摘要：水利水电工程中的进水口单轨拦污清污系统，由于其轨道中心位置固定不变，产生了启闭机或清污机功能单一的问题，针对该问题，从拦污系统和清污系统两个方面进行了系统性研究，应用偏心原理，设计了带偏心结构的液压清污耙斗，建立了其重心位置方程式并给定了吊点的位置范围，使液压耙斗在开耙和闭耙时产生不同方向的偏心矩并加以利用，设计了拦污栅及导栅的参考结构，介绍了进水口单轨拦污清污系统及清污机的组成，结合工作过程，说明了拦污栅垂直布置工程中清污机启闭拦污栅和清污的过程及实现方法。理论和3个典型加设清污机改造工程实践表明，偏心矩、导栅和水流的共同作用，可使单轨清污机实现不同工况下的吊点偏移，在拦污栅垂直布置的工程中实现多种功能，通过荷重传感器等的保护作用，限定斜拉角度在10°以内，可保证不同工况下的作业安全，对工程设计或改造具有良好的借鉴意义。

　　关键词：水利水电工程；拦污清污系统；拦污栅；单轨多功能清污机；重心偏移

　　0引言

　　在国家大力推动水利水电工程建设的大背景下，工程运行安全和水资源的高效利用越发重要。为了防止污物堆积给工程运行带来安全隐患、效益损失[1-9]，在进水口处一般会设置拦污清污系统，拦污系统主要包括拦污栅和拦污栅的启闭设备，清污系统则由清污机和污物处理系统组成。

　　国内有不少专家对进水口的拦污清污系统进行了研究，大多采用独立设置拦污栅的启闭设备和清污机的设计，或者设置双轨道的移动式多功能清污机以同时实现清污和启闭拦污栅的功能。欧阳征凯[10]对拦污清污系统进行了一体化研究，但未对清污机功能多样化提出解决方法，聂青雷[11]研究了3种典型发电洞进水口布置，3种布置均为在进水口处设置双轨门式启闭机来实现清污和提栅等功能，郑伟等[12]研究了多功能台车式清污机[13]的多种功能实现方法等。但是，上述研究的多功能清污机布置方案均存在水工建筑物投资大，占地面积大等问题，特别是对于进水口前池的拦污系统，为减少水流损失，一般会通过增加拦污栅的数量来扩大进水面积，这就必须设置较多的拦污栅，这种设计方案增加了设备及水工建筑物的方面的造价。

　　为解决独立设置启闭设备和清污机或设置双轨清污机造成的造价高等问题，部分工程采用了进水口单轨拦污清污系统设计方案，在该类方案中，由于空间限制，且在水流方向上，拦污栅启闭中心与清污耙斗的起吊中心存在一定的水平距离，使得单轨结构只能适应一种工况，实现一种功能，即只设置专用于启闭拦污栅的启闭机或只设置用于清污的清污机，这种设计会产生拦污栅无法用专用设备启闭或拦污栅前的污物无法清理的问题，没有清污机会导致进水口处堆积大量污物，严重影响效益，同时给工程运行带来严重的安全隐患[14-15]。

　　本文以进水口单轨拦污清污系统为研究对象，应用系统思维，通过对不同作业过程分析和对拦污栅、清污机进行一体化设计，提出了单轨拦污清污系统新型结构和单轨清污机实现功能多样化的方法，解决了工程造价高、设备功能单一的问题，对降低工程投资、减少工程运行安全隐患有较好的参考意义。

　　1组成及原理

　　1.1组成

　　进水口单轨拦污清污系统包括闸墩及其排架、单轨道装置、带偏心吊点的液压耙斗式单轨清污机、带导栅的拦污栅、控制系统和水流等，单轨清污机由行走机构、起升机构、电缆卷筒、潜水电缆、旁压式荷重传感器、液压耙斗和控制系统等组成[16-17]，如图1所示。

　　闸墩排架可以是倒立的“L”形的混凝土结构，也可以是单轨的钢结构排架，设置在闸墩上方；排架的梁下方设有单轨道装置；清污机倒挂在单轨道装置上；清污机行走机构下方设有起升机构；起升机构下方设有动滑轮组，动滑轮组上方通过钢丝绳与起升机构连接，下端通过销轴与液压耙斗、拦污栅拉杆或抓梁连接；钢丝绳固定端设有旁压式传感器；拦污栅支撑在闸墩上，为垂直布置，拦污栅顶部设有导栅，拦污栅导栅为倾斜结构，与竖直的拦污栅连接处存在一条转角线，转角线高于水面；拦污栅前有向下游流动的高速水流。对于吊点设置在非边梁上的拦污栅，其应设有可旋转至栅条底部的拉杆，如图1所示，对于吊点设置在边梁上的拦污栅，启闭拦污栅时，应配置抓梁。

