寒区水工结构新型防冰冻技术研究

(辽宁省水利水电科学研究院，辽宁 沈阳 110003)

寒区水库、河流、湖泊和沿海水域每年都会有很长时间的封冻期。在封冻期，当气温升高时，冰层会产生膨胀，对周围约束的水工建筑物产生破坏，严重时甚至会影响结构的安全[1]。冰冻破坏是水工结构物的常见病害之一，也是水利水运工程设计中水工结构的主要荷载之一。如果对冰荷载的估计不足、重视不够或没有采取充分合理的应对措施，那么冰荷载有可能对水工结构的安全构成威胁，造成严重的冰毁事故。寒区水工结构冰冻破坏已成为影响水利工程和人民生命财产安全的重大问题，近年来对防冰冻技术的研究越来越受到重视。

国外对冰的研究开展较早，研究方向主要是冰力学理论[2-3]、冰的力学试验[4-5](室内试验和现场试验)以及冰力学在海洋工程中的应用[6-7]，而少有针对水利工程防冰冻的研究，尤其是防冰冻技术的研究。国内相关专家学者近年来探索了适合我国冰情的防冰冻技术[8-10]，但多集中于各种防冰冻技术的工程应用和不同技术间优劣对比，而对防冰冻技术优化、能耗水平降低、装置研发升级等方面的研究较少。在此情况下，开展寒区水工结构防冰冻技术创新研究将成为将来水利冰害研究的主流。

1 冰荷载的产生及危害

我国北方寒区，在寒冷的冬季，水库、河流、湖泊甚至海域都可能发生冰冻现象，并可能形成一定面积的冰层[11]。这些冰层和水域中的水工结构，例如水域中的边坡护岸、坝体闸门、河流中的桥墩、海域港口中的护岸、防波堤和海洋中的固定式结构相互接触，后者是前者的边界，并对之形成约束。当外界条件(主要是气温)发生变化时，冰层内部的温度场发生变化，从而引起冰的应变，由于受到水工结构物不同程度的约束，于是冰层就对结构产生了冰荷载。

冰冻破坏是寒区水工结构常见的病害，会给水利工程带来安全隐患。SL 211-2006《水工建筑物抗冰冻规范》[12]规定寒冷地区的闸门不得承受冰的静压力，其他水工结构物的设计规范中也都明确了设计过程中应考虑冰压力的作用。

由于寒冷地区的环境与冰情规律不同，冰冻对水工结构的危害也不尽相同，冰冻破坏包括影响使用、力学破坏和耐久性降低等，主要体现在：① 水体结冰影响水工结构物的正常使用，例如江河冰封影响码头的正常运作和航道通行；水库闸门与埋固件冻结，造成闸门无法正常启闭，损坏水封和启闭设备等；② 冰层与水工结构牢固冻结后，水工结构将受到冰压力、冰弯矩及水位变化产生的压应力、上抬力或下拉力等荷载，当以上荷载反复作用时，将导致水工结构变形或损坏；③ 冻融破坏是水工混凝土建筑物较为常见的一种破坏形式[13]。由于水工混凝土建筑物长期处于浸水饱和及潮湿的条件下，在环境温度的变化过程中，混凝土内部的孔隙水结冰膨胀、融化松驰，如此反复循环，产生疲劳应力而造成混凝土由表及里逐渐剥蚀。

辽宁省宽甸满族自治县的太平哨电站水库水位变化不大，一般在190.00～191.50 m之间，冬季日变幅为0.40～0.50 m。水库蓄水运行后，每年12月中下旬开始结冰，一直到次年4月中旬库面均为冰雪覆盖。由于水库钢闸门没有防冰措施，1984年1月9日发现大坝9号闸门上抬开启，从1984～1997年有4 a共11扇闸门上抬开启，此外3扇闸门顶梁出现向下游弯曲变形的情况。闸门上抬开启后，虽开度不大(约为2 cm)，但影响闸门的正常运行，也造成了一定的水量损失，尤其是顶梁弯曲变形已威胁到闸门的安全运行[14]。国内几起典型的寒区水工结构发生冰冻破坏及造成的损失情况见表1。

表1 国内典型寒区水工结构发生冰冻事故及造成的损失Tab.1 Typical frozen accidents and losses ofhydraulic structures in cold regions in China

