新型氣泡防冰系統在固定橋生態蓄水工程中的應用

王紅霞

（山西省水利水電勘測設計研究院，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閘門的主要作用力。

冰膨脹力指冰層在溫度影響膨脹時，受到閘門約束而對其產生的作用，在很多情況下，冰的膨脹力對閘門會造成嚴重的危害。冰的力學特性十分復雜，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，當冰層厚度不大時，產生的膨脹力比較小，對閘門不會產生影響，但當冰層達到一定厚度時，當環境溫度升高，冰層產生的溫度膨脹力會很大，足以對閘門產生破壞，一般會出現以下幾種破壞情況：一是結冰的閘門無法啟閉，比如引水渠道閘門與埋固件冰凍至無法正常運行；二是靜冰力對擋水閘門和軌道產生破壞，閘門、軌道因此發生變形，嚴重的情況會導致焊縫部位開裂；三是結冰后體積膨脹，建筑材料結構疏松，埋下工程隱患；四是閘門在冰荷載的作用下產生撓曲變形、開裂，影響閘門運行；五是弧門如果結冰，可能會變形漏水；冰壓力直接作用在鉸支座上，也會導致鉸支座被壓裂；側壓力可以支開弧門，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，使附近結冰區域的水溫高于熔點。其缺點主要是存在水下絕緣問題，如果引起系統短路，將導致安全事故的發生。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，同時防止新冰產生。優點如下：（1）布置靈活，不受水深限制。氣泡發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）氣泡發生器能耗低，約為0.054 kW/m；（3）氣泡發生器運行維護簡單；（4）氣泡發生器無污染，可靠性高，環境友好；（5）免維護。

1.3 水泵擾動破冰法

用潛水泵抽水庫深處水到水表，并將水射出，形成擾動。水流連續不斷，加熱周邊水，融化冰層，并防止新冰產生。目前該方法應用較為廣泛，主要問題是水泵入水深度需根據水位變化做出調整，否則水面即會結冰。水泵擾動法能耗約為0.4 kW/m。

1.4 熱管傳熱破冰法

采用高導熱性的傳熱器件來破冰。 傳熱器件的安全可靠性還待進一步提升。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。這種方法需要定時進行，如果天氣極其寒冷，每天需要2-3 次刨冰。該方法費用低廉，危險性高，容易發生事故，適用于冰凍層薄、工作量小的情況。

1.6 機械破冰法

利用破冰機械沖撞結冰帶，打破冰層，形成通道，但需要循環反復破冰，以保持液體水的狀態，消除冰層對閘門的擠壓。該方法實施方便，運用靈活，保證率高，費用低廉。但破冰效果差；運行人員容易落水。一般不采用。

2 工程簡述

固定橋生態蓄水工程攔河閘位于桑干河干流冊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動翻板閘。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。

桑干河流域地處內陸高原，屬北溫帶較干燥的大陸性氣候，受季風影響強烈，并具有山區氣候的特征。本工程根據《山西省水文計算手冊》，冊田水庫站1960-2008 年冰情統計表，該站最早結冰日期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；實際封凍天數上半年最少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

本文將生態蓄水工程中目前常用的氣泡防冰法和水泵擾動法進行比選。

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

氣泡防冰能耗約0.05 kW/m，水泵擾動法按最小能耗約0.4 kW/m 計，設備運行期按90 d 計算，電能消耗分別為氣泡防冰能耗49 248 kW·h，水泵擾動法能耗393 984 kW·h，電費單價按0.675元計算，則運行費用水泵擾動法（26.593 9 萬元） 比氣泡防冰（3.324 2 萬元）多支出23.269 7 萬元。

4 結論

通過對氣泡防冰和水泵擾動法的運行費用比較，固定橋生態蓄水工程選用氣泡防冰系統。在國內外水利樞紐工程中，氣泡防冰系統被證實在工程可靠性、布置方式、節省能耗、節約成本等方面優于其他防冰方式，并且在工程運用中取得了良好效果，可以推廣使用。