桃林口水庫閘門破冰防凍技術(shù)探討

朱海濤 汪志永 李進(jìn)軍 陳小月

摘要：冬季水庫內(nèi)水面結(jié)冰對閘門產(chǎn)生靜冰壓力，對消除靜冰壓力的方法在水庫中的應(yīng)用進(jìn)行了比選，最終選用潛水泵水面擾動法。多年實(shí)踐中積累經(jīng)驗(yàn)不斷改進(jìn)和優(yōu)化潛水泵擾動系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：桃林口水庫閘門；靜冰壓力；防冰凍方法

一、工程概況

桃林口水庫位于河北省東北部的青龍河上，是一座集供水、灌溉、發(fā)電及旅游開發(fā)等多種功能于一體的大型水利樞紐工程。青龍河流域?qū)贃|亞季風(fēng)氣候區(qū)，冬季氣溫寒冷干燥，平均冰凍期120天，極端最低氣溫達(dá)到-20℃以下，河面冰凍層厚30cm左右。為防止冰層的推力直接作用在溢洪道弧形閘門和鎖定的大浮動檢修閘門迎水面上，對閘門產(chǎn)生擠壓變形破壞，需采取有效措施消除冰層作用在閘門上的靜冰壓力。

二、冰層對閘門靜壓力的計(jì)算

溢流壩段11孔（15m×15.5m）弧形鋼閘門的冰層靜壓力計(jì)算：按照《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL211-98）取嚴(yán)寒山區(qū)靜冰壓力30t/m2，則冰層對建筑物的靜壓力F靜=30t/m2×S，假設(shè)冰層厚h冰=0.3m，弧形工作鋼閘門的寬度b=15m，S=0.3m×15m=4.5 m2，故每孔閘門所受冰層的靜壓力為F靜=30t/m2×4.5 m2=135t。

大浮動檢修閘門停放在支承牛腿上鎖定放置，大浮動檢修閘門的尺寸為18.2m×19.2m×4.8m（寬×高×厚）。冰層的靜壓力主要作用在大浮動檢修閘門的寬度面上，根據(jù)公式 F靜=30t/m2×S，S=0.3m×18.2m=5.46m2，故大浮動檢修閘門所受冰層的靜壓力為F靜=30t/m2×5.46 m2=163.8t。

可見其靜冰壓力是非常大的。這么大的靜冰壓力對閘門具有非常大的危害。所以做好水利工程的防冰凍工作和消除冰層作用在閘門上的靜冰壓力是至關(guān)重要的。

三、消除靜冰壓力的方法

1、消除冰層作用在閘門上的壓力的最有效、直接的方法是使冰層和閘門之間產(chǎn)生隔離帶，冰層靜壓力不能作用在閘門上?，F(xiàn)如今最常用的方法主要有：人工破冰法、壓縮空氣吹氣法、電加熱法、潛水泵水面擾動法。

2、各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)和在桃林口水庫的適用情況。

溢流壩段11孔弧形鋼閘門在水位高于128.3m時，需做防冰層靜壓力處理。大浮動檢修閘門在水位高于124.9m時，需做防冰層靜壓力處理。

2.1人工破冰法：在冰層和閘門附近刨開一個隔離水帶，在結(jié)冰厚度達(dá)到危險(xiǎn)厚度之前再次刨開。一般每天刨開一次，極寒天氣需要每天刨2～3次。該方法雖然簡單但需要付出較大的體力勞動，工作時存在人身安全隱患。破冰法適用于工作量較小，冰凍層不厚的情況。桃林口水庫11孔弧形鋼閘門和大浮動檢修閘門需破冰斷面總長211m，人工破冰工作量太大，所以不適用人工破冰。

2.2壓縮空氣吹氣法：利用空氣壓縮機(jī)作為動力，空氣通過布置在水面上的管路擾動水面形成一條不結(jié)冰帶。該方法不僅需要設(shè)計(jì)安裝較復(fù)雜的壓縮空氣管道系統(tǒng)，而且空壓機(jī)還要源源不斷地消耗室內(nèi)溫度較高的空氣。另外，桃林口水庫11孔弧形閘門需要布置220m水面管道，布置管道工程量大也比較麻煩，不僅要考慮水位變化給管道出口布置帶來的問題，還要考慮閘門泄水時需先拆除水面上的輸氣管路?？梢姡瑝嚎s空氣吹氣法從開始設(shè)施布置到后期的管路調(diào)整都是比較復(fù)雜的，不適合在桃林口水庫220m長的破冰帶中應(yīng)用。

