延安黃河引水工程取水口防冰凍設(shè)計(jì)討論

張 琳，董旭榮，安術(shù)鑫

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710000）

延安黃河引水工程是以黃河為水源的長(zhǎng)距離引水工程,根據(jù)取水口布置,對(duì)擬定的防冰凍方案進(jìn)行試驗(yàn),通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果調(diào)整防冰凍方案,從而制定滿足延安引黃斗槽取水口防冰凍要求的防冰凍方案。

1 影響防冰凍的因素

1.1 冰情

取水口位于延川縣延水關(guān)鎮(zhèn)王家渠村東南的黃河右岸,取水口從黃河主河道直接取水,查閱延水關(guān)上游水文站吳堡（二）站2013 年~2015 年流冰觀測(cè)資料,極端最低氣溫-22.5℃,河道冰期最長(zhǎng)天數(shù)134 天,最短天數(shù)52 天。根據(jù)2013年吳堡（二）站實(shí)測(cè)冰流量成果表和逐日平均冰流量表顯示,冬季最大冰流量17.7 m3/s,春季最大冰流量21 m3/s,最大岸邊冰厚0.21 m,河心最大冰厚或冰花厚0.19 m,最大冰速2 m/s,最大冰花密度0.81 t/m3；2014年吳堡（二）站實(shí)測(cè)冰流量成果表和逐日平均冰流量表顯示,冬季最大冰流量39.4 m3/s,春季最大冰流量12.2 m3/s,最大岸邊冰厚0.25 m,河心最大冰厚或冰花厚0.22 m,最大冰速1.43 m/s,最大冰花密度0.91 t/m3；2015 年吳堡（二）站實(shí)測(cè)冰流量成果表和逐日平均冰流量表顯示,冬季最大冰流量9.3 m3/s,春季最大冰流量24.3 m3/s,最大岸邊冰厚0.49 m,河心最大冰厚或冰花厚0.16 m,最大冰速1.65 m/s,最大冰花密度0.86 t/m3。

根據(jù)取水口現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),由于河道流冰量大、流速快,岸邊浮冰存在攀爬現(xiàn)象,取水口從河道直接取水必須首先解決浮冰擠壓、攀爬、擁堵等問(wèn)題,在解決雍冰的情況下仍需解決取水口結(jié)冰問(wèn)題,防止斗槽及閘門承受冰壓力以及結(jié)冰影響取水口取水保證率。因此取水口防冰凍的關(guān)鍵在于解決雍冰和冰凍兩個(gè)問(wèn)題。

1.2 泥沙

取水樞紐地處黃河中游吳堡至龍門區(qū)間,晉、陜峽谷中段,地貌的最大特征是溝壑縱橫,支離破碎,植被條件總體較差,水土流失十分嚴(yán)重,是黃河泥沙的來(lái)源區(qū)之一。泥沙主要是由于暴雨對(duì)流域強(qiáng)烈的侵蝕作用形成的,黃河延水關(guān)取水樞紐所在河段流域具有水沙關(guān)系協(xié)調(diào)、年際變化大、年內(nèi)分配不均的特點(diǎn)。根據(jù)吳堡站實(shí)測(cè)泥沙資料統(tǒng)計(jì),吳堡站多年平均懸移質(zhì)輸沙量為4.05 億t,多年平均含沙量17.3 kg/m3。其中,7月～10月多年平均輸沙量為3.42億t,占年輸沙量的84.4%；11月～次年6月多年平均輸沙量為0.63億t,占年輸沙量的15.6%。延水關(guān)取水樞紐斷面多年平均懸移質(zhì)輸沙量5.82億t ,多年平均含沙量為23.5 kg/m3。

冬季由于上游降雨、降雪以及上游萬(wàn)家寨水庫(kù)泄洪造成取水口河道水位和泥沙含量突長(zhǎng),水位和泥沙含量變幅大等因素,增加了取水口防冰凍難度。

