船闸防冻防冰科研成果应用及效益分析

曹锡山

(黑龙江省航道局，哈尔滨150026)

1 前言

松花江全长928 km，流域面积18.64万km2，是我国内河水运主通道和七大内河之一。河流由西向东横贯黑龙江省中部，上起嫩江与第二松花江汇合处的三岔河，下至黑龙江省同江市，注入中俄界河黑龙江。

2004年10月，我国季节性冰冻河流建设的首座航电枢纽——松花江大顶子山航电枢纽开工建设。枢纽位于松花江干流滨州桥下航道里程70 km处，控制流域面积43.21万km2，是一座以航运、发电和改善哈尔滨市水环境为主，兼具交通、水产养殖和旅游等综合利用功能的低水头航电枢纽工程。由船闸、泄水闸、河床式水电站、混凝土过渡坝段、土坝及坝上公路等组成。水库总库容16.97亿m3，装机总容量66 MW;正常蓄水位116.0 m，相应库容9.0亿m3，死水位115.0 m，死库容6.0亿m3。建设千吨级船闸一座，有效长度180 m，有效宽度28 m，门槛水深3.5 m。总投资28.8亿元。枢纽建成后可改善航道里程128 km，对于改善哈尔滨江段的通航、两岸交通、发展库区旅游业、渔业、解决农田灌溉等意义重大。

松花江属季节性封冻河流，一般每年11月上旬开始流冰，冰厚一般约0.2 m，历时20 d左右，11月下旬封江，冬季江面封冻长达140 d左右，冰厚一般为0.5～1.0 m，翌年4月上旬开江，开江前有10d左右流冰期，流冰与冰冻会给航电枢纽带来许多不利的影响，如冰冻对金属结构的影响、对枢纽建筑物的影响、对通航的影响等，如不解决这些问题或解决得不好，就会影响到枢纽工程的建设、影响到通航期、引发水电工程事故、造成建筑物的损坏等，冰冻冰害问题已成为影响枢纽工程安全运行的亟待解决的不仅我国也是世界性重大技术课题之一。

为有效解决工程建设和今后运行管理过程中存在的技术难题，我们在2004年度西部交通建设科技项目“季节性冰冻河流航电枢纽工程防冻防冰问题的研究”中，对船闸防冰、冬季越冬及通航、枢纽导冰和排冰、冰对船闸作用荷载等问题展开了国内首次研究。

2 主要科研成果

通过近3 a时间的研究，项目于2007年11月通过交通部验收鉴定，项目研究成果总体达到国际先进水平。主要取得了以下科研成果:

1)在船闸防冻防冰方面，试验验证提出采用气幕法、潜水泵射流方法以解决船闸闸门在开、封江运行及封冻期的防冰及循环导热油或防冻液加热的方式对检修门槽进行防冰等关键技术;提出闸室无水越冬和有水越冬两种船闸越冬方案;国内首次提出船闸有水越冬时，开江期闸室及引航道利用破冰船、人工或机械方法破冰，再利用船舶航行将浮冰带到下游或其他特殊设备进行排冰;采用蒸汽和热水射流或特殊机械设备清除闸室浮式系船柱、闸室墙或狭窄水域的浮冰。

2)在水库蓄冰处理及导冰技术方面，研究提出水库形成后，正常年份时较天然状态开江时间推迟10 d左右;提出枢纽正常运行后，旨在减少库区蓄冰量、减少影响通航时间的水库调度方式;首次进行大顶子山航电枢纽库区开江破冰实验及对动、静浮冰块的观测，找到流冰和静冰体积随温度、融冰时间及距离的变化关系，提出了库区破冰的合理方式、破冰适宜范围、时机、冰块破碎尺寸等，即采用破冰船压碎破冰或爆破破冰，应提前7～10 d，从坝址开始向上游破冰40～60 km，冰排面积应控制在100 m2以下;提出正常年份时先破冰再开启舌瓣门向下游导冰，在特殊情况下先破冰再利用泄洪闸导冰的枢纽导冰方案。

3)在冰对船闸作用荷载方面，首次实测了松花江开、封江期冰的弯曲强度、弹性模量、C轴和S轴单轴抗压强度等冰力学参数;引航导堤堤头冰荷载模拟试验验证了直立结构物在不同的流冰径(结构物宽度或直径)厚(冰盖厚度)比(D/H)值、冰的流速等限制条件下的受力情况和破坏形式，以及流动的冰排与斜坡结构物相互作用时冰的破坏基本状况和受力情况;分析评价国内外冰荷载计算公式及松花江所建桥梁冰压力的计算公式、方法，提出各自优缺点、适用范围;建立闸室冰盖数学模型，准确模拟了闸室冰温度膨胀力的作用情况，运用有限元方法，进行热力场与应力场的耦合计算，提出了极限位置第一主应力σ1(MPa)沿冰厚H(m)分布及其计算公式，即 σ1=0.284+0.612H －0.381H2+0.056H3，对比验证了公式的合理性。

3 科研成果在依托工程中的实践应用和推广前景

3.1 依托工程应用情况

冰荷载试验研究成果已经应用到依托工程闸门和上游引航道隔流堤结构设计中、加热油循环加热防冰措施应用到检修闸门门槽防冰设计中、潜水泵射流防冰措施在检修门越冬中得到应用，引航道导堤试验成果、船闸闸室有限元数模计算成果、哈尔滨松花江公路大桥桥墩流冰动压力实测成果等已经应用于船闸相关结构设计，根据初步研究成果，设计单位进一步优化了船闸相关结构的设计。船闸引航道破冰及排冰措施、库区蓄冰处理等成果将在工程运行后逐步得到应用。

