高寒地區(qū)面板堆石壩防冰裝置方法的新探索

張青疆

（新疆新華和田事業(yè)部，新疆 和田848000）

1 引言

水庫(kù)面板堆石壩是水電站水工建筑物重要的設(shè)施之一，是電站調(diào)汛防洪、電站發(fā)電的重要組成部分，為水庫(kù)安全提供可靠的保障。混凝土面板堆石壩以其良好的適應(yīng)性得到了廣泛的應(yīng)用，就氣候環(huán)境而言，無(wú)論是溫暖地區(qū)還是寒冷地區(qū)都有混凝土面板堆石壩興建，運(yùn)行情況良好。當(dāng)前，隨著水電開(kāi)發(fā)的持續(xù)發(fā)展，我國(guó)在寒冷地區(qū)修建的面板壩數(shù)量不斷增多，高寒山區(qū)和寒冷地區(qū)建成的面板壩近20多座?；炷撩姘鍓卧诩夹g(shù)和經(jīng)濟(jì)方面有其不可替代的優(yōu)勢(shì)。其在嚴(yán)寒地區(qū)，特別是在緯度較高地區(qū)，設(shè)計(jì)和施工在工程建設(shè)期間考慮和研究了防冰凍問(wèn)題，如：（1）提高面板混凝土抗?jié)B抗凍標(biāo)號(hào)；（2）面板表面涂刷防凍層；（3）適當(dāng)增加面板鋼筋含量為防止混凝土面板凍裂；（4）改進(jìn)表面止水與面板混凝土的連接方式，改變面板止水的結(jié)構(gòu)。而在面板堆石壩上防凍技術(shù)還處在探索階段，由于庫(kù)區(qū)結(jié)冰層與水工建筑物及金屬結(jié)構(gòu)緊密粘連，隨著庫(kù)區(qū)水位的變幅，冰的作用力已構(gòu)成對(duì)水庫(kù)安全運(yùn)行的影響。因此，大壩面板采用的防冰除冰技術(shù)對(duì)水庫(kù)安全管理顯得十分的重要和迫切。

2 背景

吉勒布拉克水電站位于新疆維吾爾自治區(qū)阿勒泰地區(qū)境內(nèi)的某河上，流域地處亞歐大陸腹地，于2014年4月投產(chǎn)發(fā)電。該電站位于東經(jīng)86°～87°，北緯48°～49°之間，電站區(qū)域多年平均氣溫為4℃，極端最高氣溫36.4℃，極端最低氣溫-40℃，最冷月平均氣溫-14.6℃，屬中緯度嚴(yán)寒地區(qū)。冰封期達(dá)到5～6個(gè)月之久，水庫(kù)水面冰凍層達(dá)0.8m至1.2m。面板堆石壩垂直縫止水在面板表面整體呈“Ω”形，該止水在面板混凝土澆筑以后開(kāi)始安裝，止水材料全部高出面板約20cm。其次還在面板表層涂刷的彈性聚氨酯，增加自補(bǔ)裂縫裝置，寒冷地區(qū)面板壩水位變化區(qū)的止水最容易產(chǎn)生冰凍破壞，破壞的形式有拉裂、擠壓、挫傷、靜冰推力。

