水电站进水口拦污漂大修方案设计研究

摘要：针对景洪水电站进水口拦污漂运行卡阻问题进行分析研究，提出了完整的改造修补方案。首先采用电子设备对拦污漂进行检测及诊断，明确修补改造部位及指标；其次分析拦污漂运行卡阻、局部漏污、连接轴松脱等问题，创新地提出了一种十字轴浮体联接装置及其他改造措施；最后提出改造过程中拦污漂拆卸安装工序及拦污漂后期运行建议。景洪水电站进水口拦污漂大修后运行正常，取得良好的经济效益。

关键词：水电站；拦污漂；十字轴；修补改造

1 工程概况

景洪水电站为澜沧江干流中下游河段水电开发梯级规划八级电站中的第6 级，位于云南省西双版纳傣族自治州首府景洪市北郊约5km处，总装机容量为1750MW［1 ］。在库区进水口前设置了趸船式自动升降拦污漂，拦污漂由51 个小浮箱、2 个端部大浮箱、2 个滑车装置等组成，拦污栅两端点直线距离为348.9m，设计最大平均流速＜1m/s，运行水位区间为591 ～610m，拦污栅导槽总长为23m［2-4 ］。进水口拦污漂从2008 年景洪水电站第一台机组发电至今已服役10+a，一直未开展检修维护，主要存在以下问题：① 拦污漂两端大浮箱联接的滑车装置运动不顺畅，当水位变幅较大时滑车装置经常卡阻，造成拦污漂漂体连接部位受力变形，存在严重安全隐患啊；② 拦污漂浮箱底部和浮箱之间拦污格栅部分已损坏，严重影响拦污功效；③ 拦污漂各漂体水下金属结构自安装后未开展检测及防腐处理。拦污漂损坏或拦污效果不佳会造成污物积累至进水口拦污栅，造成拦污栅前后差压过大，直接降低机组效率，增加清污作业强度，甚至造成拦污栅承载超过设计值而垮塌，危及机组运行安全［5-8 ］。

2 拦污漂检测及诊断

拦污漂检测项目由5 个部分组成：巡视检查、外观形态检测、腐蚀检测、无损检测、拦污漂拉力检测。检测设备主要有无线应变片及测试系统、数字超声波探伤仪、数字涂层测厚仪、焊缝检验尺、数码相机、钢卷尺、笔记本等。检测人员对拦污漂外观、焊缝、连接点轴板、防腐涂层、连接点拉力等项目进行检测，确定改造修补部位。景洪拦污漂最主要问题是端部滑车在导槽内出现卡阻，无法及时随库区水位变化自动升降，最终导致两端浮体连接吊耳弯曲变形甚至断裂。

3 端部滑车卡阻分析

根据景洪电厂进水口的现场巡检结果，端部滑车状况如下：左侧轮架上（码头侧）主轮、侧轮均无转动痕迹；右侧轮架上（大坝侧）主轮、侧轮均无转动痕迹。端部滑车卡阻是由多方面原因综合造成的，分析卡阻原因将是改造修补的关键环节。端部滑车结构见图1 。1 ）拦污漂长时间未进行大修维护，滑车主、侧轮长期浸泡在潮湿、轻度泥沙、冷热交替环境中且轴套润滑不及时，滚轮及轴套存在较严重的锈蚀磨损。尤其轴套损坏将显著增大滚轮旋转摩擦力，甚至导致滚轮卡死拖行［6-7 ］。2 ）在图1 中，导槽轨道之间分别留有5mm间隙，侧轮与左右导槽轨道之间分别留有5mm间隙。根据现场检测，认为滑车导槽制造安装精度较差，主侧轮与导槽间隙明显大于设计理论值。另外滑车与大浮箱通过吊耳轴联接，滑车所承受的实际拉力必定与拉轴线成一定倾斜角θ，分力F2 将导致滑车发生扭转，扭转中心应以下游侧轮轮毂边缘点R0 。扭转后导致主滚轮踏面与导槽轨道之间的接触区域发生变化，从理论上的滚轮整体踏面到轮边缘，扭转角δ小于倾斜角θ，见图2 、3 。扭转后的主侧轮受力倾斜不均衡，加速轴套端部的磨损破坏。3 ）在图4 中，滑车和端部大浮箱通过上下两个吊耳与轴刚性联接，吊耳间距1400mm。滑车在拦污漂实际运行中要承受拉力、摩擦力、浮力重力比差异等因素，滑车和大浮箱在水位变化时上下运动不同步（差异较大）。因浮力重力比差异等因素，大浮箱和小浮箱在水位变化时上下运动亦不同步（差异较小），小浮箱拉力Ff应有小角度倾斜，传递到滑车两个吊耳后产生一个倾覆力矩M1 。另一方面，大浮箱可能存在本体的浮力不均衡（浮心和重心不重合），大浮箱存在一个倾覆力矩M2 。综上所述，当水位上升时，滑车与大浮箱的上升速度虽然理论上有差异，但在大浮箱底部支架滑块的上托力作用下克服摩擦力与大浮箱最终实现同步上浮。当水位下降时，滑车与大浮箱的下降速度有差异（大浮箱下降较快），倾覆力矩M1 和M2 将增大。在滑车主轮正常工作时（无磨损），滑车通过自重和大浮箱通过吊耳传递过来的下压力克服滚轮摩擦力（滚动）和倾覆力矩，滑车会被动跟随大浮箱的位移，倾覆力矩又恢复至较小的平衡状态。在滑车主轮非正常工作时（磨损达到一定程度摩擦系数较大），滑车无法通过自重和大浮箱通过吊耳传递过来的下压力克服滚轮摩擦力（滑动），滑车卡阻。滑车与大浮箱的位移差较大，倾覆力矩将急剧增加。大浮箱吊耳板逐步出现弯曲变形，滑车的受力状态急剧恶化，极可能形成一种几何犄角受力状态而完全卡死。4 ）在图4 中，滑车和端部大浮箱通过上下两个吊耳与轴刚性联接，吊耳间距1400mm。当大浮箱不可避免的发生轻度倾覆动作时（因波浪、顶部活载等引起），约束过多易导致大浮箱吊耳板变形损坏。

