情況下，臂長50.26 m，在起吊幅度為32 m時(shí)，起吊質(zhì)量為8 t，則150 t汽車起重機(jī)能夠滿足下水庫一期進(jìn)/出水口攔污柵在左、右側(cè)平臺吊裝要求?？紤]必要的保證率，將攔污柵分節(jié)（攔污柵共分為3節(jié)，單節(jié)重約8 t）提出檢修平臺，建議采用150 t汽車起重機(jī)。

二期工程下水庫進(jìn)/出水口汽車起重機(jī)參數(shù)需滿足起吊幅度超過32 m（右側(cè)較短邊），起吊最大質(zhì)量約8 t。參考200 t汽車起重機(jī)資料，在配重55 t支腿全伸情況下，臂長52.71 m，在起吊幅度為38 m時(shí)，起吊質(zhì)量為9 t；所以200 t汽車起重機(jī)能夠滿足下水庫二期進(jìn)/出水口攔污柵吊裝要求。如采用150 t汽車起重機(jī)，則需在二期右側(cè)平臺向進(jìn)/出水口方向澆筑直立牢固混凝土邊墻約5 m?？紤]到攔污柵提柵的頻率較低，將攔污柵分節(jié)（攔污柵共分為3節(jié)，單節(jié)質(zhì)量約8 t）提出檢修平臺，建議采用200 t汽車起重機(jī)。

4.3 攔污柵檢修及清污方式

豐寧抽水蓄能電站下水庫進(jìn)/出水口攔污柵提柵方式經(jīng)設(shè)計(jì)優(yōu)化調(diào)整后取消門機(jī)，但攔污柵的布置型式保持不變，門槽頂高程由原來的1 069 m降低為1 047 m，在高程1 047 m處設(shè)置檢修平臺?？紤]到1 047 m平臺長期位于水下，不適合在檢修平臺處存放備用攔污柵，因此需要另設(shè)倉庫存放備用攔污柵，而攔污柵的檢修和維護(hù)均采用臨時(shí)起吊設(shè)備操作。

根據(jù)污物來源分析可知，電站運(yùn)行期可能會有少部分污物隨水流直接聚集在進(jìn)/出水口水下部分的攔污柵前，抽水工況時(shí)便會有極少部分污物掛在攔污柵柵條上。因此電站投運(yùn)后應(yīng)對水下運(yùn)行的攔污柵污物情況進(jìn)行定期觀測，根據(jù)觀測結(jié)果并綜合考慮調(diào)度和運(yùn)行需要，對攔污柵進(jìn)行清污并檢查[6]。清污前需要將庫水位降至1 047 m以下，通過汽車起重機(jī)把所需設(shè)備運(yùn)送到1 047 m檢修平臺，然后在檢修平臺搭建排架并安裝臨時(shí)起吊設(shè)備后，將攔污柵起吊分節(jié)進(jìn)行清污，若發(fā)現(xiàn)攔污柵柵葉受損（變形、損壞、掉漆等）則需要將分節(jié)后的攔污柵運(yùn)送至檢修平臺右側(cè)端部，通過汽車起重機(jī)將攔污柵吊運(yùn)至1 069 m平臺進(jìn)行檢修維護(hù)。然后通過上述方式將備用攔污柵送至1 047 m檢修平臺并放置于孔口，防止抽水工況時(shí)污物進(jìn)入流道。按此方式對24孔攔污柵逐次進(jìn)行檢修和維護(hù)。該方案攔污柵的檢修時(shí)間可能比較長，但可最大程度減少由于攔污柵的檢修對電站運(yùn)行帶來的影響。

5 工程投資分析

河北豐寧抽水蓄能電站下水庫進(jìn)/出水口攔污柵門機(jī)提柵方案布置包括攔污柵排架及平臺、連接交通橋、金屬結(jié)構(gòu)（門機(jī)、軌道、攔污柵柵葉、柵槽及鎖定梁）設(shè)備費(fèi)和安裝費(fèi)等，臨時(shí)提柵方案包括攔污柵排架及平臺、金屬結(jié)構(gòu)（攔污柵柵葉、柵槽、拉桿及鎖定梁）設(shè)備費(fèi)和安裝費(fèi)。2種攔污柵提柵方案工程投資對比情況見表2。

表2 下水庫進(jìn)/出水口攔污柵工程2種提柵方式投資分析對比表 萬元

由表2的投資對比情況可知，攔污柵檢修由門機(jī)提柵方案調(diào)整為臨時(shí)提柵方案，可以節(jié)省工程投資2 714.02萬元，同時(shí)對現(xiàn)場施工工期是有利的。

6 結(jié)語

從豐寧抽水蓄能電站下水庫專用蓄能庫的污物來源分析，采取相應(yīng)的隔離和清污措施，可保證下水庫進(jìn)/出水口處污物較少，攔污柵污物清理頻次較低，攔污柵啟閉方式經(jīng)過設(shè)計(jì)優(yōu)化取消門式啟閉機(jī)起吊方案是可行的。攔污柵檢修采用臨時(shí)起吊方案，一期采用150 t汽車起重機(jī)，二期采用200 t汽車起重機(jī)，滿足清污及檢修條件；另外攔污柵排架從1 069 m降至1 047 m，取消工作橋的施工，節(jié)省投資2 714.02萬元，大幅降低工程造價(jià)成本，提高了施工企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)加快了下水庫進(jìn)/出水口的施工進(jìn)度，縮短了項(xiàng)目建設(shè)工期，其成果可為國內(nèi)大型蓄能電站下水庫進(jìn)/出水口攔污柵啟閉方式提供工程實(shí)例和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。