3.2 推广前景

1)季节性冰冻河流建设航电枢纽工程，其防冻防冰问题研究成果解决了大顶子山航电枢纽工程建设中存在的重大技术难题，还将为松花江干流其它枢纽及我国东北、西北部类似河流的航电枢纽建设提供借鉴和参考。

2)水库蓄冰处理及枢纽导冰技术不但可用于季节性冰冻河流航电枢纽中，而且可在季节性封冻水库、湖泊等的水利枢纽工程实践中推广应用。

3)通过冰对船闸作用荷载的研究，不但对船闸荷载有了初步的认识，而且研究成果对季节性冰冻河流的水利工程、港口工程、桥梁工程及船舶卧冬基地工程等的研究和设计提供技术支持和指导。

4)进一步丰富了冰工程学科理论，为相关行业标准规范的制(修)订提供基础资料和借鉴，可推动行业科技进步。

4 效益分析

4.1 经济效益

4.1.1 减少封冻对通航期的影响，防止和降低冰损事故的发生，减少航运经济损失

松花江水运是沿江市县运输大宗货物的主要运输方式，黑龙江省完成的水运量80%左右发生或通过松花江干流，2000年松花江货运量1 006.6万t，货运周转量11.67亿t·km(松花江区段)，其中通过大顶山枢纽坝址的水运量占松干总运量的30%左右。

根据《松花江干流大顶子山航电枢纽工程初步设计报告》，松花江干流及过坝货运量预测成果见表1。

表1 松花江干流及过坝货运量分析成果表

松花江大顶子山航电枢纽建成蓄水后，将在上游水域形成库区，因发电的需要，在枯季水库下泄的水量较建库前同期天然来水量增多，冰盖下过流能力增大，从而减轻甚至消除了水流对冰盖的压力，不致造成“水鼓冰开”，使开江日期推迟。而枢纽下游仍处于天然河道，将会正常开江通航，由于通过大顶子山航电枢纽的货物大部分为上行，这样将使货物滞留在下游港口，造成港口货物积压、船舶拥塞，对松花江水运产生影响。

大顶子山航电枢纽的航运收入主要为过闸费，由于受到库区开江日期较建库前有所推迟的影响，通航期缩短，航运收入也将减少。通过采取破冰船破冰、爆破破冰、潜水泵射流防冰和防浮冰及导冰等措施，将减少由于库区延迟开江对航运造成的影响，使库区基本达到天然状态下开江日期。驳船过闸费按0.5元/t计算，在枢纽运营期内(按30 a计算)累计挽回经济损失1 000万元。

松花江上航行的运输船舶也受到库区开江日期推迟的影响，通过枢纽的上行货物无法通过，将会造成船舶使用率降低、运输周期延长、运输航次减少，对船舶运输收入产生一定的影响。采用上述措施后，将减少由于库区开江日期推迟对运输造成的影响。经测算，在枢纽运营期内累计减少运输损失3 264万元。

综上，通过采取上述措施，在枢纽正常运营期内，累计可减少经济损失4 264万元。航运效益见表2

表2 航运效益表 万元

4.1.2 减少因冰冻造成的水电工程事故、建筑物损坏经济损失

在封冻期严寒气温下，水库冰盖对水工结构的复杂作用，给水利工程带来严重破坏。采用加热法防冰、潜水泵防冰等措施，可以有效益的阻止闸门前冰盖的形成，使闸门与冰盖间的水域不易结冰，这样冰压力不会作用于船闸上，为船闸越冬提供安全保障，可减少因冰冻造成的水电工程事故、建筑物损坏引起的经济损失。

4.1.3 减少类似工程前期工作量和设计费用

对于松花江其他枢纽的建设提供了宝贵的技术和经验，为其他枢纽建设的前期工作和设计节省了工作量和设计经费，具有十分可观的经济效益。

4.2 社会及环境效益

1)松花江干流是东北地区重要的水上运输线，是联系黑龙江、乌苏里江、嫩江和第二松花江的纽带，具有较好的通航条件，松花江干流梯级开发是一项多功能的综合利用水资源的工程。本项目的实施能有效解决季节性封冻河流航电枢纽工程建设中因冰冻给枢纽带来的主要问题，将大大促进松花江干流梯级渠化的建设步伐，对松花江干流航道发展规划的全面实现和振兴东北地区等老工业基地战略决策的实施具有积极的推动作用，能够更好地发挥松花江干流水运主通道的作用，为区域经济发展提供水上交通便利，满足日益发展波西杰克逊的干支直达运输、江海联运的需要，具有明显的社会效益。

2)本项目依托工程是我国在平原季节性冰冻河流上建设的第一个航电枢纽工程，我国有关船闸冰害问题的研究几乎是空白，通过本项目的研究不仅解决了枢纽船闸防冰措施、水库蓄冰处理及导冰技术等问题，同时对港口工程、水利工程及桥梁工程等均有一定的参考价值和指导意义，具有显著的社会效益。此外通过本项目研究还可以进一步丰富冰工程理论，为冰问题的研究提供重要的可靠基础。

3)本项目的实施积极推动了松花江干流梯级的建设步伐，使松花江干流航道早日按规划等级建成，待松花江干流按规划的梯级建成后，可提高枯水期的水位，改善沿江城市水环境、自然生态环境和区域气候环境，同时对于保护植被、防止水土流失等的有着重要意义。且本项目在实施过程中不会对环境产生不利的影响，因此本项目带来的环境效益是巨大的。

[1]黑龙江省航务勘察设计院.大顶子山航电枢纽船闸施工图设计[R].哈尔滨:黑龙江省航务勘察设计院，2003.

[2]黑龙江省航道局.季节性冰冻河流航电枢纽工程防冰问题研究[R].哈尔滨:黑龙江省航道局，2007.