氣泡防冰系統(tǒng)在生態(tài)蓄水工程中的應(yīng)用

孫冬艷

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西 太原 030024）

1 工程概況

西朱莊生態(tài)蓄水工程地處山西省應(yīng)縣縣城西北5.5 km的西朱莊村北1.0 km的桑干河干流上，閘址位于西朱莊大橋下游200 m處。工程建設(shè)主要內(nèi)容為攔河閘1座，長300 m，其中河道左側(cè)攔河閘長222 m，高2.0 m，右側(cè)攔河閘長78 m，高2.0 m；生態(tài)護(hù)岸約0.5 km；管理站1處，建筑面積約300 m2。工程等別為Ⅴ等，主要建筑物級別為5級。項目實施完成將形成景觀濕地41.3萬m2，蓄水量23.2萬m3，工程施工總工期為12個月。

2 防冰的必要性

冰層達(dá)到一定厚度時，會對閘門造成嚴(yán)重的危害。冰凍對閘門的危害情形主要有：一是冰層與閘門牢固凍結(jié)情況下，若遇氣溫升高，冰層膨脹變形，對閘門產(chǎn)生壓力；水位的升降對冰層與閘門的凍結(jié)體，產(chǎn)生上抬力或下拉力。都將導(dǎo)致閘門和閘墩超載，超荷載運行會導(dǎo)致閘門變形與破損。二是冰蓋靜壓力超過閘門最大承載力，閘門被壓壞。三是閘門兩側(cè)邊緣與門槽及門軸被凍結(jié)，導(dǎo)致閘門無法正常運行。

西朱莊生態(tài)蓄水工程所處的桑干河流域，地處內(nèi)陸高原，屬北溫帶較干燥的大陸性氣候，受季風(fēng)影響強烈，并具有山區(qū)氣候特征。根據(jù)《山西省水文計算手冊》西朱莊水文站1960～2008年冰情統(tǒng)計表查知，該站最早結(jié)冰日期10月27日，最晚冰融日期4月5日；封凍最早11月8日，最晚12月8日；實際封凍天數(shù)上半年最少32 d，最多85 d，下半年最少24 d，最多54 d；工程區(qū)域最大冰厚1.28 m，極端最低氣溫-31.9℃，最大凍土深為1.57 m。

《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》（SL 74-2013）3.1.8條規(guī)定，閘門不得承受冰的靜壓力。為保證西朱莊生態(tài)蓄水工程攔河閘結(jié)冰期的安全正常運行，需在閘門前后設(shè)置防冰系統(tǒng)。

3 防冰技術(shù)方案比選

3.1 防冰方法

3.1.1 人工破冰、機械破冰

人工破冰法。工人使用鋼釬、冰鏟和十字鎬等破冰工具在閘門前鑿出不結(jié)冰帶，在結(jié)冰厚度達(dá)到危險厚度之前再次刨開，防止閘門被擠壓破壞的方法。人工破冰需定期進(jìn)行，一般每天刨開一次，針對出現(xiàn)極寒天氣的情況，則需要每天進(jìn)行2～3次的刨開。這種方法破冰率高，受客觀因素影響小且費用較低，但工作條件艱苦，且工人施工的危險系數(shù)高，不適應(yīng)安全生產(chǎn)和自動化運行的要求。此方法適用于冰凍層不厚、工作范圍較小、工作量較小的情況，不適用于本工程，不予采納。

機械破冰法。當(dāng)冰層較薄時，利用破冰機械沖撞結(jié)冰帶，在閘門前形成一條通道，然后定期進(jìn)行破冰，確保通道水體始終處于液體狀態(tài)，從而有效防止冰層擠壓閘門的方法。該方法運行費用較低，能有效破冰，但機械操作人員非常辛苦，并且存在操作員落水的可能，從長遠(yuǎn)發(fā)展來看，這種方法是要被取締的。因此本工程不予采納。

3.1.2 氣泡防冰

空壓機噴出的壓縮氣體在水庫及蓄水區(qū)深處形成溫水流，使表面冰層溶化，同時防止形成新冰層的方法。氣泡防冰系統(tǒng)一般由兩臺空壓機、兩個貯氣罐、管網(wǎng)及控制元件等組成，一次性投資及運行費用較高。

以往的吹氣單元原理簡單、吹氣單元運行可靠性差，出氣量不均勻，無法有效除冰，管道布置也比較復(fù)雜，每年拆裝吹氣單元費時費工，工作存在人身安全隱患，只有少數(shù)電廠水庫在延續(xù)使用。

