洪一水电站闸首底格栏栅改造技术研究与应用

1. 引言

1.1 研究背景

洪一水电站位于四川松林河流域，其闸首采用底格栏栅取水方式。根据安顺场（二）水文站实测资料，松林河多年平均悬移质输沙量达142万t，河床卵石、块石粒径一般为30～50cm，较大者达1m左右。这种水文地质条件对取水设施提出了严峻挑战‌1。原有底格栏栅系统在运行中暴露出两个突出问题：一是汛期砾石冲击导致栅条变形破坏，有害物质进入渠道威胁机组安全；二是2020年改造后因钢板加工精度及堵塞问题，实际取水量仅为设计值（15.3m³/s）的20%左右。

1.2 研究意义

底格栏栅作为水电站取水系统的关键部件，其性能直接影响电站发电效益和设备安全。根据魏刚（2001）对389家企业的研究，技术改造项目的成功实施可显著提升设施运行效率‌。本研究通过技术创新解决洪一电站取水难题，不仅具有工程实践价值，也为高含沙河流水电站设计提供了案例参考。根据《水利水电工程钢闸门制造安装规范》（GB/T 14173），栏栅结构需同时满足强度、过流效率及耐久性要求。本研究通过材料创新与结构优化，解决传统设计在强冲磨环境下的适应性不足问题，对高含沙流域水电站改造具有示范价值‌。

1.3 研究内容与方法

本文基于现场调研和流体力学计算，提出新型底格栏栅技术方案，主要内容包括：

结构设计优化，材料选择与制造工艺、施工组织与安全保障、工程效果评估、

研究方法结合理论分析、数值模拟和工程实践，遵循GB/T 14173、NB/T 35045等行业规范‌。

‌创新点：‌

‌倒梯形栅条组合‌：单栅条由2块Mn16高锰钢板（1854×100×10-18mm）与Ø6.5圆钢焊接组成，顶宽18mm，上端栅隙20mm，下端25mm；

‌模块化安装‌：单块尺寸475×1864mm（重200kg），通过"L"型台阶焊接固定，整体平整度误差≤2mm；

‌抗冲磨防护‌：上下游铺设Mn16高锰钢护板（铺盖层500mm宽，护坦300mm宽）。‌力学验证公式：‌

栅条抗冲击强度按式（1）验算：

σ=FA≤[σ]σ=AF​≤[σ]

