感潮河段适应水位变化自升降拦污设施应用研究

孙超君 张宜亮 张 辉

(江苏省秦淮河水利工程管理处，江苏 南京 210022)

河道水面上的漂浮物顺流而下，易聚集在河道凹岸、拦河坝、泵站前，不仅对沿江水质、水面景观、供水、航运等产生不利影响，还会降低泵站运行效益，对枢纽工程运行安全构成威胁[1]。拦污设施是在水电站、泵站、水库中布置的专门用于拦截污浮物以保证工程运行安全的设施。常规情况下，水位变幅较小时，拦污设施一般采用两端牵引式结构，在拦污范围的两端各设置固定锚固结构，由拦污排体自动调节适应水位的小幅变化。随着我国水利工程的建设发展，拦污设施在传统两端固定牵引式结构的基础上做了一定的改进，瀑布沟水电站通过人工调整不同高程的岸边挂桩位置来适应水位变化，但人工改变挂桩位置运行安全风险高，且操作时受水位气象条件影响较大[2-6]；小湾水电站采用人工操作卷扬机调节以适应水位变化，但需要人员不间断地现场值守，长期使用不方便[7]。

随着水利工程的不断建设和发展，拦污设施还需要具有适应水位变化、经济适用、操作方便等特点。感潮河段引水工程的特点是水位变幅大，而水草等漂浮物体重轻、面积大、数量多，受水位的影响大，水位高时，水草可从上方进入工程管理区；水位低时，水草可以从下方进入工程管理区，起不到拦污效果。因此，在感潮河段不适合采用传统的两岸固定牵引式拦污装置，需专门研究适应水位变化自升降的拦污设施才能保证拦污效果。

1 工程概况

秦淮新河水利枢纽工程位于南京市雨花台区秦淮新河入江口处，由一座大型节制闸和一座大型泵站组成，采用闸、站结合的布置形式，是秦淮河流域主要控制工程之一，具有防洪、排涝、抗旱、改善城市水环境、保障生态水位、航运等多种功能[8]。

秦淮新河泵站建成于1982年，为双向灌排两用泵站，灌排设计流量均为50m3/s，灌溉设计扬程2.5m，排涝设计扬程2.0m，2级水工建筑物，采用平面S形流道、快速闸门断流。泵站正常蓄水期设计水位3.65m，防洪期设计水位11.47m，变幅达7.82m。

近年来，由于水体富营养化等原因，在河道出现成片生长的水生植物凤眼莲(又名水葫芦)，其茎叶悬垂于水上，蘖枝匍匐于水面，繁殖迅速，人工清理工作强度大、难度高。为保证秦淮河水环境，维持秦淮河流域生态水位，秦淮新河泵站全年常态化运行，2020年全年开机运行232天，抽引江水5.3亿m3。因水葫芦等污浮物积聚在泵站进水口拦污栅处(见图1)，拦污栅前堆积的污物不能及时清理，增加了拦污栅前后的水位差，使得拦污栅易发生阻塞，水流通过拦污栅产生水力损失，增加了泵站运行能量消耗，引起水泵汽蚀、机组振动等危害，对泵站的安全运行造成隐患。目前采用的解决方案是频繁地开停机，人工打捞水草等漂浮物，这种方法不仅费时费力费工费钱，而且影响机组运行，效果甚微。因此，为有效拦阻水草，在泵站进水口拦污栅前增设拦污设施是必要的。

图1 未安装拦污设施时泵站进水口照片

2 设计需求分析

秦淮新河泵站建设年代久远，没有配套相应的拦污设施且无法改造，结合秦淮新河泵站水位变幅情况(约8m)，考虑不破坏现有建筑物结构，结合工程运行需求，研究采用“固定滑动槽+拦污设施端部连接装置”的方案。其中，两岸拦污设施连接装置随水位升降控制技术方案有人工操作、自动化控制和水力自升降控制3种。

a.人工操作。人工操作卷扬机，使拦污设施升降，但水位日间变化幅度大，安排人工值班增加人力消耗成本，费力费工费钱，如操作不准确易破坏拦污设施。因此，人工操作不满足工程运行要求。

b.自动化控制。加装自动化测控系统，根据自动测量的水位情况自动控制固定连接装置升降。该方法建设投入资金较大，且水位自动测量设备易损坏，还需专人进行日常维护，运行成本高。

c.水力自升降控制，利用水的浮托力带动固定连接装置升降。该方法不需要专人维护，建设投入资金少，日常维护工作量小，维修保养费用较低，性价比高，维护方便[9]。

秦淮新河泵站需全年常态化运行，经比选，拦污设施选用水力自升降控制技术方案，在泵站两侧安装滑动槽，一侧安装在泵站翼墙，另一侧安装在泵站导流墩上，利用水的浮托力带动拦污设施升降。