2 现有防冰冻技术及优缺点

目前国内常用的除冰方法有冰盖开槽法、冰盖保温板法、压力水射流法、压力空气吹泡法、门叶电热法等[15]，各方法具体工艺及优缺点如下所述。

(1) 冰盖开槽法是通过人工用冰镩或机械破除结构物前附近冰面，形成一个隔离槽[16]，在结冰厚度达到危险厚度之前再次开槽，以保证结构物的正常使用。该方法简单直接，但需要较大的人力投入，工作强度大、效率低，作业时存在人身安全隐患，不符合安全生产和自动化运行的要求。

(2) 冰盖保温板法采用聚苯乙烯保温板覆盖冰面，以改变局部冰层冻融条件。聚苯乙烯保温板绝热性能优良，导热系数小，重量轻。但采用冰盖保温板法不能保证消除静冰压力，还会产生一定的环保问题。

(3) 压力水射流法是利用水泵或潜水泵抽取水库底部温度较高的水体，泵送到在水工结构前水面，产生水体扰动并进行热交换，防止冰面结冰。该方法效果良好，但前期设备投入较大，运行期间要求不间断操作，电力成本高，多用于大、中型水库结构物前除冰。

(4) 压力空气吹泡法利用空气压缩机将空气送至水工结构前水面以下，在结构前造成水体扰动以防止结冰。该方法原理简单，操作易行，但现阶段存在管线系统布置复杂、曝气口调整困难等问题，而且由于采用空气压缩机泵送空气，运行期间耗电量较大，运行成本高。

(5) 门叶电热法采用三相负载分配相等的电热管、电热缆或电热板解决水工结构特别是钢闸门等金属结构冬季结冰问题。发热装置均匀地布置在门叶结构中间，采取定时加热或连续加热方式，门叶下游面全部采用聚苯乙烯泡沫板封闭保温[10]。该方法除冰效果好，但设备复杂昂贵，功耗大，故障率高，针对水库多孔闸门冰冻的情况，除冰成本较高。

对辽宁省内10多座大中型水利工程防冰冻技术应用情况进行调研(见表2)，同时对国内其他寒区水利工程进行调查，结果发现多数工程采用的防冰冻技术为压力水射流法和压力空气吹泡法，存在设备能耗大、造价高、安装难度大、故障率高以及运行和维护成本高等缺点，给管理单位增加资金和管理负担。

表2 辽宁省部分水利工程防冰冻技术应用情况Tab.2 Application of anti-freezing technology in some waterconservancy projects in Liaoning Province

3 新型防冰冻技术

3.1 技术目标

针对目前防冰冻技术的以上问题，制定新型防冰冻技术的技术目标为低成本、低能耗、绿色化和自动化。

(1) 低成本技术目标是在保证除冰效果的前提下尽可能降低防冰冻装置的制造成本，降低装置的使用门槛，便于不同规模的水利工程管理单位采购和使用。

(2) 低能耗技术目标是实现新型防冰冻装置的能耗降低至现有防冰冻装置的1/10，即新型防冰冻装置的运行能耗为10 W/m左右。

(3) 由于防冰冻装置能耗较低，使清洁能源的使用成为可能，在新型防冰冻装置的设计研制中可采用太阳能、风能等清洁能源或市电和清洁能源相结合的方式，实现防冰冻装置运行的绿色化。

(4) 自动化技术目标是水利工程现代化、高效化管理的要求，可以降低管理单位运营成本，便于水利工程的日常管理。

3.2 设计功能要求

(1) 提出节能型防冰冻系统。研究现行防冰冻技术优缺点，开展百余组室内试验，创新提出风机吹泡法，与传统的压缩空气吹泡法和压力水射流法进行对比试验，优化风机吹泡法的关键技术参数，优选和改进关键出流构件，成功实现新型防冰冻装置低能耗运行。

(2) 提出环保型防冰冻系统。使用太阳能、风能等清洁能源作为系统主供电源，实现绿色、环保、无污染、零排放，并可将该能源推广应用至库区照明、监控等用途。构建市电应急保障系统。当出现连续恶劣天气或其他极端情况导致清洁能源中断时，实现市电自动转换补给，以保证防冰冻系统正常运行。

(3) 提出自动控制型防冰冻系统。利用温度控制系统实现防冰冻装置自动启停，辅助节能；利用流量报警系统实现运行故障自动预警报警；利用视频监控系统实时掌控冰情进展，辅助自动控制。

4 新型防冰冻装置

笔者团队经多方努力，首次研发出了以风机吹泡为核心技术的新型防冰冻装置，包括三大模块、7个部分。该系统在辽宁省三湾水利枢纽和汤河水库等多项工程进行了应用，成功实现了“低成本制造、低能耗运行、清洁能源供电、自动化控制”的技术目标。

