寒冷地區(qū)閘門防冰凍工程技術(shù)的研究

李祥波

在水利水電工程中，廣泛應(yīng)用各種鋼閘門，它是水工建筑物中的重要組成部分。閘門在水工建筑物中主要有擋水、控制水流、根據(jù)要求局部或全部開啟閘門泄放水流、調(diào)節(jié)上、下游水位、放運(yùn)船只木排、排冰、排污等重要的功能。寒冷地區(qū)水電站和引水渠道閘門冬季可否正常運(yùn)行，主要取決于工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理的合理性，冬季安全運(yùn)行的關(guān)鍵問題，就是防冰凍的問題;它的安全和適用，在很大程度上影響著整個(gè)水工建筑物的運(yùn)行效果。

1 冰凍對閘門產(chǎn)生的危害

閘門防冰凍是指防止冰蓋的靜壓力、水流的沖擊力作用在閘門上;防止冰團(tuán)、冰凌、冰珠和冰塊堵塞閘門;防止閘門活動(dòng)部分與埋固部分被冰凍結(jié)在一起，以及閘門埋固件工作表面結(jié)冰等，影響閘門在冬季的正常運(yùn)行。由于寒冷地區(qū)的環(huán)境與冰情規(guī)律不同，冰凍對閘門的危害也不盡相同，冰凍災(zāi)害五花八門，形式多樣，根據(jù)引水渠道和水利樞紐目前出現(xiàn)過的冰凍情況，主要存在下列危害，但不限于此。1)引水渠道閘門與埋固件凍死，閘門無法正常運(yùn)行，造成冰塊大量堆積堵塞，減少過水?dāng)嗝妫荒芑驘o法引水。2)引水渠道閘門與埋固件凍死，閘門不能啟閉，時(shí)間長，易造成連底凍，冰水漫堤，沖毀渠堤。3)水庫形成冰蓋，露頂閘門承受巨大的冰蓋推力，造成門葉變形或損壞。4)潛孔工作閘門在整個(gè)冬季處于擋水工況，門葉迎水面形成巨大冰包，冰包與門葉、埋固件牢固地凍結(jié)在一起，造成閘門無法啟閉，損壞水封和啟閉設(shè)備。

2 閘門防冰凍工程技術(shù)現(xiàn)狀

目前防冰凍工程技術(shù)在中國的西北、東北、華北和西藏等寒冷地區(qū)已被廣泛應(yīng)用，共分為六大類，即破冰工程技術(shù)、排冰工程技術(shù)、化冰工程技術(shù)、輸冰工程技術(shù)、導(dǎo)冰工程技術(shù)、蓄冰工程技術(shù)。但對于渠道和樞紐區(qū)運(yùn)行的閘門來說，主要采用化冰工程技術(shù)，包括保溫法、增溫法、加熱法、射流法、吹泡法等等。

在全國水利水電的閘門防冰凍工程技術(shù)中，比如新疆恰甫其海水利樞紐工程表孔弧形閘門采用浮筒加熱式化冰設(shè)備、北京珠窩攔河壩弧形閘門和新疆石灰窯水電站渠首進(jìn)水閘門采用電熱熱空氣法、新疆喀什三級水電站采用打冰機(jī)、青海牛板筋水電站采用增溫法、新疆恰甫其海水利樞紐深孔排砂放空洞弧形工作閘門采用保溫法、天津引欒工程大黑汀水庫渠首分水閘閘門采用循環(huán)熱油法、引黃濟(jì)青工程山東亭口泵站閘門采用靜油加法、開都河第一分水樞紐泄洪閘采用水平布置多回路發(fā)熱熱電纜法等等防冰凍工程技術(shù)都取得了良好的防冰凍效果。

3 寒冷地區(qū)閘門防冰凍工程技術(shù)的分析研究

寒冷地區(qū)閘門在冬季設(shè)計(jì)運(yùn)行工況不同，采取的防冰凍工程技術(shù)措施也不盡相同，但都必須解決閘門的冰凍問題。在工程設(shè)計(jì)過程中，忽略或沒有考慮閘門冬季運(yùn)行時(shí)的防冰凍問題，或?qū)Ξ?dāng)?shù)氐谋橐?guī)律、水文、氣象等條件沒有充分的掌握，即使采取了防冰凍工程技術(shù)，也不一定能取得良好的效果。

