干管冲水法防结冰对比试验研究

胡云鹤

（丰满大坝重建工程建设局，吉林省吉林市 132000）

干管冲水法防结冰对比试验研究

胡云鹤

（丰满大坝重建工程建设局，吉林省吉林市 132000）

为有效防止冰冻对丰满新坝外保温体系的破坏、提高坝面外保温体系整体保温效果及耐久性，设计并研制了单排冲水干管与双排冲水干管两套装置，分别从单排冲水干管法与双排冲水干管法两个方案对丰满老坝坝前防结冰试验进行探讨，对试验的效果方面进行重点对比分析。试验结果表明，单排冲水干管法与双排冲水干管法两个方案均可达到预期效果，但单排冲水干管法产生的表面流速和不冻水域范围均大于双排冲水管法，试验效果较为明显，列为首选方案，本次试验结果可为类似工程提供参考借鉴。

防结冰；对比试验；干管冲水法

0 引言

丰满重建工程地处东北严寒地区，为减少坝体内外温差及降低坝面温度应力，防止碾压混凝土重力坝危害性裂缝的产生［1］，组织开展了坝前防结冰对比试验研究，进行防止坝前水面结冰的现场试验，研究实现坝前全线防冰的技术，旨在防止冰冻对大坝外保温体系的破坏、提高坝面外保温体系整体保温效果及耐久性。

1 试验背景

1.1 气温特征

现场防冰试验期间，对库区大气温度进行逐日观测，观测结果见图1。

本试验年度冻结指数为1176.1℃·d，在55个年度系列中的出现频率为79%，属于较暖的年份；在最近20年中的出现频率为52%，属于中等冷暖年份。

图1 2013～2014年度冬季气温过程线Fig.1 Winter temperature process lines from 2013 to 2014

1.2 库区水位变化情况

试验期间，库水位基本逐日呈直线下降趋势，库区水位下降量为3.91m。单日水位降低最大值为0.09m，平均为0.045m/d。其中2014年1月和2014年2月水位下降较大，2月份高达1.51m。自2014年3月13日起，日平均气温达到稳定正温，冬季积雪融化，水源补给，库水位逐渐升高，单日水位增长约为0.02m左右，观测结果见图2。

图2 2013～2014年冬季库区水位变化过程Fig.2 Winter reservoir water level change process from 2013 to 2014

1.3 库区水温变化及其分布

进入冬季后，随着气温的降低，水面的热量损失增大，自水面以下水温因失热而降低，直至达到某一深度基本稳定。从图3可见，冬季表层水温的变化主要在3.0m深之内，而且基本上呈直线降低；3.0m深以下，水温基本保持不变和缓慢增高。

图3 冬季库水水温的垂直分布Fig.3 Vertical distribution of the reservoir water temperature in winter

2 试验方案

水库水温及其分布和各种冰情现象都是热力因素作用的结果，并取决于水气界面上的热量平衡条件［2］。当界面上的热损失大于增热量时，水面开始冻结以达到热量的平衡。水泵冲水法就是借助较高温度水的热力和动力作用增热达到防止水面结冰的目的［3］-［4］。其作用机理可归结为：

（1）水泵将一定深度的相对较高温度的水抽送到表层，提高表层水的温度，防止冰晶形成。

（2）水泵将水通过冲水干管以相对较高速度喷射到表层，加大表层水体紊流作用，有效防止水面结冰。

水泵冲水法防水结冰系统主要包括潜水泵、冲水干管，以及连接和固定设备如浮筒、连接管、固定架等。本文主要进行了单排冲水干管和双排冲水干管两种布置方式的试验研究［5］。

2.1 单排冲水干管法试验装置设计

（1）水泵。选用Qy40.12.2.2型充油式潜水泵，如图4所示。水泵功率为2.2kW，其参数见表1。本试验安装两台水泵，其中一台供作备用和轮换使用，以确保试验装置的正常工作和有利于延长水泵的使用寿命。为取得较高温度的水，水泵的放置深度为水下5.0m。

表1 试验用潜水泵参数Tab.1 Experiment with submersible pump parameters

（2）冲水干管。冲水干管采用直径80mm的钢管，总长18m。冲水干管上按等距80cm打直径13mm的射水孔，共24个。冲水干管的水下放置深度约0.6m，与大坝坝面的距离为1.0m。

（3）浮筒。用净空铁皮桶作为吊住冲水干管的浮筒。综合考虑水泵与排水干管的总重，及排水干管的受力特点，选用三只浮筒，分别加设在排水干管两侧和中间部位。

（4）输水管。水泵与排水干管间连接的输水管选用消防水带，属软连接，既有利于安装及搬运，又方便检修；输水管总长为5m。输水管进口位于冲水管的中间。为确保输水管不承受拉力，水泵与排水干管之间用直径为5mm的钢丝绳连接，钢丝绳总长为4.5m。