4.1 节能装置模块

节能装置模块包括气体供给装置、气体输送设备和固定结构3部分。

(1) 气体供给装置。在风机吹泡法原理中，考虑空气在输气管道中的沿程损失、喷口处的出流损失后，风压高于喷头所在水深处的水压即可。当喷头安装深度为0.2 m，防冰冻长度为10 m时，所需风压不到5 kPa，在风机的常见风压值范围(5～30 kPa)内，而远远低于空气压缩机的常见风压(700 kPa)。在风机吹泡法和压力空气吹泡法的室内对比试验中，采用离心式吹风机和空气压缩机均可以在水面形成一定宽度的不冻区(见图1)。而风机吹泡法在装置价格、风量、防冰冻功率和实际能耗方面优势显著，离心式吹风机风量为空气压缩机的10倍，价格、防冰冻功率及实际能耗仅为空气压缩机的1/40,1/25和1/35，具体参数对比见表3。因此，气体供给装置采用低能耗、大风量、风压适中的离心式风机。

图1 室内试验防冰冻效果对比Fig.1 Comparision of anti-freezing effect of indoor experiment

设备名称设备型号价格/元电压/V频率/Hz风量/(m3·h-1)转速/(r·min-1)功率/W总重量/kg活塞式空气压缩机YT081-30120002205010.2138075021离心式吹风机100FLJ1230022050108.22500303

综合考虑防冰冻长度、安装水深、安装控件、能耗和投资成本等因素，按需求进行风机选型。如在水工钢闸门防冰冻应用中，可选用小功率风机，采用单孔单机的布置方式，在控制成本的同时也可起到良好的防冰冻效果。

(2) 气体输送设备。气体输送设备包括输气管、干管和气喷头3部分。输气管选用PVC硅胶钢丝纤维复合管，管材具有柔性、耐低温、耐高温的特点，可以减少风机振动对管路的影响，保证管路竖向的可调节，同时可应对寒区低温以及采用集热器对气体加热的高温情况。

干管选用PVC-U管材，管材具有抗拉、抗压强度高、流体阻力小、耐腐蚀性优良、水密性良好的特点。可保证气喷头的间距相对固定，防止水流冲击破坏。气喷头可选用文丘里喷嘴，因顶部为锥状结构，可改善喷嘴出口附近的乱流现象，将气流速度的衰减抑制在最小限度。与直管形状喷嘴相比，速度衰减缓慢，高速区域更宽，流速对比见图2。

图2 喷嘴附近流速分布Fig.2 Flow velocity distribution near the nozzle

(3) 固定结构。采用吊索、桁架与浮筒相结合的定位方案，控制防冰冻装置在水工结构迎水侧前的水平距离，同时保持在固定的水下深度，便于检修和维护，固定结构示意见图3。浮筒尺寸应根据整个防冰冻装置水下部分的重量来选定。

为研究喷头最佳淹没深度，进行了室内对比试验。试验共设置3组，喷头淹没深度分别为200，400 mm和600 mm，其他试验条件一致：防冰冻长度为1.8 m，防冰冻宽度为0.4 m，防冰冻功率为16.67 W/m，喷头气孔直径为2 mm。3组试验的防冰冻能耗不一，喷头位置越浅能耗越低，防冰冻效果越好。喷头深度在不影响使用的前提下，应尽量接近水面。但实际工况中，气喷头过于接近水面时，防冰冻装置的气喷头有可能因水面变化而露出水面，失去防冰冻功能。因此，建议使用浮桶等装置将气喷头淹没深度保持在水面以下200 mm左右处。

图3 固定结构示意Fig.3 Diagrammatic sketch of the equipments used for fixing

4.2 自动控制模块

自动控制模块包括温度控制、流量报警和视频监控3部分，互相联动实现系统自动控制。

(1) 温度控制系统。智能温度控制系统采用SM1600B-10温度采集系统，可实时监控水面附近气温和水体温度，实现防冰冻装置的自动运行，温度传感器布置见图4。在温度高、水体不会冰冻的情况下，智能温度控制系统可关停防冰冻装置，一方面节约了能源，另一方面也避免了防冰冻设备尤其是风机长时间、连续运行而造成的发热或损坏。

图4 温度传感器布置Fig.4 Layout of temperature sensors

(2) 流量报警系统。使用非接触式超声波气体流量计实时监控风机工作情况，防止因风机故障停止工作而引起的冰冻问题。同时在气体流量发生较大变化的情况下，向控制系统发出警报，以便故障的查找和排除。超声波气体流量计性能参数见表4。