　　1.2吊点与布置

　　在垂直水流方向上，拦污栅的吊点中心、导栅的吊点中心、清污机行走机构与起升机构的重心与单轨道装置中心重合。清污时，由于清污耙斗行走在拦污栅栅面，拦污栅吊点中心与清污耙斗的吊点存在距离t，因此，清污耙斗的起吊中心与启闭拦污栅的吊点中心存在一偏角θ,如图2所示。尽管设有荷重保护，为了作业安全，偏角θ不宜超过10°,具体取值与清污机行走机构、起升机构的结构和载荷等级有关，可通过增加排架的高度或减小拦污栅吊点与栅面间距离来减小偏角θ。

　　在平行水流方向上，清污机的吊点距应与液压耙斗的吊点距一致，如果拦污栅吊点距与清污机吊点距不一致，应配置抓梁，抓梁下吊点与拦污栅的吊点适配，上吊点与清污机起升机构的吊点适配，如果拦污栅与导栅的吊点设置在边梁上，则可取消可旋转的拦污栅拉杆。

　　1.3液压耙斗及其吊点设置

　　液压耙斗由定耙、动耙、开合机构和水密封电缆插头等组成。动耙与定耙为可旋转连接，借助开合机构，可通过控制耙斗的开度大小来调整耙斗的重心位置。耙斗吊点设置在定耙上，吊点布置在耙斗闭合状态的重心与耙斗完全打开状态的重心之间，如图3所示。耙斗吊点距与清污机起升机构的吊点距一致，吊耳与动滑轮组适配。

　　在水流方向上，竖直状态下闭合耙斗的重心位置可通过式（1）计算。

　　式中：X为竖直状态下闭合耙斗的重心至耙斗行走面之间的距离；Gj为耙斗定耙及不随动耙转动的零部件的重量和；X1为竖直状态下闭合耙斗定耙及不随动耙转动的零部件重心至耙斗行走面之间的距离；Gd为耙斗动耙及随动耙转动的零部件的重量和；X2为竖直状态下闭合耙斗动耙及随动耙转动的零部件重心至耙斗行走面之间的距离。

　　在水流方向上，竖直状态下全开耙斗的耙斗重心位置可通过式（2）计算。

　　式中：Xk为竖直状态下全开耙斗的重心至耙斗行走面之间的距离；X'为竖直状态下全开耙斗动耙及随动耙转动的零部件重心至耙斗行走面之间的距离。

　　在设计时，液压耙斗各零部件的重量及重心位置可以通过计算机辅助设计软件查得，但要分别对开耙与闭耙两种状态进行查询。

　　当耙斗吊点位于X与Xk之间时，耙斗吊点与重心有偏心距，当耙斗闭合时，耙斗重心位于起吊中心的下游，偏心距为e1，当耙斗打开时，耙斗重心位于起吊中心的上游，偏心距为e2。通过清污机起升机构将耙斗起吊后，分别产生偏心矩Ge1、Ge2。在自由状态起吊耙斗，在偏心矩的作用下，耙斗将发生逆时针或顺时针转动，利用这一原理，结合拦污栅导栅的作用，可解决单轨清污机不同功能下的吊点偏移问题，从而实现清污和启闭拦污栅的多种功能。

　　液压耙斗包括前行走轮、中行走轮和后行走轮。前行走轮靠近耙斗底部，可保证耙斗下降时耙齿不会插入拦污栅，防止阻碍耙斗清污，中行走轮和后行走轮与前行走轮的共同作用，可保证在跨越拦污栅转角线前后，耙斗不会与拦污栅产生滑动摩擦，可保证通过行走轮行走于拦污栅栅面。

　　1.4拦污栅及其导栅

　　拦污栅上方设有导栅，当拦污栅的吊点不在边梁上时，拦污栅还应设可转动的拉杆，导栅的重心与拦污栅的重心在同一竖直方向上，如图2所示，如果未设置抓梁，其吊点距应与清污机起升机构的吊点距相同，吊耳与动滑轮组适配，拦污栅与导栅可以为分离结构，也可以为一体结构，当为一体结构时，拦污栅不另设吊耳，为分离结构时，导栅和拦污栅分别设吊耳。

