船閘防凍防冰科研成果應用及效益分析

曹錫山

(黑龍江省航道局，哈爾濱150026)

1 前言

松花江全長928 km，流域面積18.64萬km2，是我國內河水運主通道和七大內河之一。河流由西向東橫貫黑龍江省中部，上起嫩江與第二松花江匯合處的三岔河，下至黑龍江省同江市，注入中俄界河黑龍江。

2004年10月，我國季節(jié)性冰凍河流建設的首座航電樞紐——松花江大頂子山航電樞紐開工建設。樞紐位于松花江干流濱州橋下航道里程70 km處，控制流域面積43.21萬km2，是一座以航運、發(fā)電和改善哈爾濱市水環(huán)境為主，兼具交通、水產養(yǎng)殖和旅游等綜合利用功能的低水頭航電樞紐工程。由船閘、泄水閘、河床式水電站、混凝土過渡壩段、土壩及壩上公路等組成。水庫總庫容16.97億m3，裝機總容量66 MW;正常蓄水位116.0 m，相應庫容9.0億m3，死水位115.0 m，死庫容6.0億m3。建設千噸級船閘一座，有效長度180 m，有效寬度28 m，門檻水深3.5 m?？偼顿Y28.8億元。樞紐建成后可改善航道里程128 km，對于改善哈爾濱江段的通航、兩岸交通、發(fā)展庫區(qū)旅游業(yè)、漁業(yè)、解決農田灌溉等意義重大。

松花江屬季節(jié)性封凍河流，一般每年11月上旬開始流冰，冰厚一般約0.2 m，歷時20 d左右，11月下旬封江，冬季江面封凍長達140 d左右，冰厚一般為0.5～1.0 m，翌年4月上旬開江，開江前有10d左右流冰期，流冰與冰凍會給航電樞紐帶來許多不利的影響，如冰凍對金屬結構的影響、對樞紐建筑物的影響、對通航的影響等，如不解決這些問題或解決得不好，就會影響到樞紐工程的建設、影響到通航期、引發(fā)水電工程事故、造成建筑物的損壞等，冰凍冰害問題已成為影響樞紐工程安全運行的亟待解決的不僅我國也是世界性重大技術課題之一。

為有效解決工程建設和今后運行管理過程中存在的技術難題，我們在2004年度西部交通建設科技項目“季節(jié)性冰凍河流航電樞紐工程防凍防冰問題的研究”中，對船閘防冰、冬季越冬及通航、樞紐導冰和排冰、冰對船閘作用荷載等問題展開了國內首次研究。

2 主要科研成果

通過近3 a時間的研究，項目于2007年11月通過交通部驗收鑒定，項目研究成果總體達到國際先進水平。主要取得了以下科研成果:

1)在船閘防凍防冰方面，試驗驗證提出采用氣幕法、潛水泵射流方法以解決船閘閘門在開、封江運行及封凍期的防冰及循環(huán)導熱油或防凍液加熱的方式對檢修門槽進行防冰等關鍵技術;提出閘室無水越冬和有水越冬兩種船閘越冬方案;國內首次提出船閘有水越冬時，開江期閘室及引航道利用破冰船、人工或機械方法破冰，再利用船舶航行將浮冰帶到下游或其他特殊設備進行排冰;采用蒸汽和熱水射流或特殊機械設備清除閘室浮式系船柱、閘室墻或狹窄水域的浮冰。

2)在水庫蓄冰處理及導冰技術方面，研究提出水庫形成后，正常年份時較天然狀態(tài)開江時間推遲10 d左右;提出樞紐正常運行后，旨在減少庫區(qū)蓄冰量、減少影響通航時間的水庫調度方式;首次進行大頂子山航電樞紐庫區(qū)開江破冰實驗及對動、靜浮冰塊的觀測，找到流冰和靜冰體積隨溫度、融冰時間及距離的變化關系，提出了庫區(qū)破冰的合理方式、破冰適宜范圍、時機、冰塊破碎尺寸等，即采用破冰船壓碎破冰或爆破破冰，應提前7～10 d，從壩址開始向上游破冰40～60 km，冰排面積應控制在100 m2以下;提出正常年份時先破冰再開啟舌瓣門向下游導冰，在特殊情況下先破冰再利用泄洪閘導冰的樞紐導冰方案。

