淺談白石水庫表孔弧形閘門冬季破冰防凍方法

劉錫鳴

(遼寧省白石水庫管理局有限責(zé)任公司，遼寧 朝陽 122000)

1 白石水庫概況

白石水庫位于遼寧省北票市上園鎮(zhèn)附近的大凌河干流上，壩址以上控制流域面積17649km2，工程設(shè)計洪水標準為500年一遇，校核洪水標準為5000年一遇。大壩為部分采用RCD工法的碾壓混凝土重力壩，包括擋水壩段、溢流壩段、底孔壩段、取水壩段、電站壩段，壩頂長513m，最大壩高49.3m；溢流壩段布置在左側(cè)，溢流表孔11孔，每孔凈寬12m，溢流堰頂高程為115.00m，挑坎高程100.00m，設(shè)弧形鋼閘門，每扇弧門寬12m、高15.8m，最大泄洪流量20613m3/s；底孔壩段布置在右側(cè)，泄洪排沙底孔12孔，進口底高程為96.00m，出口挑坎高程98.50m，設(shè)平板鋼閘門，底孔進口寬4m、高7m，最大泄洪流量6013m3/s。工程總庫容16.45億m3，是一座以防洪、灌溉、城市供水為主，兼顧發(fā)電、養(yǎng)魚的大(1)型水庫工程。

2 閘門冬季破冰的必要性

白石水庫所在大凌河流域?qū)俸疁貛挠暄谉嵝蜌夂?，多年平均氣?℃左右，極端最高氣溫42℃，極端最低氣溫-37℃，冰凍期一般在12月份—次年3月份。水庫冰凍厚度一般為30cm，最厚可達50cm。

冬季結(jié)冰期，11孔表孔弧形閘門前結(jié)冰，由于水固結(jié)成冰后產(chǎn)生較大的冰脹力作用于門體，弧形閘門會發(fā)生縱向位移、門體局部變形、止水失效，將對閘門安全構(gòu)成威脅，嚴重影響閘門的正常穩(wěn)定運行。因此，做好閘門冬季破冰防凍工作至關(guān)重要。白石水庫工程投入運行20年來，先后采用幾種方法解決閘門冬季破冰防凍問題，經(jīng)過不斷改進和優(yōu)化破冰裝置，取得了目前較好的破冰效果。

3 破冰方法

3.1 人工破冰

白石水庫建成初期，普遍采用人工破冰方法，即使用冰镩、鐵鍬、鐵錘等工具破碎閘門前的結(jié)冰，開鑿出不結(jié)冰水帶，達到清除水面結(jié)冰的目的。該方法運行效果較為理想、費用較低，但是要求工人每日多次到冰上破冰，勞動強度大，危險系數(shù)高。

3.2 潛水泵破冰(多泵一管法)

根據(jù)白石水庫實際情況，管理人員自行設(shè)計了潛水泵連接管路的破冰方法。該方法是將潛水泵與鋼管通過軟管相連接，共有4臺三相2英寸出口潛水泵提供動力水源，管路為2英寸鋼管，在鋼管上間隔鉆取一定數(shù)量的出水孔，出水孔距離水面20～30cm，管管相連、泵泵相通，并以鐵桶作為浮體，從冰面以下4m處抽取4℃恒溫水融化閘門前的結(jié)冰。優(yōu)點在于破冰保證率較高，不會因為一泵故障而導(dǎo)致閘門破冰失效。但該法最大的弊端在于安裝復(fù)雜、維修困難，必須借助于船只才能完成安裝和檢修，危險系數(shù)依然較高，而且水泵功率較大，管徑較粗，造價較高。

4 潛水泵破冰(單泵單管法)改進和優(yōu)化

對多泵一管破冰法進行改進和優(yōu)化，實現(xiàn)了自動控制，提高了閘門運行管理水平，節(jié)省了人力、物力和財力。

4.1 單泵單管破冰裝置

該方法是一孔一泵一管，即在每一表孔閘門處安裝一臺單相1英寸潛水泵，與1英寸鋼管相連，以泡沫浮球作為設(shè)備浮體，該套裝置獨立工作，與其他破冰裝置互不影響，該套裝置由1英寸單相潛水泵、1英寸鋼管(鉆有出水孔)、連接法蘭、泡沫浮球、管箍、管堵等組成(見圖1)。