3 拦污设施结构布置

水力自升降控制拦污设施由左右岸滑动槽、端部水力自升降装置、钢丝绳、拦污排组成(见图2)；拦污排由浮筒、尼龙绳网和铅坠组成，浮筒下挂尼龙绳网，下挂铅坠。在端部水力自升降装置浮力的带动下，水力自升降装置随水位变化在左右岸固定滑动槽内自由上下移动，带动拦污排上下移动，自动调整悬链线矢高以适应不用的水位高度。

图2 拦污设施组成结构1-左右岸滑动槽；2-端部水力自升降装置；3-拦污排；4-钢丝绳

3.1 滑动槽设计

目前常用的拦污设施滑动槽与墙面固定的方式是螺纹固定，而该装置常年与水面接触，螺纹连接处易产生锈蚀现象，导致滑动槽更换拆除时可能会因锈蚀变得困难费力，加大工作时间。为解决这个问题，安装滑动槽时设置缓冲装置(见图3)，装置包括套杆、转杆、转轴、第一伸缩杆、第二伸缩杆、弹簧、第一把手、固定块、插杆、限位块和插槽，需要将固定板拆卸时，可以先拉动第一把手，从而带动第二伸缩杆在第一伸缩杆内向右移动，使插接在插槽内的插杆脱离插槽，此时因为固定板前端设置有套杆、转杆和转轴，且转轴焊接有第一伸缩杆的缘故，可以将第一伸缩杆转动至左侧，从而使限位块与第一伸缩杆形成的限位结构解除，此时固定板与辅助块解除固定关系，从而使装置能够成功拆卸。通过此装置有效避免了螺钉螺母固定可能产生锈蚀导致难以拆卸的问题，安装、拆卸快捷便利，极大节省了操作人员的时间，省时省力，而且延长了设施的使用寿命。

图3 滑动槽装置结构示意图1-滑动槽；2-滑动槽口；3-翼墙墙面；4-固定板；5-第一把手；6-第二伸缩杆；7-第一伸缩杆；8-转杆；9-转轴；10-套杆；11-弹簧；12-辅助块；13-限位块；14-插槽；15-插杆；16-固定块

3.2 端部水力自升降装置设计

端部水力自升降装置连接拦污排和翼墙(导流墩)固定滑动槽，并提供拦污排端部装置随水位自由升降的牵引力，由构架、滑轮、吊耳等组成(见图4)。滑轮共设置有6组，且每组滑轮设置有3个，便于升降装置在滑动槽内部滑动，在浮力的带动下，升降装置随水位变化在滑动槽内自由沿垂直方向移动，带动拦污排沿垂直方向移动，自动调整钢丝绳矢高以适应不用的水位高度，使用性能佳。其受力包括装置产生的浮力、装置重力、浮筒牵引荷载产生的摩擦力等，水力自升降的原理如下：

图4 端部水力自升降装置结构示意图1-滑动槽；2-构架；3-滑轮；4-吊耳

a.水位上升时，浮力>重力+摩擦力，装置随水位自动上升。

b.水位下降时，重力>摩擦力+浮力，装置随水位自动下降。

c.自身浮力维持其连接轴高程与拦污设施浮筒连接轴高程保持一致。

端部连接装置牵引钢丝绳，钢丝绳两端用锚头锚固，钢丝绳可随水位高低变化在滑动槽内上下滑动；滑动产生的恒定拉力使拦污设施钢丝绳保持设计张力，处于张紧状态。

3.3 拦污排设计

拦污排主要由浮筒组成，采用线性低密度聚乙烯浮筒，一次成型无焊接缝，内部填充聚氨酯泡沫，具有不吸水不易变形、耐冲击碰撞、抗腐蚀氧化等优点，除遇强自然力及人为的不当使用，不需要保养、维修等费用，性价比高，维护方便，具体参数见表1。

表1 浮筒性能参数

浮桶静止在水中时，水平方向主要受到水流力和钢丝绳的牵引力，浮筒受到的水流力按下式估算[4]：

(1)