3)在冰對船閘作用荷載方面，首次實測了松花江開、封江期冰的彎曲強度、彈性模量、C軸和S軸單軸抗壓強度等冰力學參數(shù);引航導堤堤頭冰荷載模擬試驗驗證了直立結構物在不同的流冰徑(結構物寬度或直徑)厚(冰蓋厚度)比(D/H)值、冰的流速等限制條件下的受力情況和破壞形式，以及流動的冰排與斜坡結構物相互作用時冰的破壞基本狀況和受力情況;分析評價國內外冰荷載計算公式及松花江所建橋梁冰壓力的計算公式、方法，提出各自優(yōu)缺點、適用范圍;建立閘室冰蓋數(shù)學模型，準確模擬了閘室冰溫度膨脹力的作用情況，運用有限元方法，進行熱力場與應力場的耦合計算，提出了極限位置第一主應力σ1(MPa)沿冰厚H(m)分布及其計算公式，即 σ1=0.284+0.612H －0.381H2+0.056H3，對比驗證了公式的合理性。

3 科研成果在依托工程中的實踐應用和推廣前景

3.1 依托工程應用情況

冰荷載試驗研究成果已經(jīng)應用到依托工程閘門和上游引航道隔流堤結構設計中、加熱油循環(huán)加熱防冰措施應用到檢修閘門門槽防冰設計中、潛水泵射流防冰措施在檢修門越冬中得到應用，引航道導堤試驗成果、船閘閘室有限元數(shù)模計算成果、哈爾濱松花江公路大橋橋墩流冰動壓力實測成果等已經(jīng)應用于船閘相關結構設計，根據(jù)初步研究成果，設計單位進一步優(yōu)化了船閘相關結構的設計。船閘引航道破冰及排冰措施、庫區(qū)蓄冰處理等成果將在工程運行后逐步得到應用。

3.2 推廣前景

1)季節(jié)性冰凍河流建設航電樞紐工程，其防凍防冰問題研究成果解決了大頂子山航電樞紐工程建設中存在的重大技術難題，還將為松花江干流其它樞紐及我國東北、西北部類似河流的航電樞紐建設提供借鑒和參考。

2)水庫蓄冰處理及樞紐導冰技術不但可用于季節(jié)性冰凍河流航電樞紐中，而且可在季節(jié)性封凍水庫、湖泊等的水利樞紐工程實踐中推廣應用。

3)通過冰對船閘作用荷載的研究，不但對船閘荷載有了初步的認識，而且研究成果對季節(jié)性冰凍河流的水利工程、港口工程、橋梁工程及船舶臥冬基地工程等的研究和設計提供技術支持和指導。

4)進一步豐富了冰工程學科理論，為相關行業(yè)標準規(guī)范的制(修)訂提供基礎資料和借鑒，可推動行業(yè)科技進步。

4 效益分析

4.1 經(jīng)濟效益

4.1.1 減少封凍對通航期的影響，防止和降低冰損事故的發(fā)生，減少航運經(jīng)濟損失

松花江水運是沿江市縣運輸大宗貨物的主要運輸方式，黑龍江省完成的水運量80%左右發(fā)生或通過松花江干流，2000年松花江貨運量1 006.6萬t，貨運周轉量11.67億t·km(松花江區(qū)段)，其中通過大頂山樞紐壩址的水運量占松干總運量的30%左右。

根據(jù)《松花江干流大頂子山航電樞紐工程初步設計報告》，松花江干流及過壩貨運量預測成果見表1。

表1 松花江干流及過壩貨運量分析成果表

松花江大頂子山航電樞紐建成蓄水后，將在上游水域形成庫區(qū)，因發(fā)電的需要，在枯季水庫下泄的水量較建庫前同期天然來水量增多，冰蓋下過流能力增大，從而減輕甚至消除了水流對冰蓋的壓力，不致造成“水鼓冰開”，使開江日期推遲。而樞紐下游仍處于天然河道，將會正常開江通航，由于通過大頂子山航電樞紐的貨物大部分為上行，這樣將使貨物滯留在下游港口，造成港口貨物積壓、船舶擁塞，對松花江水運產生影響。