（5）逆水阀。排水干管与输水管间加设逆止阀，以防止水回流（见图4）。

图4 单排冲水干管法试验装置示意图Fig.4 Single-rowed main pipeline flushing method test device

2.2 双排冲水干管法试验装置设计

双排冲水干管法所用的水泵、冲水干管、浮筒及其他部件与单排冲水干管法一致，双排冲水干管法所用的管长均为9.0m，管间的间距为1m，射水孔的间距和孔径均与单排冲水干管法相同。靠近坝面的冲水干管与坝面的距离亦为1.0m，如图5所示。

图5 双排冲水干管法试验装置示意图Fig.5 Double-rowed water main diagram method test device

3 试验装置运行效果分析

3.1 单排冲水干管法运行效果

（1）单排冲水干管法形成的不冻水域。

本方案试验装置安装完成后，于2013年1月3日进行试运行。运行过程中明显可见各个射水孔部位有水柱喷出水面，最大喷出高度约10cm，同时还可见水面有明显的紊流作用，随着气温的逐步降低，至2014年1月9日，坝前部分水域形成冰层。此时，开始启动试验装置，24h连续运行。由于此时的冰层较薄，随着试验装置的运行，坝前的冰层即很快融化。

随着气温的进一步降低，至2014年1月14日，库区冰盖已基本全部形成，冰层逐渐增厚。这时试验装置仍然采取24h连续运行，但由于气温处于本年度的最低时期，水面失热量增大，因而不冻水域的范围较结冰初期有所缩小。2014年1月28日实测不冻水域宽度为9.73m，长度为28.4m，超出18m冲水管长度约10.4m。

（2）单排冲水干管法对水温和表面流速的作用。

表层水的紊流作用和水温的提高是形成不冻水域的根本原因。当冰层进入稳定期，为研究单排冲水干管法运行过程中形成的表层水温和流速状态，进行了冰层稳定期间的表层水温和流速的测量。

1）水温及其沿深度分布。

水温测量采用电阻温度计，测点间距为0.5m，最大测量深度10m。

从图6可见：

a.受潜水泵抽取的较高温度水的混合作用，表层水温明显提高。表层1.0m范围内虽受外界气温作用较大，但水温仍然达1.0～2.0℃，1.0m深以下则保持在2.0℃，基本接近水泵抽水深度的水温。

b.结冰区表层下面的水温及其分布比结冰前稍有降低，但基本相同。水深3.0m以下则与不冻区基本一致，保持在2.0℃左右。这也进一步说明，冻结外界气温对水温的影响深度主要在3.0m深之内。

c.根据抽水情况下的水温沿深度分布，可以认为，潜水泵的放置深度大于2.0m后即可达到上述的水温状态。

2）表面水流速及其分布。

从图7可见，受冲水管射流孔出水的高速水流作用，除前述的射流中心产生喷出水面的水柱外，还在宽度方向产生横向水流。射流中心最大流速0.2m/s，并随宽度的增加逐渐降低，距离冲水管8.0m处的流速降低至0.05m/s。这种流速的分布与前述不冻水域的宽度基本相应。由于受流速仪测量范围的限制，未能测得8.0m宽度以外更低的流速，但可根据前述不冻水域的宽度和图8认为，零流速的位置距冲水管约9.7m，再加上冲水管至坝面1.0m的距离，不冻水域的总宽度为10.7m。由此可见，在本年度最冷期间本试验方案所产生的射流作用能够在坝前形成近11.0m的不冻水域，满足所需的防冰要求。

图7 单排冲水干管法的表面水流速沿宽度分布Fig.7 Surface water flow velocity distribution along the width of single-rowed main pipeline flushing method

3.2 双排冲水干管法运行效果

（1）双排冲水干管法运行状态形成的不冻水域。

2013年1月3日进行了试运行。当设备启动后，可见表层水紊流作用明显。2014年1月9日，坝前部分水域冰层初步形成，试验装置开始24h连续运行。由于结冰初期冰层较薄，加之双排冲水干管法平行两排射流孔增大了射流作用，坝前的薄冰很快融化，形成的不冻水域也比单排冲水干管法形成的宽度大。库区进入封冻期后，冰层较厚，水面失热量增大，不冻水域的范围缩小。2014年1月28日，实测不冻水域宽度为8.2m，长度为15.5m，较冲水管长度（9m）长6.5m。

（2）双排冲水干管法对水温和表面流速的作用。

1）水温及其沿深度的分布。

从图8可见，不冻区水体温度与结冰区水体温度皆随深度的增加而有所升高。水深小于3m时，温度变化较大，其中不冻的试验区由于受潜水泵抽取的较高温度水的混合作用，深1.0m以下仍保持在2.0℃左右；冻结区冰层底面以下的水温则与结冰初期相似，仅稍有降低。深度3～8.5m范围内水温基本保持在2.1℃；水深大于8.5m时，水温有所增长，但幅度很小。双排冲水管法和单排冲水管法对水温的作用差别不大。