式中：Fm为浮筒受到的水流力，kN；Cm为浮筒水流阻力系数；ρ为水密度，t/m3；v为水流速度，m/s；A为浮筒水下部分垂直于水流方向的投影面价，m2。

单只浮桶受到的上下游水流力分别按下式估算：

(2)

(3)

水草等漂浮物浮力小、体积大、数量多，易从浮筒下部进入工程区域，因此，为拦截水中漂浮物并实现高效拦污，在拦污浮筒上挂50cm深、网孔5cm的规格的尼龙绳网，确保阻拦水草效果，有效提升拦污排的拦污能力，从而提升装置的整体实用性；在浮筒下侧安装配重块，配重块选用300g的铅坠，且水边处浮筒下安装配重块4块，中间每只浮筒下装配2块(见图5)，通过设置配重块保障浮筒运行工况下整体平衡以及尼龙绳网的垂直度，通过配重力矩、浮筒浮力力矩与水流力矩来实现受力平衡，防止拦污排翻转。

图5 拦污排结构示意图1-拦污排；2-浮筒；3-钢丝绳；4-尼龙绳网；5-配重块

4 应用情况

根据现场地形条件，设计高水位时泵站进水口水面宽度约30m，历史最大流量为70.9m3/s，对应断面面积约210m2，对应流速为0.34m/s。该设施的主要功能是阻拦水草进入工程区域，无须高强拦截能力，而流速较小，故选用φ8钢丝绳，设1道。拦污设施滑动槽左右岸对称布置，滑动槽布置高程为3.0～12.0m，滑动槽长9m，拦污排由30只浮筒通过钢丝绳连接而成，在浮筒上挂50cm深、网孔5cm的尼龙绳网；放置300g的铅坠加大配重。左右岸水边处浮筒下安装配重块4块，其他每只浮筒下装配2块。在设计低水位泵站停机时安装拦污设施，尽可能减少对引江调水工程的影响，选配适当体积和浮力的浮筒，调整钢丝绳至完全阻挡进水口以适合拦阻水草。

2019年10月30日，秦淮新河泵闸拦污设施安装完成并投入运行。截至2021年11月，拦污工程已运行2个主汛期，系统运行性能稳定，在水位发生变化时，端部水力自升降装置利用水的浮托力带动固定连接装置升降，维持钢丝绳始终处于张紧状态，时刻呈良好状态，阻拦水草成效明显(见图6)；创新性提出的在拦污浮筒上挂长度适中的尼龙绳网以及在浮筒下侧安装配重块的改造，不仅通过配重力矩、浮筒浮力力矩与水流力矩来实现拦污排受力平衡，防止拦污排翻转，而且能有效拦截水面以下的杂物，为工程安全运行提供保障。

图6 安装拦污设施前后秦淮新河泵站前池对比

5 结 语

a.因水葫芦等污浮物积聚在泵站进水口拦污栅处，使得拦污栅发生阻塞，增加了拦污栅前后的水位差， 增大水流对拦污栅的冲击力，导致水泵效率降低，增加了泵站运行能量消耗，引起水泵汽蚀、机组振动等问题，影响水流流态，对泵站安全运行造成隐患。泵站被迫多次停机人工打捞水草等漂浮物，这种方法不仅费时费力费工费钱，而且效果甚微。安装拦污设施后，不仅能有效改善泵站进水口水流条件，明显提高工程运行效率，而且降低了人工打捞水草难度，不需要机组停机操作，大大降低了设备运行成本，为工程安全运行提供保障。

b.秦淮新河泵站全年常态化运行抽引江水，运行期平均补水流量不少于30m3/s。往年每周停机8h人工打捞水草，对保证流域生态水位有一定影响。安装该拦污设施后，大大减少了每年泵站机组因打捞水草增加的停机时间，有效保证了秦淮河生态水位和生态基流，国考、省考断面水质持续优于考核标准。为维护河湖良好生态环境、充分发挥水利综合效益、全力保护流域水生态环境提供了有力保障。

c.秦淮新河泵站建设年代久远，没有配套相应的拦污设施且无法改造，传统拦污设施需改造基础，造价较高，且后期运行费用较高。改造后的拦污设施不仅初期建设投资少，施工难度相对较小，结构安装简单，造价低廉，拦截水草效果明显，见效快；而且该设施投入运行后不需要人工操作，运行成本低，日常维护工作量小，维修保养费用低、性价比高，维护方便[10]。适应水位变化自升降拦污设施为解决感潮河段水工建筑物拦污问题提供了可靠、高效的新方案，可在不适合建设传统拦污设施的工程中应用，具有一定的推广价值。