橡胶坝自动破冰管设计与应用

张步峰

(张家口市清水河河务处 橡胶坝监控中心,河北 张家口 075000)

在北方高寒地区冬季运行的橡胶坝蓄水工程,因橡胶坝袋内、外冰压差的作用和冰层的互相推压,极有可能造成坝袋撕裂和坝袋锚固件松动、拨起而破坏橡胶坝。为了防止冰冻破坏,一般采用在橡胶坝袋前冰面凿出一道水槽的方法,使橡胶坝袋与冰盖分离,以消除冰压力,保护坝袋。

目前,橡胶坝前破冰多采用镐凿、锤砸的方法,危险性高,劳动强度大,效率低,且人工费较高。鉴于此,在张家口市清水河橡胶坝群进行了机械自动破冰系统设计和试验。试验结果表明,该系统可在无人值守情况下自动运行破冰,相比人工破冰而言,大大提高了破冰效率,消除了人工破冰落水的危险,节约了破冰费用。

1 自动破冰管工作原理

橡胶坝在冬季运行时,蓄水区内冰盖下面的水温随着水深(不含冰层厚度)的增加而增加,水深1 m以内的水温为 1℃左右;水深1.5 m时可达到 3℃左右;水深超过 2 m时,可达到4～5℃。自动破冰管设计原理就是利用蓄水区下层水与顶层冰盖之间的温差,通过连续抽取冰盖下面高于 0℃的水融化冰盖,以达到破冰目的,其工作原理见图1。

图1 自动破冰管的工作原理

自动破冰管系统主要由潜水泵、输水管道和时间控制器3部分组成。由潜水泵抽取蓄水区内冰盖下的水给管道加压输水,在输水管道正上方均匀钻一排小孔,加压的水通过输水管正上方的小孔向冰面或水面喷射,因小孔喷射出的水温度高于0℃,则可连续不断地融化冰层。同时,喷射水形成水花,不停地扰动水面,也可阻止水面结冰。对潜水泵运行采用时间控制器控制其启动和停止,以实现破冰管自动运行。

2 自动破冰管设计

2.1 输水管设计

2.1.1 管材选择

普通无缝渡锌钢管、不锈钢管、PE管或 PPR冷水管等耐腐蚀有柔性的材料均可作为输水管道。

塑料管的优点是自重轻、安装拆除方便、成本较低和变形能力强;其缺点输水管密度小,需在管上配重以防浮起,且管道在水流的作用下易弯曲,景观效果较差。这种管材适用于管径较大、破冰长度长和安装难度大的情况。在张家口市清水河橡胶坝工程中,长度超过100 m的坝袋均采用PPR冷水管,管道接头全部采用不锈钢或铝合金快速接头,以方便安装、拆除和维修。

镀锌钢管或不锈钢管不需配重,但其自重大,安装拆除不便,且造价较高。这种管材适用于管径较小、破冰长度短和施工难度较小的情况。在张家口市清水河橡胶坝工程中,坝袋长度小于 40 m的橡胶坝均采用镀锌钢管。在试验过程中发现钢管接头(管箍)经常被撕裂,且安装、更换困难,故钢管接头全部采用活接头。如采用法兰连接,接头处不易破损,但施工费时、费工。

2.1.2 管径确定

目前,管径计算尚无成熟公式,管道水力计算可参照喷灌技术中公式,近似计算管道的沿程、局部水头损失和经济流速,根据经济流速确定管径。在张家口市清水河橡胶坝工程中,超过100 m的破冰管选用内径63 mm的 PPR冷水管,小于 40 m的破冰管选用内径为 50 mm镀锌钢管。

2.1.3 喷水孔设计

对输水管上喷水孔的孔径和间距,曾进行了多次试验调试,喷水孔径越大、间距越小,单位长度内出水量越大,融冰能力越强,破冰的宽度和速度就越快,因此,输水管上喷水孔孔径和间距的确定应根据破冰宽度和速度(融冰速度要大于结冰速度)要求布置。经多次反复试验,在张家口市气候条件下(年最低气温在-20℃左右),橡胶坝破冰管的喷水孔直径一般为2～2.5 mm,间距250 mm,恰好满足破冰要求。要特别注意的是,输水管所有喷水口必须保证在一条直线上。

2.1.4 输水管铺设深度确定

输水管应设置在水面以下,管与水面之间的距离是相对固定的。经多次试验,输水管在水面下 20～30 cm之间时破冰效果较好。靠近潜水泵一端因压力较大,管深可适当加大,远离泵一端可适当抬起一些。要达到最佳破冰效果需在安装现场试验调整。

2.1.5 输水管悬吊

输水管悬吊的方法有钢丝绳拉吊和浮力悬吊两种方法。

钢丝绳拉吊法类似悬索桥梁。在输水管上方紧绷一根主缆钢丝绳,在主缆上设垂直拉绳拉吊输水管。垂直拉绳设花篮螺栓,可调整拉绳长度,以控制输水管的铺设深度。此法优点是破冰管可经受较大流速水流冲击,缺点是钢丝绳驼腰和花篮螺丝可调长度有限,故适用于流速较大、破冰长度短和水位变幅小的蓄水区。

