冰压力对钢闸门的破坏及防护措施

刘元亮

（辽宁省大连市碧流河水库管理局，116221，普兰店）

碧流河水库是辽宁省大连市最大的水源地，位于大连普兰店市双塔镇与庄河市荷花山镇分界的碧流河干流上，是一座以城市供水、防洪为主，兼有发电、养鱼等综合效益的大型水利枢纽工程。水库主体工程由主坝、副坝、泄水建筑物（溢洪道、输水洞、放水底孔）及水电站组成，总库容9.34亿m3，控制流域面积2 085 km2，多年平均年降水量780 mm，年平均温度8.4℃，最低温度为-23.5℃，冰封库区一般在12月下旬至次年3月中旬，最大冰厚0.3～0.73 m。为防止冰压力对溢洪道9扇弧形钢闸门（10.1 m×12.0 m）的破坏，必须采取防冰措施。

一、冰压力对钢闸门的破坏

水结冰时其体积约增加9%，但水在变成冰的过程中，冰体的压力并不很大。随着气温的降低，冰的温度下降，体积变小。当温度再升高时冰则膨胀，如果发生阻碍冰体膨胀的情况，就产生了作用在钢闸门上的冰压力。冰压力分为静冰压力和动冰压力。静冰压力指冰盖层膨胀对钢闸门表面产生的冰压力，静冰压力的数值与冰原、开始升温时的气温及气温上升率有关。动冰压力是指冰盖层解冻后，冰块漂流撞击钢闸门时产生的撞击力。

冰层与闸门牢固结冻后，当气温升高时，闸门将受到静冰压力影响；当水位升降时，冰层会产生上抬力或下拉力，特别是两种力同时反复发生时，将导致闸门产生变形，闸墩产生裂缝。每当冬季来临，我国北方寒冷地区的水库都存在冰压力对闸门产生破坏的现象。所以必须采取防冰措施，以尽量避免和减少闸门前的冰压力，确保闸门安全越冬。

二、冬季钢闸门的防护措施

常见防护措施主要有压力充气法、压力充水法、机械人工破冰法。

①压力充气法。通过空气压缩机压缩空气，使表层水和下层水形成强制对流，防止闸门前的水结冰。

②压力充水法。用潜水泵把库区内底层温度较高的水，通过设置在闸门前水面附近带有小孔的钢管进行喷射，搅动和加热闸门前的表层水，以防结冰。

③机械人工破冰法。在闸门前用破冰机械和人工开凿冰槽，减小冰压力。该方法适用于冰层活动频繁、冰层较厚或防冰设备出现故障的情况，属于应急措施，实施中危险性较大，必须采取安全措施，确保人身安全。开凿冰槽时必须全线开通，不允许破开一段，保留一段，否则易造成应力集中，在未开凿冰槽处对闸门局部会产生严重破坏。

三、碧流河水库闸门防冰具体做法

1.主要设备配备及功能

碧流河水库配有主空气压缩机2台，其中一台作为备用；副空气压缩机1台，其工作状态为间歇式，即在主空气压缩机停止输气时，由副空气压缩机（气泵）向管内补充气压，使系统内气压保持在0.01～0.05 MPa之间，确保管路系统始终处于有压状态，以防止管内产生冰阻现象。还需设置储气罐1个，起到缓冲气压作用；气液分离器1个，起到净化空气作用。

2.具体做法

根据当地冬季气温，确定空气压缩机型号。碧流河水库选取型号IV—3/8（排气量 3 m3/min，额定压力0.8 MPa，轴功率19 kW）空气压缩机产生满足防冰用的压缩空气，通过φ50输水管线连接储气罐，经过气液分离器再连接主管线，把气流输送至9孔闸门前，以每孔2根φ14塑管把压缩空气输入至闸门前3～4 m深水中，通过压缩空气使表层水和下层水形成强制水流搅动，以防结冰。

3.开机时间确定

通常当气温降至-10℃时，24 h内开机 2～3 次，每次 1～1.5 h；气温降至-15℃时，24 h内开机 3～4次， 每次1.5～2小时；气温降至-23℃时，24 h内开机4～5次，每次2 h左右。随着气温下降，开机次数、开机时间也随之增加、延长。根据本地区气温变化情况，通过长期摸索，即可全面掌握在不同气温下开机次数、开机时间。

四、结 语

碧流河水库于1983年落闸正式蓄水，1986年工程竣工移交水库管理局，1986—1998年闸门防冰采用压力充水法，1999年至今采用压力充气法，两种方法使用年限均较长。实践证明，压力充水法存在着潜水泵数量多、维修量大的问题。水泵一旦密封不好，进水将导致潜水泵不能正常工作，同时更换潜水泵费时费力，危险性较大。采取压力充气法，具有设备简单、安装操作方便、节省人力、危险性小、投资少、维修费用低等优点，因此建议闸门防冰采取压力充气法。

[1]王文珂.扎实做好启闭机使用许可管理工作维护水利工程运行安全[J].中国水利，2011（8）.