大頂子山航電樞紐的航運收入主要為過閘費，由于受到庫區(qū)開江日期較建庫前有所推遲的影響，通航期縮短，航運收入也將減少。通過采取破冰船破冰、爆破破冰、潛水泵射流防冰和防浮冰及導冰等措施，將減少由于庫區(qū)延遲開江對航運造成的影響，使庫區(qū)基本達到天然狀態(tài)下開江日期。駁船過閘費按0.5元/t計算，在樞紐運營期內(按30 a計算)累計挽回經(jīng)濟損失1 000萬元。

松花江上航行的運輸船舶也受到庫區(qū)開江日期推遲的影響，通過樞紐的上行貨物無法通過，將會造成船舶使用率降低、運輸周期延長、運輸航次減少，對船舶運輸收入產生一定的影響。采用上述措施后，將減少由于庫區(qū)開江日期推遲對運輸造成的影響。經(jīng)測算，在樞紐運營期內累計減少運輸損失3 264萬元。

綜上，通過采取上述措施，在樞紐正常運營期內，累計可減少經(jīng)濟損失4 264萬元。航運效益見表2

表2 航運效益表 萬元

4.1.2 減少因冰凍造成的水電工程事故、建筑物損壞經(jīng)濟損失

在封凍期嚴寒氣溫下，水庫冰蓋對水工結構的復雜作用，給水利工程帶來嚴重破壞。采用加熱法防冰、潛水泵防冰等措施，可以有效益的阻止閘門前冰蓋的形成，使閘門與冰蓋間的水域不易結冰，這樣冰壓力不會作用于船閘上，為船閘越冬提供安全保障，可減少因冰凍造成的水電工程事故、建筑物損壞引起的經(jīng)濟損失。

4.1.3 減少類似工程前期工作量和設計費用

對于松花江其他樞紐的建設提供了寶貴的技術和經(jīng)驗，為其他樞紐建設的前期工作和設計節(jié)省了工作量和設計經(jīng)費，具有十分可觀的經(jīng)濟效益。

4.2 社會及環(huán)境效益

1)松花江干流是東北地區(qū)重要的水上運輸線，是聯(lián)系黑龍江、烏蘇里江、嫩江和第二松花江的紐帶，具有較好的通航條件，松花江干流梯級開發(fā)是一項多功能的綜合利用水資源的工程。本項目的實施能有效解決季節(jié)性封凍河流航電樞紐工程建設中因冰凍給樞紐帶來的主要問題，將大大促進松花江干流梯級渠化的建設步伐，對松花江干流航道發(fā)展規(guī)劃的全面實現(xiàn)和振興東北地區(qū)等老工業(yè)基地戰(zhàn)略決策的實施具有積極的推動作用，能夠更好地發(fā)揮松花江干流水運主通道的作用，為區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展提供水上交通便利，滿足日益發(fā)展波西杰克遜的干支直達運輸、江海聯(lián)運的需要，具有明顯的社會效益。

2)本項目依托工程是我國在平原季節(jié)性冰凍河流上建設的第一個航電樞紐工程，我國有關船閘冰害問題的研究幾乎是空白，通過本項目的研究不僅解決了樞紐船閘防冰措施、水庫蓄冰處理及導冰技術等問題，同時對港口工程、水利工程及橋梁工程等均有一定的參考價值和指導意義，具有顯著的社會效益。此外通過本項目研究還可以進一步豐富冰工程理論，為冰問題的研究提供重要的可靠基礎。

3)本項目的實施積極推動了松花江干流梯級的建設步伐，使松花江干流航道早日按規(guī)劃等級建成，待松花江干流按規(guī)劃的梯級建成后，可提高枯水期的水位，改善沿江城市水環(huán)境、自然生態(tài)環(huán)境和區(qū)域氣候環(huán)境，同時對于保護植被、防止水土流失等的有著重要意義。且本項目在實施過程中不會對環(huán)境產生不利的影響，因此本項目帶來的環(huán)境效益是巨大的。

[1]黑龍江省航務勘察設計院.大頂子山航電樞紐船閘施工圖設計[R].哈爾濱:黑龍江省航務勘察設計院，2003.

[2]黑龍江省航道局.季節(jié)性冰凍河流航電樞紐工程防冰問題研究[R].哈爾濱:黑龍江省航道局，2007.