橡膠壩自動(dòng)破冰管設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張步峰

(張家口市清水河河務(wù)處 橡膠壩監(jiān)控中心,河北 張家口 075000)

在北方高寒地區(qū)冬季運(yùn)行的橡膠壩蓄水工程,因橡膠壩袋內(nèi)、外冰壓差的作用和冰層的互相推壓,極有可能造成壩袋撕裂和壩袋錨固件松動(dòng)、撥起而破壞橡膠壩。為了防止冰凍破壞,一般采用在橡膠壩袋前冰面鑿出一道水槽的方法,使橡膠壩袋與冰蓋分離,以消除冰壓力,保護(hù)壩袋。

目前,橡膠壩前破冰多采用鎬鑿、錘砸的方法,危險(xiǎn)性高,勞動(dòng)強(qiáng)度大,效率低,且人工費(fèi)較高。鑒于此,在張家口市清水河橡膠壩群進(jìn)行了機(jī)械自動(dòng)破冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)可在無人值守情況下自動(dòng)運(yùn)行破冰,相比人工破冰而言,大大提高了破冰效率,消除了人工破冰落水的危險(xiǎn),節(jié)約了破冰費(fèi)用。

1 自動(dòng)破冰管工作原理

橡膠壩在冬季運(yùn)行時(shí),蓄水區(qū)內(nèi)冰蓋下面的水溫隨著水深(不含冰層厚度)的增加而增加,水深1 m以內(nèi)的水溫為 1℃左右;水深1.5 m時(shí)可達(dá)到 3℃左右;水深超過 2 m時(shí),可達(dá)到4～5℃。自動(dòng)破冰管設(shè)計(jì)原理就是利用蓄水區(qū)下層水與頂層冰蓋之間的溫差,通過連續(xù)抽取冰蓋下面高于 0℃的水融化冰蓋,以達(dá)到破冰目的,其工作原理見圖1。

圖1 自動(dòng)破冰管的工作原理

自動(dòng)破冰管系統(tǒng)主要由潛水泵、輸水管道和時(shí)間控制器3部分組成。由潛水泵抽取蓄水區(qū)內(nèi)冰蓋下的水給管道加壓輸水,在輸水管道正上方均勻鉆一排小孔,加壓的水通過輸水管正上方的小孔向冰面或水面噴射,因小孔噴射出的水溫度高于0℃,則可連續(xù)不斷地融化冰層。同時(shí),噴射水形成水花,不停地?cái)_動(dòng)水面,也可阻止水面結(jié)冰。對(duì)潛水泵運(yùn)行采用時(shí)間控制器控制其啟動(dòng)和停止,以實(shí)現(xiàn)破冰管自動(dòng)運(yùn)行。

2 自動(dòng)破冰管設(shè)計(jì)

2.1 輸水管設(shè)計(jì)

2.1.1 管材選擇

普通無縫渡鋅鋼管、不銹鋼管、PE管或 PPR冷水管等耐腐蝕有柔性的材料均可作為輸水管道。

塑料管的優(yōu)點(diǎn)是自重輕、安裝拆除方便、成本較低和變形能力強(qiáng);其缺點(diǎn)輸水管密度小,需在管上配重以防浮起,且管道在水流的作用下易彎曲,景觀效果較差。這種管材適用于管徑較大、破冰長(zhǎng)度長(zhǎng)和安裝難度大的情況。在張家口市清水河橡膠壩工程中,長(zhǎng)度超過100 m的壩袋均采用PPR冷水管,管道接頭全部采用不銹鋼或鋁合金快速接頭,以方便安裝、拆除和維修。

鍍鋅鋼管或不銹鋼管不需配重,但其自重大,安裝拆除不便,且造價(jià)較高。這種管材適用于管徑較小、破冰長(zhǎng)度短和施工難度較小的情況。在張家口市清水河橡膠壩工程中,壩袋長(zhǎng)度小于 40 m的橡膠壩均采用鍍鋅鋼管。在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)鋼管接頭(管箍)經(jīng)常被撕裂,且安裝、更換困難,故鋼管接頭全部采用活接頭。如采用法蘭連接,接頭處不易破損,但施工費(fèi)時(shí)、費(fèi)工。

2.1.2 管徑確定

目前,管徑計(jì)算尚無成熟公式,管道水力計(jì)算可參照噴灌技術(shù)中公式,近似計(jì)算管道的沿程、局部水頭損失和經(jīng)濟(jì)流速,根據(jù)經(jīng)濟(jì)流速確定管徑。在張家口市清水河橡膠壩工程中,超過100 m的破冰管選用內(nèi)徑63 mm的 PPR冷水管,小于 40 m的破冰管選用內(nèi)徑為 50 mm鍍鋅鋼管。