4 拦污漂大修方案设计

根据进水口拦污漂设备现状、检测分析成果及端部滑车卡阻分析，景洪拦污漂主要进行如下改造修补工作：端部滑车装置改造修补、浮箱改造修补、拦污格栅修补、滑车导槽修补、漂体重新防腐等。

4.1 拦污漂滑车装置改造修补

1 ）将滑车主、侧轮轴套更换为SKF纤维缠绕轴套。SKF纤维缠绕轴套由缠绕而成的多层树脂和纤维制成，这种复合材料专门用于存在重载、振动和腐蚀的环境中。SKF纤维缠绕轴套承载能力高（达140N/mm2/200N/mm2 动载/静载），可抗冲击载荷并抗振，能承受边际应力集中和不对中，免维护运行，耐腐蚀，卓越的摩擦性能，电绝缘性能良好。2 ）更换端部滑车上除轮架结构外的所有可拆卸部件，包括滑块装置、轮轴、轴端挡板、挡圈等。矫正修复轮架主体框架结构，进行整体焊缝探伤（超声波探伤）、补焊、防腐。对滑车外围边缘形状（例如与导槽墙体距离较近的侧轮座板等）进行局部切除倒圆角处理。3 ）针对端部滑车装置存在受力方向不正引起的轻度偏斜扭转现象，将主、侧轮由原圆柱型滚轮更换为双曲率型滚轮以适应滑车装置轻度偏斜扭转，改善滚轮受力状态，有助于解决运行卡阻问题。4 ）将滑车与大浮箱之间的两个联接点改造为一个联接点，创新地采用十字轴联接。采用一个设置于滚轮中部的联接点将有利于上下滚轮受力均匀。十字联接轴限制滑车和大浮箱的吊点之间的相对距离和相对扭转翻转（因滑车被约束在导槽内），但允许大浮箱相对滑车有两个方向转动（水流向和水平面法向）。

4.2 浮箱改造修补

主要包含巡视检查、焊缝无损探伤（采用超声波探伤；探伤范围为漂体外表面焊缝及吊耳板焊缝）、浮箱连接部位变形检查、连接销孔磨损检查；对裂纹区域进行补焊处理，对变形部位视情况更换或校正，对磨损严重的销孔进行打磨恢复光洁度。补齐缺失零件（螺栓螺母等）。施工人员应进入大浮箱内部进行密封性检查，如发现细微漏水口应进行补焊封堵。检修进人孔盖板连接方式改造：将大浮箱进人孔现有焊接连接更改为螺栓连接方式，便于临时检查。上下游侧各5 个漂体间设置安全吊耳（1 个漂体设4 个安全吊耳，安全吊耳焊接在漂体端部，拦污漂检修装配后用钢丝绳将安全吊耳联接）。所有漂体之间的连接轴加装防脱落板。