進(jìn)入冬季后寒冷山區(qū)水庫(kù)庫(kù)區(qū)表面開(kāi)始結(jié)冰，粘連大壩結(jié)冰厚度最深可達(dá)120cm，水庫(kù)表面結(jié)冰以后冰與周?chē)鷰r體、大壩面板以及面板上的止水緊密接觸，庫(kù)區(qū)表面完全封閉。受電網(wǎng)調(diào)度影響，吉勒布拉克水電站冬季水位變化下降幅度可達(dá)10m左右，水位變化導(dǎo)致庫(kù)水表面的冰面在自身重力和水的浮力作用下會(huì)上下浮動(dòng)。在水位抬高的過(guò)程中冰面因浮力向上抬升，同時(shí)在冰層凍脹作用下向大壩方向頂推，冰層對(duì)面板表面凸起接縫止水產(chǎn)生擠壓作用，對(duì)止水造成冰拔力的破壞；在水位下降的過(guò)程中冰面因自重下沉，靠面板一側(cè)的冰塊將搭在混凝土面板表面，在隨著庫(kù)水位大幅降落最終會(huì)折斷，與庫(kù)冰脫離后的冰塊會(huì)匍匐在面板斜坡面上，冰塊在自重作用下有沿坡面下滑的傾向，冰塊對(duì)面板及止水產(chǎn)生下拉力，如果冰塊下部附著尖利的樹(shù)根等堅(jiān)硬物體，會(huì)對(duì)止水造成拉裂破壞；如果水位下降的速率較快，冰面急劇破裂，部分暫時(shí)滯留在混凝土面板及止水表面的冰塊將處于懸空狀態(tài)，在失穩(wěn)下滑過(guò)程中會(huì)對(duì)止水產(chǎn)生沖擊和擠壓，冰蓋層受溫度影響時(shí)產(chǎn)生的靜冰推力，以及結(jié)冰產(chǎn)生的幾種冰壓力現(xiàn)象是對(duì)庫(kù)區(qū)面板堆石壩及止水系統(tǒng)造成破壞的主要因素，同時(shí)閘門(mén)冬季被庫(kù)區(qū)結(jié)冰易產(chǎn)生擠壓變形。

3 面板堆石壩防冰技術(shù)現(xiàn)狀分析

對(duì)于高寒地區(qū)的面板堆石壩，水位變幅區(qū)的防結(jié)冰設(shè)計(jì)一直是個(gè)難解決的問(wèn)題。為防止冬季庫(kù)區(qū)因結(jié)冰造成面板堆石壩、垂直止水系統(tǒng)及其他水工建筑物、金屬結(jié)構(gòu)被破壞，地處高寒地區(qū)的水電站在如何保證水工建筑和金屬結(jié)構(gòu)安全上煞費(fèi)苦心，下足了功夫，目前國(guó)內(nèi)采用了幾種破冰方法，并在實(shí)踐中取得了一定的經(jīng)驗(yàn)和成效。

3.1 人工破冰法

用人工手操作的方式在庫(kù)區(qū)冰面上使用冰鎬、冰鉆、鋼釬、漏勺等工器具直接破碎冰層，達(dá)到冰層與建筑物表面的分離，形成不結(jié)冰的冰帶槽，簡(jiǎn)易改裝可以采用機(jī)械鑿冰窟窿的方式，但要結(jié)合冰層厚度。

3.2 潛水泵連接管路融冰法

這種方法是將潛水泵與鋼管管路相連，利用繩索或浮筒懸吊管路，采用潛水泵抽取庫(kù)區(qū)冰層下一定深層溫度的水，融化水面結(jié)冰，水面保持涌動(dòng)達(dá)到清除水面結(jié)冰的目的。

3.3 機(jī)船破冰法

當(dāng)水庫(kù)水面結(jié)冰未形成一定厚度，未能產(chǎn)生冰拉力、冰壓力的破壞程度，將機(jī)船開(kāi)至庫(kù)區(qū)迎水面結(jié)冰區(qū)，利用機(jī)船的推力將冰層沖撞開(kāi)，再利用船行動(dòng)時(shí)攪動(dòng)表面水體，使之保持形成不結(jié)冰帶，達(dá)到破冰的要求。

3.4 氣泡融冰法

用空壓機(jī)、輸氣管、電氣控制等設(shè)備，向庫(kù)區(qū)冰層下輸入空氣，通過(guò)水下設(shè)備裝置產(chǎn)生無(wú)數(shù)個(gè)微小氣泡，水泡浮出水面后爆裂，擾動(dòng)水面形成涌態(tài)，達(dá)到融冰不結(jié)冰的目的。

