孫冬艷

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西 太原 030024）

1 工程概況

西朱莊生態(tài)蓄水工程地處山西省應(yīng)縣縣城西北5.5 km的西朱莊村北1.0 km的桑干河干流上，閘址位于西朱莊大橋下游200 m處。工程建設(shè)主要內(nèi)容為攔河閘1座，長300 m，其中河道左側(cè)攔河閘長222 m，高2.0 m，右側(cè)攔河閘長78 m，高2.0 m；生態(tài)護岸約0.5 km；管理站1處，建筑面積約300 m2。工程等別為Ⅴ等，主要建筑物級別為5級。項目實施完成將形成景觀濕地41.3萬m2，蓄水量23.2萬m3，工程施工總工期為12個月。

2 防冰的必要性

冰層達到一定厚度時，會對閘門造成嚴重的危害。冰凍對閘門的危害情形主要有：一是冰層與閘門牢固凍結(jié)情況下，若遇氣溫升高，冰層膨脹變形，對閘門產(chǎn)生壓力；水位的升降對冰層與閘門的凍結(jié)體，產(chǎn)生上抬力或下拉力。都將導(dǎo)致閘門和閘墩超載，超荷載運行會導(dǎo)致閘門變形與破損。二是冰蓋靜壓力超過閘門最大承載力，閘門被壓壞。三是閘門兩側(cè)邊緣與門槽及門軸被凍結(jié)，導(dǎo)致閘門無法正常運行。

西朱莊生態(tài)蓄水工程所處的桑干河流域，地處內(nèi)陸高原，屬北溫帶較干燥的大陸性氣候，受季風(fēng)影響強烈，并具有山區(qū)氣候特征。根據(jù)《山西省水文計算手冊》西朱莊水文站1960～2008年冰情統(tǒng)計表查知，該站最早結(jié)冰日期10月27日，最晚冰融日期4月5日；封凍最早11月8日，最晚12月8日；實際封凍天數(shù)上半年最少32 d，最多85 d，下半年最少24 d，最多54 d；工程區(qū)域最大冰厚1.28 m，極端最低氣溫-31.9℃，最大凍土深為1.57 m。

《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》（SL 74-2013）3.1.8條規(guī)定，閘門不得承受冰的靜壓力。為保證西朱莊生態(tài)蓄水工程攔河閘結(jié)冰期的安全正常運行，需在閘門前后設(shè)置防冰系統(tǒng)。

3 防冰技術(shù)方案比選

3.1 防冰方法

3.1.1 人工破冰、機械破冰

人工破冰法。工人使用鋼釬、冰鏟和十字鎬等破冰工具在閘門前鑿出不結(jié)冰帶，在結(jié)冰厚度達到危險厚度之前再次刨開，防止閘門被擠壓破壞的方法。人工破冰需定期進行，一般每天刨開一次，針對出現(xiàn)極寒天氣的情況，則需要每天進行2～3次的刨開。這種方法破冰率高，受客觀因素影響小且費用較低，但工作條件艱苦，且工人施工的危險系數(shù)高，不適應(yīng)安全生產(chǎn)和自動化運行的要求。此方法適用于冰凍層不厚、工作范圍較小、工作量較小的情況，不適用于本工程，不予采納。

機械破冰法。當(dāng)冰層較薄時，利用破冰機械沖撞結(jié)冰帶，在閘門前形成一條通道，然后定期進行破冰，確保通道水體始終處于液體狀態(tài)，從而有效防止冰層擠壓閘門的方法。該方法運行費用較低，能有效破冰，但機械操作人員非常辛苦，并且存在操作員落水的可能，從長遠發(fā)展來看，這種方法是要被取締的。因此本工程不予采納。

3.1.2 氣泡防冰

空壓機噴出的壓縮氣體在水庫及蓄水區(qū)深處形成溫水流，使表面冰層溶化，同時防止形成新冰層的方法。氣泡防冰系統(tǒng)一般由兩臺空壓機、兩個貯氣罐、管網(wǎng)及控制元件等組成，一次性投資及運行費用較高。

以往的吹氣單元原理簡單、吹氣單元運行可靠性差，出氣量不均勻，無法有效除冰，管道布置也比較復(fù)雜，每年拆裝吹氣單元費時費工，工作存在人身安全隱患，只有少數(shù)電廠水庫在延續(xù)使用。

新型免維護氣泡發(fā)生器，可以在水下發(fā)生符合形成流場要求的連續(xù)的氣泡群，氣泡群在初速度及浮力作用下向上運動，帶動氣泡群周圍水體產(chǎn)生沿豎向流動，形成局部環(huán)流的流場，流場內(nèi)流動的水破壞并阻止生成結(jié)晶體（冰核），沒有結(jié)晶體（冰核）的水即使在過冷狀態(tài)下也不會結(jié)冰，從而使流場范圍內(nèi)的水面不結(jié)冰。