4.3 拦污格栅修补

对所有小浮箱底部固定拦污格栅进行检修矫正，如有损坏严重或遗失应更换或补设。在浮箱间和下游侧（电站进水口）10 个迎水面增设柔性拦污网，保留漂体底部固定拦污格栅。柔性拦污网悬挂于漂体侧边（迎水面），便于运行期间提起清污。浮箱与柔性拦污网之间采用钢丝绳索悬挂联接，柔性拦污网底部均匀悬挂8 个10kg小铁球以使拦污网在水下一直处于垂直拦污状态。柔性拦污网可通过预留绳索拉拽旋转90 °左右，以便于人工清理格栅上的污物。同时在增设侧面柔性拦污网的漂体上（背水面）配置与柔性拦污网等重的配重块，现场进行调平试验后安装固定。所有漂体联接区域增设柔性拦污网，其顶底边框宜做成柔性结构，当柔性拦污网悬挂在浮体之间便能适应浮体相对转动挤压而不损坏。

4.4 滑车导槽修补

对导槽外观进行检查，针对有磨损痕迹的部位测量平面度，对平面度不足的部位进行修复。对导槽埋件分段联接处错台进行圆滑过渡处理。上游侧（码头）导槽旁爬梯加装防护笼（高程604m至612m）。对拦污漂滑车导槽在常规运行区段的完好性进行全面检查。左侧（码头侧）埋件在高程597m水位处存在陈旧性缺口，缺口深度45mm；导槽缺口可根据当时库区水位情况择机进行焊接补缺修复。上下游导槽（露水面）自高程591m至612m可根据当时库区水位情况择机进行防腐。

5 大修拆装工序及后期运行建议

在拦污漂大修期间，为尽量减少对电厂发电生产的影响，应对物资仓库的2 个拦污漂小浮箱备品进行全面检查，确认各部位焊缝完好无裂纹，对浮箱进行防腐处理，安装拦污漂底部拦污格栅，作为检修备用。工作拦污漂解体工序：拆除拦污漂小浮箱之间的联接销，每次拆除2 个，并使用钢丝绳临时联接现有的2 个备用拦污漂小浮箱，以保证拦污漂功能正常。重复以上方法完成51 个小浮箱全部解体检修。拦污漂大小漂体解体后全部运送至进水口处利用坝顶门机吊出，吊出后进行整体探伤、补焊、防腐。上游侧（码头）滑车与大浮箱解体后，在导槽顶部612m高程平台施工单位应设置设计载荷为2 ×20t吊装门型架用于滑车起吊出槽。该门型架在拦污漂改造施工期作为临时起吊设备，改造结束后予以保留备用。后期运行建议：拦污漂后期应定期（2a左右）解锁提出滑车进行加注润滑油、检查轴套磨损情况、清除滚轮运动副中的杂质；定期巡检大浮箱及滑车运行顺畅度；定期清理拦污格栅上的污物。中长定期（10a）对拦污漂进行一次大修维护作业。

6 结语

1 ）水利水电工程中常在库区进水口前设置了趸船式自动升降拦污漂，随着工作时间增加，拦污漂两端滑车装置运动经常不顺畅，当水位变幅较大时滑车装置经常在轨槽内发生卡阻无法自动升降，存在严重安全隐患。通过以上改造修补措施，全面解决拦污漂运行检修难题。2 ）创新性地提出拦污漂浮体之间采用十字轴及附件联接，滑车主侧轮采用双曲率踏面，可释放浮体、滑车装置更多相对自由度，改善滑车装置受力条件以解决滑车装置在轨槽内卡阻问题。3 ）综合性地提出拦污漂大修拆装工序及后期运行建议。

［1 ］艾京，丁波.景洪水电站进水口垂直升降式拦污漂设计［J］.云南水力发电，2017，（5 ）:80-85.

［2 ］李玲云，闫会宗.景洪水电站垂直升降式拦污漂设计［J］.三角洲，2014，（5 ）:138-139.

［3 ］徐远杰，杨建东，陈辉春，等.水电站进水口漂浮式拦污排张力计算［J］.水利学报，2005，36 （3 ）:47-52.

［4 ］郑金泰.新型柔性拦污排在水口水电站的应用［J］.科技风，2011，（20 ）:127-128.

［5 ］阙剑生，黄海杨.赵山渡引水工程拦污栅堵塞及处理［J］.水利水电技术，2009，40 （11 ）:120-123.

［6 ］周坤.水电站进水口浮式拦污排的应用与设计刍议［J］.红水河，2012，31 （6 ）:5-9.

［7 ］水电站机电设计手册-金属结构：一［M］.北京:中国水利水电出版社，1986.

［8 ］黄文理，郑峰，富旭平.赵山渡水力发电厂清污系统的故障排除［J］.人民长江，2009，40 （17 ）:40-41.

［9 ］王建新，殷亮，彭育.水电站进水口拦污漂结构设计及稳定分析研究［J］.浙江水利科技，2016，204 （2 ）:83-85.

［10 ］吕飞鸣.桑河二级水电站拦污漂设计［J］.云南水力发电，2018，34 （1 ）:68-71.