圖1 單泵單管破冰裝置示意圖

4.2 技術(shù)要求

4.2.1 潛水泵選擇

盡量選擇質(zhì)量較輕、性能較好的潛水泵，以便于安裝、檢修維護和拆卸。白石水庫根據(jù)幾年的運行效果，選擇了油浸式小型多級潛水電泵，型號是QYD3-35/2-1.1，揚程為35m，流量為3m3/h，功率為1.1kW，重量為17.2kg，該水泵平均運行壽命大概為5年，價格較為合理，為了減低故障率，每年安裝前要對其進行簡單的維護和保養(yǎng)。

4.2.2 確定鋼管出水孔數(shù)量和直徑

以截面積相等為原則，采用試驗和粗略計算相結(jié)合的方式確定。首先出水孔直徑不宜過小，要保證有

一定的出水量，選擇3mm直徑的鉆頭鉆孔，水泵出水管徑為25mm，可以計算出需要鉆取69個孔，同時考慮水頭損失因素，適當減少鉆孔數(shù)量。裝置組裝后，置于水中開展試驗，保證出水孔距離水面20～30cm，觀察出水孔的出水情況，要求出水不直射、不噴濺，僅在水面泛起水花、形成水波紋即為效果最佳。如不符合要求，則需要調(diào)整鉆孔數(shù)量。白石水庫破冰裝置根據(jù)試驗和實際運行效果確定鉆孔數(shù)量為60個。

4.2.3 確定浮體數(shù)量

以出水孔距離水面20～30cm為標準確定泡沫浮球數(shù)量。首先計算裝置整體質(zhì)量，要求所需浮球數(shù)量的承重量大于等于裝置總重量，以小型圓浮球作為微調(diào)浮體，置于水中開展試驗，直至裝置懸浮于水中，并保證出水孔距離水面20～30cm，此時破冰效果達到最佳。白石水庫破冰裝置根據(jù)試驗和實際運行效果確定了浮體數(shù)量：立管串用浮球6個，平管串用浮球16個，微調(diào)圓浮球2個。

4.3 破冰裝置自動控制

為了提高破冰裝置自動化程度，控制系統(tǒng)采用自動/手動兩種控制模式，由空氣開關(guān)、接觸器、時間繼電器、轉(zhuǎn)換開關(guān)、按鈕等組成，設(shè)定時間繼電器動作的時間達到自動控制。運行表明：在東北寒冷地區(qū)，每間隔2h運行1h即可滿足破冰要求。控制原理見圖2。

圖2 破冰裝置電氣原理

4.4 運行要點

由于該套設(shè)備質(zhì)量較輕，完全可以通過人力在壩面上完成一切操作，也可借助壩上門式啟閉機起吊完成安裝。安裝時要在壩面上先進行設(shè)備的組裝，并通過在設(shè)備兩端及中間部位拴三條繩索以控制其下落、上升。由于水面有風(fēng)浪干擾，加之水泵運轉(zhuǎn)力的影響，繩索可以起到固定裝置位置的作用。對于使用過的舊水泵，在安裝前一定要對其進行維護保養(yǎng)，并檢查管路是否銹蝕堵塞出水孔，減少故障率。

當破冰裝置在運行過程中發(fā)生故障時，首先要檢查自動控制裝置是否損壞，再判斷是否是水泵損壞，一旦水泵發(fā)生故障并且被凍于冰下，就要安排人員到冰上人工破冰檢修。為避免出現(xiàn)安全問題，一要做好破冰裝置運行情況的巡視檢查，二要做好水泵及自動控制系統(tǒng)的維護保養(yǎng)工作，三是通過安裝監(jiān)控設(shè)備實時觀察裝置運行情況，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

當水庫結(jié)冰融化后，要及時完成拆卸工作，避免因春季風(fēng)浪過大對管路造成破壞，通過繩索起吊裝置并拆卸完成即可。

4.6 單泵單管自動控制破冰裝置效果分析

該套裝置的優(yōu)點在于管路直徑小、浮體輕小，每孔獨立運行，為設(shè)備安裝、檢修和拆除提供了方便，極大節(jié)省了人力和物力，提高了水庫安全管理的水平，自動化程度高，設(shè)備造價較低，一套設(shè)備使用壽命可達5年以上。缺點是一旦水泵故障，則該孔閘門破冰無法正常進行，這就需要加強水泵維護和設(shè)備的運行巡視檢查。

5 結(jié) 語

單泵單管自動控制破冰裝置在白石水庫幾年的運行效果表明，該法適用于北方寒冷地區(qū)特別是東北地區(qū)的水庫閘門冬季破冰，技術(shù)較為成熟，成本較低，適用范圍廣，是閘門冬季破冰技術(shù)和方法的改進和優(yōu)化。