　　导栅上设有拉杆，如图4所示，拉杆通过销轴连接在导栅上，拉杆可以旋转。清污时，拉杆旋转至导栅底面，拉杆底部设有拉杆挡板，以限制拉杆往后旋转的角度，并且不影响清污时清污耙斗的升降。起吊拦污栅或导栅时，可将其旋转至竖直状态，与动滑轮组轴连接，以实现起吊拦污栅或导栅。

　　1.5荷重保护及原理

　　清污机起升机构的钢丝绳固定侧设有旁压式传感器，用于精确测量钢丝绳的拉力并将测量值反馈给清污机控制系统，由于旁压式荷重传感为对称结构，如图5所示，不管钢丝绳是否斜拉或斜拉角度是否变化，均可保证传感器两端钢丝绳合力F（F=2Tcosα)通过传感器圆弧的圆心，可保证测量钢丝绳拉力T的可靠性，可通过设置钢丝绳合力F的最小值和最大值，以限定提栅和清污的起重荷载。

　　2工作过程

　　2.1提栅

　　清污机运行至卸污平台，把液压耙斗放置并固定在卸污平台上，将潜水电缆从耙斗开合机构上的水密封接头拔出，并把潜水电缆固定在电缆卷筒上，再将动滑轮与液压耙斗吊耳的连接断开，启动清污机行走机构，清污机运行至需要提栅的孔口，与即将要起吊的拦污栅中心对齐，启动清污机起升机构使动滑轮组下降，将拦污栅拉杆从栅条底部旋转至竖直状态，将动滑轮组轴穿入拦污栅拉杆上的轴孔，完成连接后可启闭拦污栅，如图1所示。

　　2.2清污

　　2.2.1闭耙行走

　　清污机运行至卸污平台，将动滑轮与液压耙斗吊耳的连接，同时将潜水电缆插入液压耙斗的水密封接头，把拦污栅拉杆的吊耳旋转至栅条底部，防止影响液压耙斗清污作业。闭合液压耙斗，在偏心矩的作用下，液压耙斗绕着吊点发生逆时针转动，使其呈倾斜状态，与水平面呈一夹角β,接近与导栅的栅面平行，如图6（a）所示。

　　2.2.2液压耙斗闭耙下降接触拦污栅导栅

　　清污机行走机构运行至需要清污的位置，启动清污机起升机构使液压耙斗下降，闭耙状态的液压耙斗呈倾斜状态，且液压耙斗的前端设有前行走轮，前行走轮先行与拦污栅导栅接触，可避免耙斗插入拦污栅，如图6（b）所示。2.2.3液压耙斗下降至转角线液压耙斗下降至导栅与拦污栅转角处的转角线，打开液压耙斗，在偏心矩的作用下，液压耙斗以前行走轮为中心，发生顺时针方向转动，如图6（c）、（d）所示，钢丝绳斜拉角度加大，有利于耙斗下降。

　　2.2.4液压耙斗下降铲污

　　液压耙斗开耙下降超过转角线并进入水面后，在水流的作用下，水流的冲击力使耙斗压紧拦污栅，使其与拦污栅平行，依靠行走轮沿着拦污栅下降并进行铲污，并将污物压在动耙下面，如图6（e）所示。

　　2.2.5液压耙斗抓污提升

　　耙斗下降至合适的高度并抓满污物后，启动开合机构闭耙，耙斗闭合后抓取污物提升，在转角线以下，液压耙斗依靠水流的冲击力压紧拦污栅提升，在转角线处，由于后行走轮在液压耙斗的最上端，并且中部设有中行走轮，如图6（f）所示，可在提升过程中保证液压耙斗不会与拦污栅发生滑动摩擦，以起到保护拦污栅及耙斗定耙的作用。

　　2.2.6卸污

　　继续提升液压耙斗及耙斗里的污物，使其高出拦污栅一定距离，启动清污机行走机构运行至卸污平台，打开液压耙斗，卸下污物。开耙后，在偏心矩的作用下，液压耙斗绕吊点发生顺时针旋转，使得卸污角度大于90°,有助于完全卸下液压耙斗内的污物，如图6（g）所示。

