王紅霞

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

在冬季，很多水庫、水電站面臨冰凍問題，而冰層因溫度變化引起的膨脹力是對(duì)閘門的主要作用力。

冰膨脹力指冰層在溫度影響膨脹時(shí)，受到閘門約束而對(duì)其產(chǎn)生的作用，在很多情況下，冰的膨脹力對(duì)閘門會(huì)造成嚴(yán)重的危害。冰的力學(xué)特性十分復(fù)雜，影響因素很多，使得冰溫度膨脹力的估算存在很多不確定因素，當(dāng)冰層厚度不大時(shí)，產(chǎn)生的膨脹力比較小，對(duì)閘門不會(huì)產(chǎn)生影響，但當(dāng)冰層達(dá)到一定厚度時(shí)，當(dāng)環(huán)境溫度升高，冰層產(chǎn)生的溫度膨脹力會(huì)很大，足以對(duì)閘門產(chǎn)生破壞，一般會(huì)出現(xiàn)以下幾種破壞情況：一是結(jié)冰的閘門無法啟閉，比如引水渠道閘門與埋固件冰凍至無法正常運(yùn)行；二是靜冰力對(duì)擋水閘門和軌道產(chǎn)生破壞，閘門、軌道因此發(fā)生變形，嚴(yán)重的情況會(huì)導(dǎo)致焊縫部位開裂；三是結(jié)冰后體積膨脹，建筑材料結(jié)構(gòu)疏松，埋下工程隱患；四是閘門在冰荷載的作用下產(chǎn)生撓曲變形、開裂，影響閘門運(yùn)行；五是弧門如果結(jié)冰，可能會(huì)變形漏水；冰壓力直接作用在鉸支座上，也會(huì)導(dǎo)致鉸支座被壓裂；側(cè)壓力可以支開弧門，造成開啟困難。

1 大壩閘門防凍方法

1.1 電加熱融冰法

該方法是利用電伴熱，使附近結(jié)冰區(qū)域的水溫高于熔點(diǎn)。其缺點(diǎn)主要是存在水下絕緣問題，如果引起系統(tǒng)短路，將導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。該方法能耗高，一般能耗為4 kW/m 左右。

1.2 壓縮空氣吹冰法

該方法是利用壓縮空氣在水庫深處形成的溫水流以溶化冰層，同時(shí)防止新冰產(chǎn)生。優(yōu)點(diǎn)如下：（1）布置靈活，不受水深限制。氣泡發(fā)生器可以布置在門葉上，可以懸吊，也可以布置在混凝土閘底板上；（2）氣泡發(fā)生器能耗低，約為0.054 kW/m；（3）氣泡發(fā)生器運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單；（4）氣泡發(fā)生器無污染，可靠性高，環(huán)境友好；（5）免維護(hù)。

1.3 水泵擾動(dòng)破冰法

用潛水泵抽水庫深處水到水表，并將水射出，形成擾動(dòng)。水流連續(xù)不斷，加熱周邊水，融化冰層，并防止新冰產(chǎn)生。目前該方法應(yīng)用較為廣泛，主要問題是水泵入水深度需根據(jù)水位變化做出調(diào)整，否則水面即會(huì)結(jié)冰。水泵擾動(dòng)法能耗約為0.4 kW/m。

1.4 熱管傳熱破冰法

采用高導(dǎo)熱性的傳熱器件來破冰。 傳熱器件的安全可靠性還待進(jìn)一步提升。能耗為0。

1.5 人工破冰法

人工使用手工破冰工具在閘門前鑿除冰塊，防止閘門擠壓破壞。這種方法需要定時(shí)進(jìn)行，如果天氣極其寒冷，每天需要2-3 次刨冰。該方法費(fèi)用低廉，危險(xiǎn)性高，容易發(fā)生事故，適用于冰凍層薄、工作量小的情況。

1.6 機(jī)械破冰法

利用破冰機(jī)械沖撞結(jié)冰帶，打破冰層，形成通道，但需要循環(huán)反復(fù)破冰，以保持液體水的狀態(tài)，消除冰層對(duì)閘門的擠壓。該方法實(shí)施方便，運(yùn)用靈活，保證率高，費(fèi)用低廉。但破冰效果差；運(yùn)行人員容易落水。一般不采用。

2 工程簡(jiǎn)述

固定橋生態(tài)蓄水工程攔河閘位于桑干河干流冊(cè)田水庫庫尾固定橋上游約100 m 處，距離上游吉家莊橋3.85 km。

固定橋生態(tài)蓄水工程主河槽蓄水水位963 m，蓄水面積91 萬m2，蓄水量112.4 萬m3。攔河閘總長456 m，閘頂高程963 m，閘高3 m。汛期主要的泄洪通道為主河槽，攔河建筑物采用底橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)翻板閘。汛期洪水來臨，開閘泄洪排沙。非汛期立閘蓄水，河道基流通過閘頂溢流泄向下游。

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(qiáng)烈，并具有山區(qū)氣候的特征。本工程根據(jù)《山西省水文計(jì)算手冊(cè)》，冊(cè)田水庫站1960-2008 年冰情統(tǒng)計(jì)表，該站最早結(jié)冰日期10 月23 日，最晚冰融日期4 月13 日；封凍最早11 月10 日，最晚12 月11 日；實(shí)際封凍天數(shù)上半年最少51 d，最多102 d，下半年最少21 d，最多52 d；固定橋位置最大冰厚1.28 m，極端最低氣溫-31.9℃（2000 年大同縣），最大凍土深為1.86 m（1984 年大同縣）。

3 方案比選

本文將生態(tài)蓄水工程中目前常用的氣泡防冰法和水泵擾動(dòng)法進(jìn)行比選。

攔河閘總長度456 m，兩端供氣，左右兩岸分別設(shè)置兩座空壓機(jī)站房，每座站房空壓機(jī)及其他附屬設(shè)備總功率為50 kW，兩座站房共計(jì)總功率為100 kW。

氣泡防冰能耗約0.05 kW/m，水泵擾動(dòng)法按最小能耗約0.4 kW/m 計(jì)，設(shè)備運(yùn)行期按90 d 計(jì)算，電能消耗分別為氣泡防冰能耗49 248 kW·h，水泵擾動(dòng)法能耗393 984 kW·h，電費(fèi)單價(jià)按0.675元計(jì)算，則運(yùn)行費(fèi)用水泵擾動(dòng)法（26.593 9 萬元） 比氣泡防冰（3.324 2 萬元）多支出23.269 7 萬元。

4 結(jié)論

通過對(duì)氣泡防冰和水泵擾動(dòng)法的運(yùn)行費(fèi)用比較，固定橋生態(tài)蓄水工程選用氣泡防冰系統(tǒng)。在國內(nèi)外水利樞紐工程中，氣泡防冰系統(tǒng)被證實(shí)在工程可靠性、布置方式、節(jié)省能耗、節(jié)約成本等方面優(yōu)于其他防冰方式，并且在工程運(yùn)用中取得了良好效果，可以推廣使用。