2.1.3 噴水孔設(shè)計(jì)

對(duì)輸水管上噴水孔的孔徑和間距,曾進(jìn)行了多次試驗(yàn)調(diào)試,噴水孔徑越大、間距越小,單位長(zhǎng)度內(nèi)出水量越大,融冰能力越強(qiáng),破冰的寬度和速度就越快,因此,輸水管上噴水孔孔徑和間距的確定應(yīng)根據(jù)破冰寬度和速度(融冰速度要大于結(jié)冰速度)要求布置。經(jīng)多次反復(fù)試驗(yàn),在張家口市氣候條件下(年最低氣溫在-20℃左右),橡膠壩破冰管的噴水孔直徑一般為2～2.5 mm,間距250 mm,恰好滿足破冰要求。要特別注意的是,輸水管所有噴水口必須保證在一條直線上。

2.1.4 輸水管鋪設(shè)深度確定

輸水管應(yīng)設(shè)置在水面以下,管與水面之間的距離是相對(duì)固定的。經(jīng)多次試驗(yàn),輸水管在水面下 20～30 cm之間時(shí)破冰效果較好?？拷鼭撍靡欢艘驂毫^大,管深可適當(dāng)加大,遠(yuǎn)離泵一端可適當(dāng)抬起一些。要達(dá)到最佳破冰效果需在安裝現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)調(diào)整。

2.1.5 輸水管懸吊

輸水管懸吊的方法有鋼絲繩拉吊和浮力懸吊兩種方法。

鋼絲繩拉吊法類似懸索橋梁。在輸水管上方緊繃一根主纜鋼絲繩,在主纜上設(shè)垂直拉繩拉吊輸水管。垂直拉繩設(shè)花籃螺栓,可調(diào)整拉繩長(zhǎng)度,以控制輸水管的鋪設(shè)深度。此法優(yōu)點(diǎn)是破冰管可經(jīng)受較大流速水流沖擊,缺點(diǎn)是鋼絲繩駝腰和花籃螺絲可調(diào)長(zhǎng)度有限,故適用于流速較大、破冰長(zhǎng)度短和水位變幅小的蓄水區(qū)。

浮力懸吊中可采用漁業(yè)塑料浮球懸吊,也可用泡沫塑料或軟木等輕質(zhì)材料制作的浮漂懸吊。因浮球(漂)可隨水位上下浮動(dòng),保證在水位變化時(shí),輸水管與水面始終保持固定間距。但此法受大風(fēng)和水流影響較大,浮球隨風(fēng)或水流漂流,易造成破冰管彎曲變形甚至折斷,所以,需在破冰管上部增設(shè)鋼絲繩固定破冰管,防止其出現(xiàn)較大水平位移。

2.2 潛水泵設(shè)計(jì)

2.2.1 泵功率的確定

為了減少破冰成本,一般選擇低功率、高質(zhì)量、低故障率潛水泵。潛水泵的功率與破冰長(zhǎng)度和寬度成正比。就橡膠壩而言,只要能把冰蓋破開槽,破冰寬度超過0.5 m就能滿足保護(hù)壩袋要求。寬度增加,破冰費(fèi)用也會(huì)相應(yīng)增加。

據(jù)多次試驗(yàn),在張家口市氣候條件下,單位功率(1 kW)平均破冰長(zhǎng)度約30～40 m,冰蓋下水層越深和水溫越高,破冰長(zhǎng)度越長(zhǎng)。在同樣功率下,下游蓄水區(qū)比上游蓄水區(qū)破冰長(zhǎng)度長(zhǎng)、寬度大(下游水溫高于上游)。在張家口市清水河破冰管工程中,壩袋長(zhǎng)度 120 m左右,配備1臺(tái)泵,功率 3 kW;在壩袋長(zhǎng)度 140 m左右,配備 2臺(tái)泵,每臺(tái)功率 2.2 kW。

2.2.2 泵揚(yáng)程確定

輸水管噴水孔的出口壓力在 0.1 MPa時(shí),水流能有效地?cái)噭?dòng)管與水面之間的水層,形成的水花(類似水沸騰)破冰效果較好。因此,選用15～25 m揚(yáng)程的中低揚(yáng)程潛水泵為好。揚(yáng)程太大,噴射水流太細(xì),擾動(dòng)水層范圍太窄,會(huì)在水面上形成噴泉而作無用功,破冰效果反而不佳;如泵揚(yáng)程太低,則不能有效頂起水花,破冰能力也差。