氣泡防冰系統(tǒng)設(shè)備布置靈活、防冰效果顯著、能耗低（約為0.05 kW/m）?？諌簷C及系統(tǒng)主要設(shè)備均采用一工一備模式，水下防冰工作裝置免維護，整套設(shè)備工作可靠性高，減輕了運行維護工作量，可以實現(xiàn)自動運行和遠程監(jiān)控。水下防冰工作裝置，布置方式多樣，可以固定在閘底板混凝土中，也可以布置在門體上，不需要在孔口上方架設(shè)固定梁，整體美觀；自密封性能好,污物一般無法進入，工作的可靠度高；可隨環(huán)境溫度變化調(diào)節(jié)輸出功率，節(jié)能效果好；具有背壓，可使多個子單元同時工作時保持均勻流暢。

根據(jù)《水利發(fā)展研究》2016年12期，高志遠、刁彥斌的《寒冷地區(qū)閘門防冰方法研究及其應(yīng)用》文章中闡述，白俄羅斯維捷布斯克水電站和我國吉林松原哈達山水利樞紐工程均采用了氣泡防冰技術(shù)，并取得了良好的防冰效果。使用氣泡防冰技術(shù)后，兩個工程的閘門面板前部約有1.50 m（上、下游方向）的不凍區(qū)域，消除了靜冰壓力對閘門的擠壓作用。同時，閘門兩側(cè)邊緣與門槽及門軸結(jié)合部位也完全消除了結(jié)冰狀況，為冬季開啟閘門創(chuàng)造了條件。

3.1.3 水泵擾動法

通過潛水泵把底層溫度較高的水抽到水面上，并使用管道在水體表面進行噴射擾動，使閘門周邊表層水的溫度升高，從而防止結(jié)冰。這種方法設(shè)備和操作都比較簡單，不足是當(dāng)水位變化時必須及時調(diào)整水泵入水深度，一旦調(diào)整不及時水面就會結(jié)冰。另外能耗高，一般能耗為0.4～0.8 kW/m。

3.1.4 電加熱法

通過電加熱裝置對閘門附近水域表層水體加熱，進而實現(xiàn)防凍的目的。這種方法的缺點主要是電加熱裝置通電后水下絕緣的難度比較大，而如果絕緣失效，會導(dǎo)致系統(tǒng)短路，從而損毀裝置甚至發(fā)生事故；另外電加熱裝置的安裝也比較復(fù)雜，電加熱法能耗高，一般能耗為4 kW/m左右，本工程不予采納。

3.2 運行費用分析

因人工破冰、機械破冰以及電加熱法存在諸多缺點，故本工程不考慮采用。氣泡防冰能耗約0.05 kW/m，水泵擾動法按最小能耗0.4 kW/m計，設(shè)備運行期按90 d計算。氣泡防冰電能消耗為3.1968萬kW·h，水泵擾動法電能消耗為25.5744萬kW·h。若電費單價按0.675元計算，則水泵擾動法運行費用為17.2627萬元，氣泡防冰法運行費用為2.1578萬元，水泵攪動法多支出15.1049萬元。

通過對以上幾種方法進行比較，西朱莊生態(tài)蓄水工程攔河閘設(shè)計為底橫軸轉(zhuǎn)動翻板閘門，為保護閘門在冬季不被凍冰壓力破壞，設(shè)計選用配套新型免維護氣泡發(fā)生器的氣泡防冰系統(tǒng)。在攔河閘上游設(shè)置1套氣泡防冰系統(tǒng)，對底橫軸轉(zhuǎn)動翻板閘門上游進行防冰。

根據(jù)工程設(shè)計內(nèi)容，攔河閘左右側(cè)總長度300 m，采用一端供氣方式，左岸設(shè)一座空壓機站房，站房占地約40 m2，房高不低于3.5 m?？諌簷C及其他附屬設(shè)備包括供暖等總功率為200 kW。

4 結(jié)論

氣泡防冰系統(tǒng)在工程可靠性、布置方式、節(jié)省能耗、節(jié)約運營成本等方面均優(yōu)于其他幾種防冰方式，因此本工程最終選用配套新型免維護氣泡發(fā)生器的氣泡防冰系統(tǒng)。氣泡防冰工程在其他一些水利樞紐工程中已經(jīng)取得了良好的效果，希望本文的比較可為類似的防冰工程提供一定參考。