2 取水口布置

延安黃河引水工程取水斗槽設(shè)有上、下游兩個(gè)取水口,兩個(gè)取水口對(duì)稱布置,取水斗槽總長(zhǎng)度160 m,斗槽為封閉式箱體結(jié)構(gòu)。上游取水口與黃河主河道順?biāo)鞑贾?進(jìn)口處傾斜布置一道25.3 m×0.8 m（寬×高）浮箱式導(dǎo)冰排（下游取水口未設(shè)導(dǎo)冰排）,上游取水口從上游至下游依次設(shè)有1 扇7 m×8.55 m（寬×高）露頂式攔污粗柵,1 扇7 m×2 m（單節(jié)門葉高1 m,共兩節(jié)）露頂式疊梁擋沙閘門,1 扇7 m×15.75 m（寬×高）露頂式攔污細(xì)柵,1 扇7 m×2 m（寬×高）潛孔式取水閘門,取水口閘頂設(shè)置1 臺(tái)單向門式啟閉機(jī)進(jìn)行攔污柵清污和閘門啟閉。

3 防冰凍試驗(yàn)

此次試驗(yàn)對(duì)上游取水口擬定的防冰凍方案進(jìn)行試驗(yàn)。上游取水口防冰凍裝置采用兩套壓力水射流法擾動(dòng)裝置,1 套位于導(dǎo)冰排前,為一字型布置,長(zhǎng)度與導(dǎo)冰排相同,1 套位于三角區(qū)域,為L(zhǎng)型布置,緊靠側(cè)墻和攔污粗柵前。擾動(dòng)裝置分別采用兩套融冰泵驅(qū)動(dòng)。每套擾動(dòng)裝置采用鋼絲繩手動(dòng)起吊,噴水管懸吊于水面下500 mm。

壓力水射流法擾動(dòng)裝置工作原理：壓力水射流法采用潛水泵抽取黃河源水,通過(guò)高壓軟管將水送入噴水鋼管,噴水鋼管上布置有噴嘴,根據(jù)計(jì)算確定潛水泵揚(yáng)程、噴嘴數(shù)量、間距等,噴水鋼管放置于水面下20 cm左右,通過(guò)噴嘴從水下向上噴水,增加水面動(dòng)能從而達(dá)到水面不結(jié)冰的目的。

冬季取水口運(yùn)行條件與設(shè)想不一致,上游萬(wàn)家寨水庫(kù)冬季為高水頭運(yùn)行,不間斷會(huì)有泄洪情況,水庫(kù)泄洪、降雨以及降雪時(shí)河道水位突長(zhǎng),泥沙含量陡增,導(dǎo)致融冰泵和噴水鋼管堵塞嚴(yán)重,最終損壞融冰泵。因此像延安引黃這種干流取水口不適合采用壓力水射流法擾動(dòng)裝置作為防冰凍裝置。

因壓力水射流法擾動(dòng)裝置無(wú)法滿足取水口防冰凍要求,進(jìn)而對(duì)壓縮空氣擾動(dòng)裝置進(jìn)行試驗(yàn)。壓縮空氣擾動(dòng)裝置采用一臺(tái)空壓機(jī)驅(qū)動(dòng),空壓機(jī)出口設(shè)置調(diào)壓閥,通過(guò)高壓軟管將壓縮空氣輸送至噴氣鋼管,鋼管上布置有噴嘴,根據(jù)計(jì)算確定噴嘴數(shù)量、間距及噴氣壓力,噴氣鋼管放置于水面下50 cm左右,通過(guò)噴嘴從下往上噴氣,氣泡上升至水面爆破擾動(dòng)水流從而起到防止水面結(jié)冰的目的,試驗(yàn)初期采用一臺(tái)活塞式壓縮機(jī)為動(dòng)力源。

試驗(yàn)結(jié)果表明,采用壓縮空氣擾動(dòng)裝置能起到很好的融冰效果,在多泥沙環(huán)境下也能正常工作,不受泥沙淤積影響,相比壓力水射流法擾動(dòng)裝置更適合在引黃工程這種多泥沙河流中應(yīng)用。因試驗(yàn)用空壓機(jī)為活塞式,且臨時(shí)采購(gòu)設(shè)備功率較小,空壓機(jī)無(wú)法長(zhǎng)期工作,后期永久設(shè)備需采用螺桿式空壓機(jī)。