浮力悬吊中可采用渔业塑料浮球悬吊,也可用泡沫塑料或软木等轻质材料制作的浮漂悬吊。因浮球(漂)可随水位上下浮动,保证在水位变化时,输水管与水面始终保持固定间距。但此法受大风和水流影响较大,浮球随风或水流漂流,易造成破冰管弯曲变形甚至折断,所以,需在破冰管上部增设钢丝绳固定破冰管,防止其出现较大水平位移。

2.2 潜水泵设计

2.2.1 泵功率的确定

为了减少破冰成本,一般选择低功率、高质量、低故障率潜水泵。潜水泵的功率与破冰长度和宽度成正比。就橡胶坝而言,只要能把冰盖破开槽,破冰宽度超过0.5 m就能满足保护坝袋要求。宽度增加,破冰费用也会相应增加。

据多次试验,在张家口市气候条件下,单位功率(1 kW)平均破冰长度约30～40 m,冰盖下水层越深和水温越高,破冰长度越长。在同样功率下,下游蓄水区比上游蓄水区破冰长度长、宽度大(下游水温高于上游)。在张家口市清水河破冰管工程中,坝袋长度 120 m左右,配备1台泵,功率 3 kW;在坝袋长度 140 m左右,配备 2台泵,每台功率 2.2 kW。

2.2.2 泵扬程确定

输水管喷水孔的出口压力在 0.1 MPa时,水流能有效地搅动管与水面之间的水层,形成的水花(类似水沸腾)破冰效果较好。因此,选用15～25 m扬程的中低扬程潜水泵为好。扬程太大,喷射水流太细,扰动水层范围太窄,会在水面上形成喷泉而作无用功,破冰效果反而不佳;如泵扬程太低,则不能有效顶起水花,破冰能力也差。

2.2.3 泵流量确定

如潜水泵流量选择太大,破冰效果虽好,但破冰电费必然会增加。潜水泵流量太小,破冰能力则不足。根据试验,在张家口市气候条件下,潜水泵的单位流量(1 m3/h)破冰能力一般在3 m左右,据此,如长度为 100～120 m的破冰管,可选择的潜水泵流量应在 30～40 m3/h之间。如果采用两泵方案抽水破冰,两泵流量之和也在上述范围之内。

2.2.4 泵过滤网设计

蓄水区含有许多悬浮物、漂浮物和浮游生物,如不设过滤装置,会被潜水泵吸入输水管,堵塞喷水孔。潜水泵下部进水口自带的滤网远不满足滤水要求,必须增设更细密的过滤网,将潜水泵置于滤网之内运行。

滤网为直径60 cm的圆柱形钢筋笼,笼外包两层筛网。第一层筛网为2 mm孔径钢丝网,第二层为200目/英寸高强度尼纶网。第一层粗眼钢丝网为第二层网做支撑,最外层细网为真正的过滤层。外层细眼网因丝细和长期浸水,易锈蚀破损,因此,细网一般采用尼纶或晴纶等耐腐蚀材料。

2.2.5 泵悬吊与连接

潜水泵与输水管一样采用浮球悬吊,当水位发生变化时,泵与输水管可同时上下移动,在垂直方向上,二者永远保持相对固定位置。这种浮力悬吊方式也保证了潜水泵悬停在固定深度的水层之内。

受大风和水流影响,潜水泵与输水管之间经常发生相对水平位移,造成连接处断开和输水管折断。为避免此类情况发生,输水管与泵二者之间采用软管连接,这种柔性连接可有效减小因水平位移产生的破坏力。

2.3 电气设计

对潜水泵的运行控制采用专门的电气配电柜,柜内除必要的过载、缺相和漏电保护装置外,核心元件是时间控制器,用于控制潜水泵定时启动和停止,达到自动控制运行之目的。

因气温变幅大,时间控制器选用多档位规格,可根据气温灵活调整破冰的运行时间和停顿时间。张家口市清水河所有破冰管均采用四档位时间控制器,其试验调整运行时间见表1。

表1 时间控制器运行时间调整表

3 注意事项

每根输水管打孔和接头焊接加工都要保证所有喷水口成一条直线排列;在水下铺设输水管时,要细致调整,确保每根管上所有喷水孔都要垂直向上。在每年河道出现冰盖解体或大量浮冰之前,及时拆除破冰管,防止浮冰撞击破坏。

本系统的设计、试验和应用是在张家口市清水河的气候、河流环境条件下进行的,如果破冰管所处区域气候更为寒冷时,输水管的喷水孔孔径可适当加大,配套潜水泵的功率和流量也相应增加,运行时间可能更长。反之,气候较为温暖时,输水管孔径、水泵配套功率和流量均可适当调小。

[1]SL 211-98,水工建筑物抗冰设计规范 [S].

[2]王树庭,王连会.黄河水库溢洪道闸门冬季管理及破冰装置改造[J].吉林水利,2001,(8)：38-39.