2.2.3 泵流量確定

如潛水泵流量選擇太大,破冰效果雖好,但破冰電費(fèi)必然會(huì)增加。潛水泵流量太小,破冰能力則不足。根據(jù)試驗(yàn),在張家口市氣候條件下,潛水泵的單位流量(1 m3/h)破冰能力一般在3 m左右,據(jù)此,如長(zhǎng)度為 100～120 m的破冰管,可選擇的潛水泵流量應(yīng)在 30～40 m3/h之間。如果采用兩泵方案抽水破冰,兩泵流量之和也在上述范圍之內(nèi)。

2.2.4 泵過濾網(wǎng)設(shè)計(jì)

蓄水區(qū)含有許多懸浮物、漂浮物和浮游生物,如不設(shè)過濾裝置,會(huì)被潛水泵吸入輸水管,堵塞噴水孔。潛水泵下部進(jìn)水口自帶的濾網(wǎng)遠(yuǎn)不滿足濾水要求,必須增設(shè)更細(xì)密的過濾網(wǎng),將潛水泵置于濾網(wǎng)之內(nèi)運(yùn)行。

濾網(wǎng)為直徑60 cm的圓柱形鋼筋籠,籠外包兩層篩網(wǎng)。第一層篩網(wǎng)為2 mm孔徑鋼絲網(wǎng),第二層為200目/英寸高強(qiáng)度尼綸網(wǎng)。第一層粗眼鋼絲網(wǎng)為第二層網(wǎng)做支撐,最外層細(xì)網(wǎng)為真正的過濾層。外層細(xì)眼網(wǎng)因絲細(xì)和長(zhǎng)期浸水,易銹蝕破損,因此,細(xì)網(wǎng)一般采用尼綸或晴綸等耐腐蝕材料。

2.2.5 泵懸吊與連接

潛水泵與輸水管一樣采用浮球懸吊,當(dāng)水位發(fā)生變化時(shí),泵與輸水管可同時(shí)上下移動(dòng),在垂直方向上,二者永遠(yuǎn)保持相對(duì)固定位置。這種浮力懸吊方式也保證了潛水泵懸停在固定深度的水層之內(nèi)。

受大風(fēng)和水流影響,潛水泵與輸水管之間經(jīng)常發(fā)生相對(duì)水平位移,造成連接處斷開和輸水管折斷。為避免此類情況發(fā)生,輸水管與泵二者之間采用軟管連接,這種柔性連接可有效減小因水平位移產(chǎn)生的破壞力。

2.3 電氣設(shè)計(jì)

對(duì)潛水泵的運(yùn)行控制采用專門的電氣配電柜,柜內(nèi)除必要的過載、缺相和漏電保護(hù)裝置外,核心元件是時(shí)間控制器,用于控制潛水泵定時(shí)啟動(dòng)和停止,達(dá)到自動(dòng)控制運(yùn)行之目的。

因氣溫變幅大,時(shí)間控制器選用多檔位規(guī)格,可根據(jù)氣溫靈活調(diào)整破冰的運(yùn)行時(shí)間和停頓時(shí)間。張家口市清水河所有破冰管均采用四檔位時(shí)間控制器,其試驗(yàn)調(diào)整運(yùn)行時(shí)間見表1。

表1 時(shí)間控制器運(yùn)行時(shí)間調(diào)整表

3 注意事項(xiàng)

每根輸水管打孔和接頭焊接加工都要保證所有噴水口成一條直線排列;在水下鋪設(shè)輸水管時(shí),要細(xì)致調(diào)整,確保每根管上所有噴水孔都要垂直向上。在每年河道出現(xiàn)冰蓋解體或大量浮冰之前,及時(shí)拆除破冰管,防止浮冰撞擊破壞。

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和應(yīng)用是在張家口市清水河的氣候、河流環(huán)境條件下進(jìn)行的,如果破冰管所處區(qū)域氣候更為寒冷時(shí),輸水管的噴水孔孔徑可適當(dāng)加大,配套潛水泵的功率和流量也相應(yīng)增加,運(yùn)行時(shí)間可能更長(zhǎng)。反之,氣候較為溫暖時(shí),輸水管孔徑、水泵配套功率和流量均可適當(dāng)調(diào)小。

[1]SL 211-98,水工建筑物抗冰設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].

[2]王樹庭,王連會(huì).黃河水庫溢洪道閘門冬季管理及破冰裝置改造[J].吉林水利,2001,(8)：38-39.