4 取水口最終防冰凍方案

經(jīng)過(guò)防冰凍試驗(yàn),調(diào)整上游取水口防冰凍方案。將上游取水口阻水導(dǎo)冰排更換為不阻水的攔冰網(wǎng),通過(guò)攔冰網(wǎng)將河道浮冰攔截,攔冰網(wǎng)頂部閘墩上增設(shè)鋼桁架橋,桁架橋上布置起吊攔冰網(wǎng)用電動(dòng)葫蘆,并在桁架梁上設(shè)置破冰錘,用來(lái)破除攔冰網(wǎng)上游凍冰。在攔冰網(wǎng)至攔污粗柵三角區(qū)域內(nèi)布置兩套壓縮空氣擾動(dòng)裝置,一套為矩形,位于攔冰網(wǎng)后,與攔冰網(wǎng)平行布置,一套為三角形,靠上游側(cè)墻布置,兩套擾動(dòng)裝置共用一臺(tái)螺桿式空壓機(jī),擾動(dòng)裝置設(shè)有儲(chǔ)氣罐、過(guò)濾柜、吸干機(jī)等設(shè)備,確保三角區(qū)域冬季不結(jié)冰。每套擾動(dòng)裝置分別采用兩套固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)起吊,不工作時(shí)將擾動(dòng)裝置提出水面。壓縮空氣擾動(dòng)裝置采用自動(dòng)化控制,擾動(dòng)裝置可根據(jù)水溫自動(dòng)調(diào)整噴氣壓力和脈沖噴氣頻率。

5 結(jié)論

延安引黃取水口防冰凍設(shè)計(jì)首先應(yīng)考慮影響防冰凍效果的因素,經(jīng)過(guò)多次防冰凍試驗(yàn),影響取水口融冰效果的主要因素有：擾動(dòng)裝置選擇、取水口布置、河道冰情、泥沙含量、氣溫等。

通過(guò)試驗(yàn)論證,原設(shè)計(jì)上游取水口浮箱式導(dǎo)冰排設(shè)置是很有必要的,但浮箱式結(jié)構(gòu)不利于斗槽防冰、防沙。防冰凍試驗(yàn)后將進(jìn)口導(dǎo)冰排更換為不阻水的攔冰網(wǎng),攔冰網(wǎng)配套有起吊設(shè)備,在不攔冰時(shí)將攔冰網(wǎng)提出水面上,防止攔冰網(wǎng)因污物堵塞影響取水。攔冰網(wǎng)上游增設(shè)了破冰錘,用來(lái)破碎攔冰網(wǎng)上游凍冰,確保攔冰網(wǎng)運(yùn)行安全。

在試驗(yàn)過(guò)程中,取水口在極端氣溫下（夜間最低氣溫-22℃）,河道因降溫流速降低,河道浮冰從導(dǎo)冰排下越過(guò)導(dǎo)冰排,擁堵在攔污粗柵前,致使攔污粗柵前結(jié)冰,隨著時(shí)間推移,結(jié)冰區(qū)域向?qū)П派嫌窝由?冰面可觀察到延伸結(jié)冰產(chǎn)生的褶皺現(xiàn)象,最終導(dǎo)致斗槽取水口前整個(gè)三角區(qū)域全部?jī)鼋Y(jié)。因此取水口防冰凍設(shè)計(jì)必須將河道流冰攔截在導(dǎo)冰排外,且三角區(qū)域擾動(dòng)裝置需根據(jù)環(huán)境溫度調(diào)整擾動(dòng)頻率,進(jìn)而論證取水口防冰凍自動(dòng)化設(shè)計(jì)的必要性。

對(duì)于延安引黃這種取水口,由于河道流冰量大,泥沙、水位情況復(fù)雜,適合采用較傳統(tǒng)的防冰凍方式。

在整個(gè)冬季,取水口處河道流冰量大,在防冰凍設(shè)計(jì)初期設(shè)想通過(guò)防冰凍裝置阻止河道流冰擁擠導(dǎo)冰排以及將導(dǎo)冰排前雍冰融化是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。對(duì)待河道雍冰只能采用河道流態(tài)順勢(shì)導(dǎo)走。因此取水口防冰凍設(shè)計(jì)僅考慮將上游雍冰攔截在導(dǎo)冰排前,在導(dǎo)冰排前形成大冰蓋時(shí)通過(guò)破冰錘破碎導(dǎo)冰排前浮冰,防止雍冰擠壓導(dǎo)冰排,影響導(dǎo)冰排運(yùn)行安全。在導(dǎo)冰排后至攔污粗柵前三角區(qū)域設(shè)置融冰裝置,確保三角區(qū)域不結(jié)冰。取水斗槽攔污粗柵后均為封閉箱體式,只要確保三角區(qū)域不結(jié)冰,整個(gè)斗槽便不會(huì)不結(jié)冰,從而達(dá)到冬季取水要求。