表4 超声波气体流量计性能参数Tab.4 Performance parameters of ultrasonic gas flow indicator

(3) 视频监控系统。视频监控系统可以实时监控水工结构迎水侧的冰情，一般使用太阳能等清洁能源供电，可并入到防冰冻装置供电系统。

4.3 环保供电模块

环保供电模块的供电方式可分为三大类：① 纯清洁能源单独供电;② 市电供电;③ 清洁能源和市电互补供电。清洁能源供电前期投入高，使用太阳能、风能等清洁能源，而且遇到长期极端天气可能造成供电中断；市电供电前期投入低，运行管理简单，每年需交纳一定的电费；市电互补清洁能源供电前期投入高，使用太阳能及风能等清洁能源作为常规电源，市电作为应急电源，可将照明、监控系统的供电设备集成，实现系统的自足性和可持续性。

3类方式各有优点，可根据工程现场具体情况灵活选择，原则上推荐使用市电和太阳能互补供电，以提高系统运行保证率。市电互补太阳能供电系统由太阳能发电板、太阳能控制器、蓄电池组成，如输出电源为交流220 V并且要和市电互补，还需要配置并网逆变器和太阳能市电互补控制器。太阳能发电板在吸收太阳能发电的同时，还可加装集热器，为防冰冻装置排出的气体进行加热，可显著提高防冰冻效果。

5 新型防冰冻技术优势及运行效果

新型防冰冻技术以低能耗、低成本、大风量、风压适中的离心式风机为核心装置，具备以下优点：① 突破性实现了防冰冻装置的低能耗运行，能耗降至现有技术的1/10；② 大幅度降低防冰冻装置制造成本，造价约为压力水射流法的1/3、压缩空气吹泡法的1/10。2015年11月，课题组将制作完成的风机吹泡法防冰冻装置运抵三湾水利枢纽现场，进行安装调试。试验时间为2015年12月至次年2月，防冰冻周期90 d。试验段布置在水利枢纽左岸鱼道混凝土边墙外侧，防冰冻长度为15 m。

防冰冻装置采用风机作为供气装置，风机功率120 W，防冰冻功率为8 W/m，采用的供电方法为太阳能供电。风机吹泡法防冰冻装置经调试正常后投入运行，在太阳能电池板后布置太阳能集热器用于对供给气体的加热，经测量气体温度可达60℃以上。

在整个防冰冻周期内，风机吹泡法防冰冻装置工作始终正常，未发生过载或者失灵情况，能形成长约20 m，宽约0.70 m的未冰冻区，防冰冻效果明显(见图5)。

图5 防冰冻装置防冰冻效果Fig.5 Anti-freezing effect of the equipment

6 效益分析

课题组研发的新型风机吹泡法防冰冻装置通过在北方寒区水利工程的推广应用，其性能指标不断得到优化提高。从实际运行效果以及管理单位反馈情况来看，风机吹泡法防冰冻装置运行情况良好，造价低廉，能耗较低，性能可靠，不仅保证了水利工程冬季运行的稳定和安全质量，而且还降低了管理支出，带来了可观的经济效益，更具有重要的环境和社会效益。

6.1 直接经济效益

在采用市电供电的情况下，装置无需安装费用较高的太阳能发电板，造价约为压力水射流法的1/3、压力空气吹泡法的1/10，且能耗水平低至其他技术的1/10。以常见的水库、水闸闸门防冰冻为例，假设每扇闸门宽10 m，冬季防护90 d，采用风机吹泡法防冰冻装置的电费可节约电量4 000 kW·h以上，按市电0.5元/kW·h计算，每扇闸门在一个防冰冻周期内可节约电费约2 000元。

6.2 环境和社会效益

在采用太阳能或风能等清洁能源的情况下，设备需安装成本较高的太阳能发电板或风力发电机，成本与现有其他防冰冻方法持平。但由于后期无需外接市电，每年可节约大量电费。每个防冰冻周期采用风机吹泡法可节约电费400 kW·h/m，每米减少160 kg标准煤消耗，减少399 kg CO2排放，实现防冰冻装置的自足性、绿色化和可持续性。

7 结 语

新型风机吹泡法防冰冻装置造价成本较低，后期运行、维护的成本也较低，降低了防冰冻装置的使用门槛，节约了管理单位的资金投入，便于在寒区水利工程大范围的推广应用。风机吹泡法防冰冻技术实现了防冰冻的低成本、低能耗、绿色化和自动化，保证了水工结构在寒冷的冬季不受冰冻破坏，保障了水利工程的正常使用和安全运行，具有广阔的推广应用前景。