图8 双排冲水干管法水温沿深度分布Fig.8 Water temperature distribution along the depth of double-rowed main pipeline flushing method

2）表面水流速及其分布。

由图9可知，表面水的流速随宽度的增加逐渐降低。距离冲水干管8.0m处的流速值近乎为0.0m/s，这与前述本试验方案形成的不冻水域宽度距离冲水管8.2m相一致。

图9 双排冲水干管法表面水流速沿宽度分布Fig.9 Surface water flow velocity distribution along the width of double-rowed main pipeline flushing method

比较上述单排冲水管法的表面流速及其分布可见，两者的分布规律基本相同，但双排冲水干管法的表面水流速比单排冲水干管法较小，相差最大约0.06m/s，致使其形成的不冻水域的宽度减小。再加上双排管的长度比单排管短一半，在同样功率下形成的不冻水域长度较单排管法短12.9m，因此双排管法与单排管法相比不具有优越性。

3.3 试验装置运行方式试验

为研究不同运行制度对防冰效果的影响，寻求经济有效的水泵运行方案，进行了三个时段，全天运行、间歇运行和停机三种运行方式的试验。试验结果见表2。

表2 水泵冲水法试验装置运行试验参数Tab.2 Blunt water pump test device to run test parameters

2014年1月13日至2月27日，水泵冲水法全天运行，共计41天。运行期间的日平均温度最低为–21.0℃，平均为–13.1℃。

2014年2月28日至3月10日历时11天采取间歇运行方式。自18∶30至次日早8∶30共14h开机运行，早8∶30至傍晚18∶30共10h停机，即水泵夜间运行，白天温度升高，停止运行。这期间日平均气温最低值为–9.8℃，平均值为–7.4℃。从试验过程中可见，白天停机后，受外界负气温的作用，水表面形成一薄冰层，但在再次启动水泵运行后5min内，薄冰层即逐渐解体，直至全部融化，如图10所示。

图10 水泵冲水法间歇运行期情况Fig.10 Blunt water pump intermittent operation period

2014年3月11日日平均气温为–2.5℃，此时开始停机。观察发现，当日平均气温高于–3℃时，白天气温高于零度，夜间负温时水表层结冰，白天温度升高后自动解冻。且此时段，库区冰层逐渐融化，进入解冻期。由此可以认为，当日平均气温达到–3.0℃左右时防冰装置即可停止运行。

4 结论

（1）水泵冲水法试验装置简单，易于加工、安装，且效果较为明显。无论是单排冲水干管法还是双排冲水干管法均能明显提高表层水温，使深1.0m以下的水温始终保持在2.0℃左右；但从试验数据来看，单排冲水干管法产生的无论是表面流速还是不冻水域范围均大于双排冲水干管法。因此，在今后的试验和使用中均应优先采用单排冲水干管法。

（2）受水温提高特别是表面流速的作用，坝前形成宽阔的不冻水域。单排管和双排管法形成的不冻水域宽度分布为10.7m和9.2m，长度分别为28m和15.5m。由此说明，水泵冲水法完全可以超出所需的防冰要求。

（3）水泵冲水法试验装置的运行方式宜根据气温适时调整。当日平均温度低于–10℃左右时可全天运行或适当的间歇运行，当日平均温度在–10～–3℃之间时可采取间歇运行，当日平均气温高于–3℃左右时即可停止运行。

［1］林继镛.水工建筑物［M］.北京：中国水利水电出版社，2008.

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［4］张利荣，严匡柠，张孟军.大型抽水蓄能电站施工关键技术综述［J］.水电与抽水蓄能，2016，2（3）：49-59.ZHANG Lirong,YAN Kuangning,ZHANG Mengjun.Key Construction Technique Summaries of Large Pumped Storage Power Station［J］.Hydropower and Pumped Storage,2016,2(3):49-59.

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胡云鹤（1985—），男，工学硕士，工程师，主要研究方向：水利水电建设管理。E-mail：yunhe-hu@sgxy.sgcc.com.cn

Comparison of Experimental Research of Main Pipeline Flushing Anti-icing Method

HU Yunhe
（Feng Man Dam Reconstruction and Project Construction Bureau，Jilin 132000，China）

This paper to analyze the experimental of anti-acing of front of Feng Man Old Dam from single-rowed main pipeline flushing method and double-rowed main pipeline flushing method respectively, especially focus on the correlation analysis of the experimental effect.According to the experiment, either one would do the trick.But no matter the surface velocity or the range of the unfrozen water, single-rowed main pipeline flushing method is better than double-rowed main pipeline flushing method.As the results of such experiments, single-rowed main pipeline flushing method is preferred.The research results can provide a reference for similar projects.

Anti-icing; Comparative test; Pipeline flush method

TV34

A 学科代码：570.2510

10.3969/j.issn.2096-093X.2016.05.014