新型免維護(hù)氣泡發(fā)生器，可以在水下發(fā)生符合形成流場要求的連續(xù)的氣泡群，氣泡群在初速度及浮力作用下向上運動，帶動氣泡群周圍水體產(chǎn)生沿豎向流動，形成局部環(huán)流的流場，流場內(nèi)流動的水破壞并阻止生成結(jié)晶體（冰核），沒有結(jié)晶體（冰核）的水即使在過冷狀態(tài)下也不會結(jié)冰，從而使流場范圍內(nèi)的水面不結(jié)冰。

氣泡防冰系統(tǒng)設(shè)備布置靈活、防冰效果顯著、能耗低（約為0.05 kW/m）?？諌簷C及系統(tǒng)主要設(shè)備均采用一工一備模式，水下防冰工作裝置免維護(hù)，整套設(shè)備工作可靠性高，減輕了運行維護(hù)工作量，可以實現(xiàn)自動運行和遠(yuǎn)程監(jiān)控。水下防冰工作裝置，布置方式多樣，可以固定在閘底板混凝土中，也可以布置在門體上，不需要在孔口上方架設(shè)固定梁，整體美觀；自密封性能好,污物一般無法進(jìn)入，工作的可靠度高；可隨環(huán)境溫度變化調(diào)節(jié)輸出功率，節(jié)能效果好；具有背壓，可使多個子單元同時工作時保持均勻流暢。

根據(jù)《水利發(fā)展研究》2016年12期，高志遠(yuǎn)、刁彥斌的《寒冷地區(qū)閘門防冰方法研究及其應(yīng)用》文章中闡述，白俄羅斯維捷布斯克水電站和我國吉林松原哈達(dá)山水利樞紐工程均采用了氣泡防冰技術(shù)，并取得了良好的防冰效果。使用氣泡防冰技術(shù)后，兩個工程的閘門面板前部約有1.50 m（上、下游方向）的不凍區(qū)域，消除了靜冰壓力對閘門的擠壓作用。同時，閘門兩側(cè)邊緣與門槽及門軸結(jié)合部位也完全消除了結(jié)冰狀況，為冬季開啟閘門創(chuàng)造了條件。

3.1.3 水泵擾動法

通過潛水泵把底層溫度較高的水抽到水面上，并使用管道在水體表面進(jìn)行噴射擾動，使閘門周邊表層水的溫度升高，從而防止結(jié)冰。這種方法設(shè)備和操作都比較簡單，不足是當(dāng)水位變化時必須及時調(diào)整水泵入水深度，一旦調(diào)整不及時水面就會結(jié)冰。另外能耗高，一般能耗為0.4～0.8 kW/m。

3.1.4 電加熱法

通過電加熱裝置對閘門附近水域表層水體加熱，進(jìn)而實現(xiàn)防凍的目的。這種方法的缺點主要是電加熱裝置通電后水下絕緣的難度比較大，而如果絕緣失效，會導(dǎo)致系統(tǒng)短路，從而損毀裝置甚至發(fā)生事故；另外電加熱裝置的安裝也比較復(fù)雜，電加熱法能耗高，一般能耗為4 kW/m左右，本工程不予采納。

3.2 運行費用分析

因人工破冰、機械破冰以及電加熱法存在諸多缺點，故本工程不考慮采用。氣泡防冰能耗約0.05 kW/m，水泵擾動法按最小能耗0.4 kW/m計，設(shè)備運行期按90 d計算。氣泡防冰電能消耗為3.1968萬kW·h，水泵擾動法電能消耗為25.5744萬kW·h。若電費單價按0.675元計算，則水泵擾動法運行費用為17.2627萬元，氣泡防冰法運行費用為2.1578萬元，水泵攪動法多支出15.1049萬元。

通過對以上幾種方法進(jìn)行比較，西朱莊生態(tài)蓄水工程攔河閘設(shè)計為底橫軸轉(zhuǎn)動翻板閘門，為保護(hù)閘門在冬季不被凍冰壓力破壞，設(shè)計選用配套新型免維護(hù)氣泡發(fā)生器的氣泡防冰系統(tǒng)。在攔河閘上游設(shè)置1套氣泡防冰系統(tǒng)，對底橫軸轉(zhuǎn)動翻板閘門上游進(jìn)行防冰。

根據(jù)工程設(shè)計內(nèi)容，攔河閘左右側(cè)總長度300 m，采用一端供氣方式，左岸設(shè)一座空壓機站房，站房占地約40 m2，房高不低于3.5 m。空壓機及其他附屬設(shè)備包括供暖等總功率為200 kW。

4 結(jié)論

氣泡防冰系統(tǒng)在工程可靠性、布置方式、節(jié)省能耗、節(jié)約運營成本等方面均優(yōu)于其他幾種防冰方式，因此本工程最終選用配套新型免維護(hù)氣泡發(fā)生器的氣泡防冰系統(tǒng)。氣泡防冰工程在其他一些水利樞紐工程中已經(jīng)取得了良好的效果，希望本文的比較可為類似的防冰工程提供一定參考。