2.3電加熱法：利用敷設(shè)在閘門背面的發(fā)熱電纜發(fā)熱，與周圍介質(zhì)進(jìn)行熱交換，使閘門附近形成熱水流，可使閘門附近形成不結(jié)冰帶。發(fā)熱電纜要按設(shè)計(jì)間距平鋪安裝在閘門背面，電纜要固定牢固，最外層用苯板做隔熱層。該方法安裝自動溫控設(shè)備后，可實(shí)現(xiàn)自動運(yùn)行無需人工保養(yǎng)，維護(hù)維修簡單，一次安裝投入可長期使用。由于桃林口水庫的弧形閘門和浮動檢修閘門在初期安裝時沒有安裝電加熱電纜，所以還沒有采用此方法防凍，等待閘門更新改造時可以考率安裝電加熱電纜。

2.4潛水泵水面擾動法：利用潛水泵抽取下層水射流擾動上層水，同時可使上下層水的熱量交換，可使擾動范圍內(nèi)的水面不結(jié)冰。此方法的優(yōu)點(diǎn)是：安裝和拆卸都比較方便，隨時可投入使用，維修和維護(hù)也比較方便快捷。缺點(diǎn)是：（1）根據(jù)水位變化需要調(diào)整水泵的高度。（2）閘門附近安裝潛水泵后會影響開閘放水，開閘放水時需要先拆除潛水泵。（3）另外潛水泵運(yùn)轉(zhuǎn)需要消耗電能。

桃林口水庫表孔閘門運(yùn)行一般在汛期，閘門防冰凍設(shè)備可在冬季安裝春后拆除，設(shè)備拆卸安裝比較頻繁。另外，水庫上下層水溫溫差較大，利于上下層水熱量交換。水庫壩上每個閘門附近都用取電箱，潛水泵取電方便，根據(jù)以上條件較適合潛水泵水面擾動法。

三、潛水泵水面擾動法在桃林口水庫中的應(yīng)用

桃林口水庫表孔閘門和浮動檢修閘門最初的除冰方法就是潛水泵水面擾動法，在多年運(yùn)行中除冰系統(tǒng)不斷改進(jìn)和更新。最初的除冰系統(tǒng)為：（1）水泵采用采用三相水泵，功率為10kw，共計(jì)13臺。（2）水泵用2寸鐵管連接，水泵和鐵管用20個空油桶支撐并漂浮在水面上，兩側(cè)用鋼絲繩固定。（3）在入冬前進(jìn)行安裝和春季末拆除，需要人員10人，并需要拖船進(jìn)行配合。（4）安裝時間最少在2天。經(jīng)過檢驗(yàn)，運(yùn)行費(fèi)用較高，安裝和拆除比較繁瑣。

桃林口水庫新改進(jìn)的潛水泵除冰系統(tǒng)（也是現(xiàn)今桃林口水庫使用的）是單孔單泵直管法：每孔用一臺潛水泵作為動力，用帶有銅外絲的2m長PPR管和潛水泵的出水口硬連接。用鋼絲繩系潛水泵下放到水下合適的位置，鋼絲繩另一端系在護(hù)欄欄桿上。根據(jù)潛水泵抽取水面2m～3m之下的溫水?dāng)_動水面的水花調(diào)整水泵的下放深度，潛水泵吹起水面的蘑菇水花5cm高時為水泵的最佳下放深度。

新系統(tǒng)（單孔單泵直管法）和老系統(tǒng)相比有如下改進(jìn)：（1）管路簡化，取消橫管路，潛水泵直接和2m長的Ф50PPR管連接。（2）潛水泵選型更優(yōu)，不僅重量輕而且節(jié)能。經(jīng)過比選確定使用潛水泵的參數(shù)為：揚(yáng)程11m，流量6m3/h，額定功率0.37 kW，重量16kg。（3）提高了使用性和操作性，安裝、拆卸和調(diào)整更加簡單，由于重量輕，管路簡單，安裝一套潛水泵吹冰系統(tǒng)只需3個人，15分鐘。

四、結(jié)論

桃林口水庫表孔閘門和浮動檢修閘門附近破冰方法的比較和使用演變，目前單孔單泵直管擾動破冰法是最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的，安裝檢修方便，運(yùn)行管理容易。但是還存在以下問題需要改進(jìn)（1）吊裝水泵的鋼絲繩系在水庫壩面上的欄桿上，不美觀也不安全。（2）潛水泵取電電纜暴漏在壩面不安全和容易失盜。（3）由于水庫水位不斷變化，需要人工不斷檢查潛水泵水面擾動效果，隨時準(zhǔn)備調(diào)節(jié)潛水泵的深度。

參考文獻(xiàn)：

[1]《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL211-98）附錄 D冰壓力計(jì)算。

[2]李延輝，楊疆衛(wèi)，劉勇。開都河第一分水樞紐鋼閘門防冰凍技術(shù)研究。中國西部科技2012（06）53—54。