其中，F为单颗卵石冲击力（取最大值1kN），A为有效承载面积（18mm×100mm），[σ]为Mn16许用应力（350MPa）‌。

2. 现状问题分析

2.1 工程概况

洪一水电站闸首溢流坝段总长25m，其中底格栏栅坝长22m。设计参数为：

坝底高程：1527.00m，坝顶高程：1534.224m，底格栏栅顶高程：1533.424m

最大引用流量：15.3m³/s（相应坝前水位1533.974m）

原栅条为倒梯形钢板，顶宽2cm，栅隙1cm，采用双排进水廊道设计，考虑30%堵塞系数。

2.2 存在问题

2.2.1 结构损伤

汛期河水夹带砾石冲击导致：栅条塑性变形，连接部位开裂，锚固系统松动。

2.2.2 性能退化

2020年改用30mm厚钢板后出现：栅隙堵塞率超60%，实际取水量仅3m³/s，

廊道流速分布不均。

2.2.3 维护成本高

需定期停机检修，年均维护费用达8万元。

2.3 技术需求

改造工程需实现以下目标：

恢复设计取水能力（15.3m³/s）

使用寿命≥5年

抗冲击性能提升50%

维护周期延长至2年

3. 技术改造方案

3.1 总体设计

采用模块化设计思路，主要创新点包括：

‌3.1.1 结构参数优化‌

单张格栅尺寸：475mm×1864mm（约200kg/块）

栅条组合：2块Mn16钢板（1854×100×10-18mm）+Ø6.5圆钢

栅隙尺寸：顶宽18mm，上端20mm，下端25mm

‌3.1.2 材料升级‌

主体材料：Mn16高锰钢（抗拉强度≥800MPa）

连接件：16Mn钢（屈服强度≥345MPa）

‌防腐处理‌：Sa2.5级喷砂除锈+环氧富锌底漆（80μm）+聚氨酯面漆（60μm）。

材料选型

‌对比分析（表1）：‌

数据表明，Mn16虽成本较高，但耐磨性为常规材料的6.8倍，全生命周期成本更低‌。

‌3.1.3 水力特性改良‌

进水角度调整为10°

增设导流棱体

双廊道流量分配优化

水力学计算

采用《水力学计算手册》进行流量验证：

Q=μ⋅b⋅e⋅2gH0Q=μ⋅b⋅e⋅2gH0​​

式中：μ为流量系数（取0.65），b为栏栅总宽（22m），e为栅隙（20mm），H0为堰上水头（0.55m）。计算得Q=15.7m³/s＞设计值15.3m³/s，满足要求‌。

3.2 详细设计

3.2.1 栅条系统

如图1所示，新型栅条采用"V型钢板+圆钢"复合结构：

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图1 栅条组合截面图（单位：cm）

钢板倾角：60°

圆钢定位：与上端口齐平

焊接要求：V口下部满焊（焊根5mm）

3.2.2 安装结构

采用"L型台阶+锚固钢板"体系：

基础处理：细石混凝土找平（强度C25）

锚杆规格：φ20螺纹钢（埋深≥800mm）

连接钢板：300mm宽15mm厚

3.2.3 辅助设施

‌防冲系统‌：

铺盖层：15mm厚Mn16钢板（500mm宽）

护坦：15mm厚Mn16钢板（300mm宽）

廊道侧墙：16Mn防冲钢板（400mm高）

‌排水系统‌：

增设横向排水孔（φ50mm@2m）

廊道底部坡度调整为14.8%

3.3 关键技术

3.3.1 抗冲磨设计

材料选择：Mn16高锰钢具有应变硬化特性，磨损率比Q235钢低40%

结构优化：倒梯形栅隙形成"自清洁"效应

防护措施：关键部位磨损裕度≥5mm

3.3.2 流体动力学控制

通过CFD模拟确定：

最优栅隙比：20-25mm

临界堵塞流速：2.5m/s

廊道流速分布均匀性＞85%

3.3.3 模块化施工

分块预制（最大单重200kg）

现场拼装（错缝布置）

无损检测（UT探伤Ⅰ级标准）

4. 施工与质量控制

4.1 施工

‌围堰导流‌：将河道水全引入取水廊道；

‌旧结构拆除‌：保留30mm厚原钢板作新栅支座；

‌地基处理‌：细石混凝土整平（强度C25），锚杆埋深≥800mm；

‌防冲钢板安装‌：φ20膨胀螺栓@300mm锚固，焊缝探伤合格率100%。

4.2 关键工艺

4.2.1 焊接工艺

方法：CO2气体保护焊

参数：电流180-220A，电压22-28V

质量要求：

焊缝余高≤2mm

咬边深度＜0.5mm

无损检测合格率100%

V型口满焊（焊根5mm）

4.2.2 安装精度控制

平面度偏差≤3mm/m

高程误差±2mm

接缝间隙＜1mm

4.3 质量验收

执行三级验收制度：

出厂验收（工厂预组装）

中间验收（隐蔽工程检查）

竣工验收（72小时试运行）

主要检测项目包括：

材料复验（力学性能、化学成分）

尺寸检测（全数检查）

防腐层检测（厚度≥200μm）

水力学试验（流量测量）

5工程效益分析

5.1 性能对比（表2）

5.2 经济性

年增发电量：约120万kWh，但年维护费用降低72%（从8万元降至2.2万元），投资回收期3.2年‌。

6. 结论与展望

6.1 主要结论

Mn16高锰钢栅条结构可有效抵抗砾石冲击

优化后的栅隙尺寸显著改善过流能力

模块化设计提高了施工效率和质量可控性

6.2 未来展望

智能监测系统开发（应力、磨损在线监测）

新型耐磨材料应用（如金属陶瓷复合材料）

Mn16高锰钢组合栅条可有效解决强冲磨环境下的结构失效问题；

建议后续研究栅隙自适应调节技术，进一步提升汛期过流效率。

作者简介：宋强（1987.09-），男，汉族，四川内江，本科，工程师，主要研究方向：水电站运行管理。