張 琳，董旭榮，安術(shù)鑫

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院,陜西 西安 710000）

延安黃河引水工程是以黃河為水源的長距離引水工程,根據(jù)取水口布置,對擬定的防冰凍方案進行試驗,通過試驗結(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 年流冰觀測資料,極端最低氣溫-22.5℃,河道冰期最長天數(shù)134 天,最短天數(shù)52 天。根據(jù)2013年吳堡（二）站實測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）站實測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）站實測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)場觀測,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、擁堵等問題,在解決雍冰的情況下仍需解決取水口結(jié)冰問題,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問題。

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,水土流失十分嚴重,是黃河泥沙的來源區(qū)之一。泥沙主要是由于暴雨對流域強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。根據(jù)吳堡站實測泥沙資料統(tǒng)計,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、降雪以及上游萬家寨水庫泄洪造成取水口河道水位和泥沙含量突長,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、下游兩個取水口,兩個取水口對稱布置,取水斗槽總長度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水流布置,進口處傾斜布置一道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 臺單向門式啟閉機進行攔污柵清污和閘門啟閉。

3 防冰凍試驗

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

壓力水射流法擾動裝置工作原理：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)計算確定潛水泵揚程、噴嘴數(shù)量、間距等,噴水鋼管放置于水面下20 cm左右,通過噴嘴從水下向上噴水,增加水面動能從而達到水面不結(jié)冰的目的。

冬季取水口運行條件與設(shè)想不一致,上游萬家寨水庫冬季為高水頭運行,不間斷會有泄洪情況,水庫泄洪、降雨以及降雪時河道水位突長,泥沙含量陡增,導(dǎo)致融冰泵和噴水鋼管堵塞嚴重,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裝置作為防冰凍裝置。

因壓力水射流法擾動裝置無法滿足取水口防冰凍要求,進而對壓縮空氣擾動裝置進行試驗。壓縮空氣擾動裝置采用一臺空壓機驅(qū)動,空壓機出口設(shè)置調(diào)壓閥,通過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,通過噴嘴從下往上噴氣,氣泡上升至水面爆破擾動水流從而起到防止水面結(jié)冰的目的,試驗初期采用一臺活塞式壓縮機為動力源。

試驗結(jié)果表明,采用壓縮空氣擾動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裝置更適合在引黃工程這種多泥沙河流中應(yīng)用。因試驗用空壓機為活塞式,且臨時采購設(shè)備功率較小,空壓機無法長期工作,后期永久設(shè)備需采用螺桿式空壓機。

4 取水口最終防冰凍方案

經(jīng)過防冰凍試驗,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)用電動葫蘆,并在桁架梁上設(shè)置破冰錘,用來破除攔冰網(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,兩套擾動裝置共用一臺螺桿式空壓機,擾動裝置設(shè)有儲氣罐、過濾柜、吸干機等設(shè)備,確保三角區(qū)域冬季不結(jié)冰。每套擾動裝置分別采用兩套固定卷揚式啟閉機起吊,不工作時將擾動裝置提出水面。壓縮空氣擾動裝置采用自動化控制,擾動裝置可根據(jù)水溫自動調(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)計首先應(yīng)考慮影響防冰凍效果的因素,經(jīng)過多次防冰凍試驗,影響取水口融冰效果的主要因素有：擾動裝置選擇、取水口布置、河道冰情、泥沙含量、氣溫等。

通過試驗論證,原設(shè)計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。防冰凍試驗后將進口導(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,用來破碎攔冰網(wǎng)上游凍冰,確保攔冰網(wǎng)運行安全。

在試驗過程中,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三角區(qū)域全部凍結(jié)。因此取水口防冰凍設(shè)計必須將河道流冰攔截在導(dǎo)冰排外,且三角區(qū)域擾動裝置需根據(jù)環(huán)境溫度調(diào)整擾動頻率,進而論證取水口防冰凍自動化設(shè)計的必要性。

對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。

在整個冬季,取水口處河道流冰量大,在防冰凍設(shè)計初期設(shè)想通過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法實現(xiàn)的。對待河道雍冰只能采用河道流態(tài)順勢導(dǎo)走。因此取水口防冰凍設(shè)計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通過破冰錘破碎導(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,整個斗槽便不會不結(jié)冰,從而達到冬季取水要求。