3.5 射流曝氣融冰法

利用潛水泵產(chǎn)生的水流經(jīng)過(guò)噴嘴形成高速水流，在噴嘴周?chē)纬韶?fù)壓吸入空氣，經(jīng)混合室與水流混合，在喇叭形的擴(kuò)散管內(nèi)產(chǎn)生水汽混合流，高速?lài)娚涠?，夾帶許多氣泡的水流在較大面積和深度的水域渦旋攪拌，達(dá)到融冰的目的。

4 防冰方法的比較

4.1 人工破冰法

優(yōu)點(diǎn)：保證率高，受環(huán)境影響較少，簡(jiǎn)單易操作，成本較低。

缺點(diǎn)：工作環(huán)境艱苦、具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低。

4.2 潛水泵連接管路融冰法

優(yōu)點(diǎn)：潛水泵數(shù)量少、易操作。

缺點(diǎn)：管路長(zhǎng)、泵體重、作業(yè)面大、人工安裝就位及檢修操作困難、需要人員較多，維護(hù)維修工作量較大，且不能完全避免冰堵。

4.3 機(jī)船破冰法

優(yōu)點(diǎn)：破冰效率高、受到外界環(huán)境的影響很小、費(fèi)用低。

缺點(diǎn)：受水域和水工建筑物的制約、巡更值班頻繁，存在安全隱患較大。

4.4 氣泡融冰法

優(yōu)點(diǎn)：無(wú)噪音、無(wú)污染、融冰范圍穩(wěn)定、自動(dòng)化程度高。

缺點(diǎn)：管線長(zhǎng)、布點(diǎn)多、安裝及維護(hù)受水面影響大、投資成本高。

4.5 射流曝氣融冰法

優(yōu)點(diǎn)：水氣混合率高、結(jié)構(gòu)緊湊、無(wú)需管路、節(jié)能環(huán)保、擾動(dòng)范圍大、投資成本低。

缺點(diǎn)：融冰范圍無(wú)規(guī)則，是大家進(jìn)一步研究的融冰課題。

5 射流曝氣防冰技術(shù)實(shí)施方案

鑒于5種融冰方法的比較分析，可以看出，射流曝氣法融冰投資成本低、融冰范圍大、低噪音、無(wú)污染、適應(yīng)性強(qiáng)，而且在安裝和維護(hù)上不受水面變幅的影響，完全能自動(dòng)化控制，實(shí)施遠(yuǎn)方監(jiān)控，不但有利于庫(kù)區(qū)安全運(yùn)行管理，又能降低運(yùn)行生產(chǎn)成本。

5.1 系統(tǒng)組成

射流式潛水曝氣機(jī)由浮箱、潛水電泵、進(jìn)氣管、電控系統(tǒng)與噴射器組成，設(shè)備使水體攪動(dòng)與空氣吸入同時(shí)進(jìn)行，既可獲得較高的空氣吸收率，較短時(shí)間內(nèi)提高水的溶解氧，又具有葉輪無(wú)堵塞的優(yōu)點(diǎn)。強(qiáng)有力的單向液流，造成有效的對(duì)流循環(huán)，且電機(jī)負(fù)荷隨水位的變化很小，噪音低，故障率小，安裝簡(jiǎn)單。

曝氣裝置原理：利用潛水電泵產(chǎn)生的水流經(jīng)過(guò)噴嘴形成高速水流，在噴嘴周?chē)纬韶?fù)壓吸入空氣，經(jīng)混合室與水流混合，在喇叭形的擴(kuò)散管內(nèi)產(chǎn)生水氣混合流，高速?lài)娚涠?，夾帶許多起泡的水流在較大面積和深度的水域內(nèi)渦旋攪拌，完成曝氣，并且其軸功率不隨潛水深度的變化而變化，進(jìn)氣量可以調(diào)節(jié)。正因?yàn)槿绱?，射流式曝氣機(jī)可以在水位變化較大的庫(kù)區(qū)融冰進(jìn)行探索和應(yīng)用。射流曝氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