　　2.2.7斜拉保护

　　清污时，液压耙斗起吊中心与起升机构的起吊中心存在一定的距离，在水流方向上，耙斗提升过程中存在一定角度的斜拉，可以利用安装于钢丝绳上的旁压式传感器测量钢丝绳拉力，并将测量值反馈给清污机的控制系统，限制提升时的拉力上限（额定最大值）或下降时的拉力下限（欠载极限），以保护作业安全。

　　3应用

　　进水口单轨清污拦污系统具有广泛的应用前景，可配合不同的水工结构或钢结构排架使用，下面介绍3种典型的工程实践。

　　3.1怀集X水电站

　　怀集X水电站进水口前池设有拦污栅，并设有一台CD5t电动葫芦用于启闭拦污栅。由于没有设置清污机，前池拦污栅形成大量的污物堆积，经过多年发电后，水头损失严重，实际发电量远小于设计发电量，而且拦污栅变形严重，为解决安全隐患和提高发电量，应业主要求对其进行了加设清污机的改造。改造方案为在原电动葫芦的行走轨道上，增设YPQ26（2×50 kN）清污机，并在拦污栅的上方增设了导架，导架作用等同前文所述导栅，选用MD2×5 t的电动葫芦作为清污机的起升和行走机构，清污时有小于8°的斜拉，为保证使用安全，在电动葫芦钢丝绳上设有旁压式传感器，限制额定清污载荷为2×40 kN，如图7所示。该工程前池拦污栅为直栅，但拦污栅并未设置吊耳，如需要启闭拦污栅，可用钢丝绳等将其与清污机动滑轮组连接，如果对拦污栅进行重新设计，便可使用清污机直接启闭。

　　3.2梅州X电排站（南堤）改造工程

　　梅州X电排站是梅州大堤南堤[18]重要组成部分。泵房空间狭小，原泵房只设有集中布置的检修闸门、拦污栅及起质量为5 t的电动葫芦（启闭设备），闸室空间非常小，由于未设置清污机，长年依靠人工清污，但是人工清污只能清理水面漂浮物，水底堆积的污泥污物无法清理，运行数年后，拦污栅前后的水头差远远超出设计水头差，使得拦污栅严重变形，每到发生内涝时，由于污物和污泥的堵塞，内涝很难快速排出，给梅州城区的防洪排涝造成很大的压力。为解决清污和排涝难的问题，对拦污和清污系统进行了重新设计，原设计的拦污栅与水平面成77°的夹角，如图8所示，新设计的拦污栅依然保持77°的夹角，在顶部增设了导栅，在拦污栅的上方增设了YPQ25（2×30 kN）清污机，清污时，液压耙斗沿拦污栅行走，由于拦污栅为斜栅，且最大斜拉角超过10°,所以无法利用清污机启闭拦污栅。

　　3.3阳春市X水电站加设清污机工程

　　阳春市X水电站是早期投资建设的中等规模的水利工程。原工程设计时未考虑电站进水口的清污问题。电站投入运行多年后，发现因污物堵塞造成了严重的水头损失，发电量损失明显。由于空间和结构受限，无法增设常规的排架，改造时，根据现场情况设计了异型钢结构排架作为清污机的运行轨道，增设了YPQ30（2×50 kN）清污机，如图9所示。

　　由于原设计未考虑拦污栅的启闭问题，拦污栅未设置吊耳，改造工程又未包含拦污栅的改造，且拦污栅为斜栅，无法利用清污机来启闭拦污栅。清污时，出现接近8°斜拉，由于设有荷重保护装置，运行多年安全可靠。

　　4结束语

　　综上所述，可以得出以下结论：

　　（1）水利水电工程进水口采用单轨拦污清污系统的方案可以节约工程投资，但在工程设计时，需要系统性地从拦污系统和清污系统两方面进行一体化设计，选择合理的进水口结构、设置合理的拦污栅和单轨式清污机，可使单轨清污机实现清污和启闭拦污栅等多种功能；

　　（2）单轨多功能清污机的启闭拦污栅功能仅局限于拦污栅为直栅的工程；

　　（3）单轨多功能清污机不适用带耙斗槽的全跨清污，仅适合分段清污的工程；

　　（4）应用电动葫芦作为清污机的起升和行走机构，其清污时的最大斜拉角度不宜超过10°,且必须配有相应的荷重保护装置。

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