3.1 閘門處于非運(yùn)行工況

閘門在冬季冰凍期處于非運(yùn)行工況，閘門被鎖定在鎖定梁上，比如檢修閘門和事故閘門，此時(shí)無須采取防冰凍工程技術(shù)措施。

3.2 閘門處于攔蓄水工況

1)水庫露頂閘門處于攔蓄水工況。以恰甫其海水利樞紐工程表孔溢洪洞進(jìn)口露頂閘門采用浮筒加熱式露頂閘門化冰設(shè)備為例進(jìn)行分析研究。恰甫其海表孔弧形閘門尺寸為15 m×13.2 m，舌板閘門8 m×5 m;冬季環(huán)境最低氣溫達(dá)到－20.17℃，形成的冰蓋厚度為660 mm;根據(jù)冰推力計(jì)算公式，閘門所承受最大冰蓋推力大于100 t;在初步設(shè)計(jì)中未提出和解決在冬季處于擋蓄水工況時(shí)所承受冰蓋的巨大推力對閘門變形的問題。運(yùn)行單位根據(jù)當(dāng)?shù)囟咎鞖夂洹⒊掷m(xù)時(shí)間長、風(fēng)雪大等氣候特征，對閘門防冰凍工程技術(shù)進(jìn)行了研究和比較。由于冬季風(fēng)級大于6級的天氣較多，采用吹泡法達(dá)不到化冰效果;由于水庫較深，冬季水庫運(yùn)行水位較高，水下地形復(fù)雜，很難抽取到庫底的水，所以增溫法也很難達(dá)到化冰效果;如門葉背水面采用加熱毯加熱，可以達(dá)到融冰效果，但易漏電且須根據(jù)水位的不斷下降而進(jìn)行調(diào)整加熱毯的高度，存在安全隱患。運(yùn)行單位根據(jù)庫水位在冬季不斷下降的情況，自行研制了浮筒加熱式露頂閘門化冰設(shè)備，且通過三年的運(yùn)行，浮筒兩側(cè)各有0.010 m～0.030 m的冰蓋被化開，且不會(huì)因水位的變化而影響其使用，融冰效果顯著，解決了冰蓋對閘門的推力問題。

2)渠道露頂閘門處于攔蓄水工況。寒冷地區(qū)多數(shù)渠道在冬季處于非運(yùn)行狀態(tài)，少數(shù)渠道在冬季處于運(yùn)行狀態(tài)，如果在冬季需要引水發(fā)電或輸水，閘門處于攔蓄水工況就必須采取有效的閘門防冰凍工程技術(shù)措施。以新疆南岸干渠渠道露頂閘門為例進(jìn)行分析。新疆伊犁南岸干渠渠道縱坡比例為8 000∶1，水流速度慢，環(huán)境氣候與恰甫其海接近，冬季需輸水至雅瑪渡水電站進(jìn)行發(fā)電。當(dāng)其露頂閘門在渠道上長時(shí)間擋水時(shí)，極易形成連底凍，當(dāng)冰膨脹時(shí)有巨大作用力作用于門葉上，會(huì)造成門葉的永久變形和破壞，影響閘門的使用和壽命。采用加熱法可融化門葉前的冰凍，加熱法中三種閘門防冰凍工程技術(shù)措施各有利弊。如采用熱空氣法和熱水法，可解決閘門的冰凍問題，但由于渠道過長，閘門較多，其投資較大，不經(jīng)濟(jì);采用發(fā)熱熱電纜和熱油法，就可以簡單、容易、方便地融化門葉上的冰凍，而且其投資較少，較經(jīng)濟(jì)。