5.2 射流式曝氣機(jī)安裝方式

射流曝氣機(jī)有漂浮式、沉水式、深水式及駁岸懸掛固定4種方式，無(wú)需專(zhuān)用的安裝基礎(chǔ)，根據(jù)需求靈活運(yùn)用，吉勒布拉克水庫(kù)選用漂浮式、沉水式2種安裝方案，2017年12月中旬，通過(guò)人工破冰的方法，鑿開(kāi)寬0.8m、長(zhǎng)1.2m，冰層厚度30cm的長(zhǎng)方形冰窟窿，將射流曝氣機(jī)裝置投入水中，利用輔助支架及電氣控制系統(tǒng)，歷經(jīng)數(shù)小時(shí)的運(yùn)行，庫(kù)區(qū)冰體與混凝土壩已被完全不結(jié)冰的水帶隔離開(kāi)，達(dá)到除冰防結(jié)冰的目的。

圖1

5.3 技術(shù)路線

設(shè)備采購(gòu)→搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)→試壓?jiǎn)?dòng)→收集數(shù)據(jù)→調(diào)整可變參數(shù)→確定在不同溫度下恒定量、可調(diào)量對(duì)融冰范圍的影響→裝置技術(shù)的改進(jìn)→投入運(yùn)行。

設(shè)備適用范圍見(jiàn)表1。

表1

5.4 實(shí)現(xiàn)功能

射流曝氣法防除冰技術(shù)采用的是先進(jìn)的進(jìn)口設(shè)備——射流式潛水曝氣機(jī)，根據(jù)2017年冬季庫(kù)區(qū)融冰實(shí)際應(yīng)用案例，單機(jī)在-23℃，實(shí)際表明該設(shè)備運(yùn)行時(shí)的有效防冰區(qū)域設(shè)備出口寬為2.5m、融冰縱深長(zhǎng)度27m、融冰寬幅由2.5m逐漸變窄為0.2m，且成本較低，每臺(tái)3kW射流曝氣機(jī)耗電量55kW·h/d，并能適應(yīng)不同的水位變幅。通過(guò)試驗(yàn)平臺(tái)，在極寒天氣-36℃，探索驗(yàn)證適合吉勒布拉克庫(kù)區(qū)面板堆石壩防結(jié)冰裝置，其有效防冰區(qū)域能夠達(dá)到10～15m。運(yùn)行效果如圖2、圖3。

5.5 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（1）不受冬季氣溫、水庫(kù)水位變幅影響，投放及退出簡(jiǎn)易方便，開(kāi)機(jī)后能自然融冰，融冰速率0.5cm/h，擾動(dòng)范圍大。

（2）電機(jī)噴氣角度可作上下90°調(diào)整，水封方式采用雙重機(jī)械軸封，調(diào)頻變速可以使裝置沿壩軸線平行前移和后退，且設(shè)備投資少。

圖2 水庫(kù)局部實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

（3）結(jié)構(gòu)緊湊，充氣率高，噪音低，故障率小，具有節(jié)能低耗環(huán)保優(yōu)點(diǎn)。

（4）具有水循環(huán)功能，不受空間條件限制，集曝氣、攪拌、混合、推流為一體。

圖3 水庫(kù)局部實(shí)驗(yàn)效果圖

6 結(jié)束語(yǔ)

高寒地區(qū)面板堆石壩現(xiàn)階段在防治冰害方面存在不足，現(xiàn)有防冰技術(shù)處理除傳統(tǒng)的人工破冰、潛水泵射流、氣泡融冰等均為水工建筑物局部結(jié)構(gòu)區(qū)（閘門(mén)）使用。而庫(kù)區(qū)面板堆石壩因壩體長(zhǎng)，防結(jié)冰范圍大，壩面迎水面水位變幅區(qū)受冰凍破壞嚴(yán)重，是傳統(tǒng)防冰作業(yè)無(wú)法完成的。本文通過(guò)射流曝氣原理和性能，以其作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行大范圍、長(zhǎng)距離防結(jié)冰裝置方法的探索，形成自動(dòng)化、智能化運(yùn)行，設(shè)備數(shù)量少，低能耗的新型實(shí)用的裝置，實(shí)現(xiàn)了面板堆石壩庫(kù)區(qū)大范圍的防除冰技術(shù)新突破。