3)潛孔閘門在冬季處于擋蓄水工況。潛孔閘門通常其上方設(shè)有封閉的閘房，泄水出口與外部環(huán)境相通，用于排砂或汛期泄洪之用。如果閘門設(shè)于有壓洞進(jìn)口，比如恰甫其海中孔進(jìn)口弧形工作閘門，因其背水面與洞口距離較遠(yuǎn)，洞內(nèi)無穿堂風(fēng)，洞內(nèi)具有保溫作用，且閘門在冬季處于水下50 m～70 m深處運(yùn)行，底層水溫與門葉在不停的進(jìn)行熱量交換，閘門溫度大于－0.01℃，處于不結(jié)冰狀態(tài)，也就無須采取任何閘門防冰凍工程技術(shù)措施。潛孔閘門設(shè)于有壓洞的出口，門葉背水面與外界相通，在一定的條件下，門葉迎水面極易形成冰包，比如恰甫其海深孔排砂放空洞出口潛孔閘門就屬于此類情況。此閘門距離洞口10 m，閘門尺寸為6 m×6 m，水深70 m;運(yùn)行單位采用保溫簾減少洞內(nèi)外空氣的對流，經(jīng)過五年的運(yùn)行，防冰凍效果顯著。潛孔閘門設(shè)于渠道上，由于渠道的水深較淺，一般不超過10 m，在冬季當(dāng)閘門處于攔蓄水工況時(shí)，閘門迎水面或閘門洞極易形成連底凍。在此類情況下，必須采取防冰凍工程技術(shù)措施，采取電熱熱空氣法和熱水法，不經(jīng)濟(jì)且投資較大，采用發(fā)熱熱電纜法和熱油法，易操作且經(jīng)濟(jì)。

3.3 閘門處于啟閉工況

冬季為了控制水庫水位或?yàn)闈M足下游生產(chǎn)、生活用水，渠道和樞紐工程的閘門需要經(jīng)常進(jìn)行啟閉、局部啟閉或局部控制下泄流量。在寒冷地區(qū)，不論露頂閘門還是潛孔閘門，在冰凍期都需要采取有效的閘門防冰凍工程技術(shù)措施，以保證閘門正常啟閉。由于閘門開度在不斷的變化，采用發(fā)熱熱電纜法和熱油法在此工況下是非常理想的防冰凍工程技術(shù)措施，但需要注意的是門葉和門槽埋件內(nèi)都需要敷設(shè)發(fā)熱熱電纜或熱油管，同時(shí)加熱，達(dá)到閘門在冬季冰凍期啟閉正常。

4 結(jié)語

對于已建設(shè)完成需采取防冰凍工程技術(shù)措施且在冰凍期僅處于攔蓄水工況的露頂閘門，建議采用浮桶加熱式化冰設(shè)備，無需對閘門本身進(jìn)行技術(shù)改造，影響其結(jié)構(gòu)性能;對于其他工況的閘門(冰凍期處于非運(yùn)行工況除外)，建議采用發(fā)熱熱電纜法或熱油法，需要對閘門本身進(jìn)行技術(shù)改造，但其門槽埋件是無法解決冰凍問題的。對于寒冷地區(qū)還未建設(shè)的閘門，設(shè)計(jì)者需認(rèn)真考慮其防冰凍工程技術(shù)措施，建議采用發(fā)熱熱電纜法或熱油法;在門葉上敷設(shè)熱電纜或熱油管的技術(shù)方案中，建議采用水平布置、多回路或多循環(huán)的敷設(shè)方式，且能隨著水位的變化靈活調(diào)整融冰范圍，保證其融冰效果。對于門槽埋件需要防冰凍的，采用發(fā)熱熱電纜法，建議敷設(shè)兩根熱電纜，一用一備，防止熱電纜的損壞。發(fā)熱熱電纜法其能量交換是線接觸式，能耗損失較大，基本上無需維護(hù);熱油法，采用“U”形油管，其能量交換是面接觸式，能耗損失較小，維護(hù)工作量較大。總之，寒冷地區(qū)閘門在冰凍期正常運(yùn)行的關(guān)鍵問題，取決于防冰和防冰凍的問題。設(shè)計(jì)者須根據(jù)被設(shè)計(jì)地區(qū)冬季的冰情、氣象、水文等方面的原始資料，綜合考慮確定閘門在冬季的運(yùn)行方式，采取有效的防冰和防冰凍工程技術(shù)措施，保證閘門在冰凍期的安全可靠運(yùn)行。

[1]SL 211-2006，水工建筑物防冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范[S］.

[2]鐵 漢.水工金屬結(jié)構(gòu)與水電站防冰工程技術(shù)[Z］.2010.