闸门冰冻压力消解气囊在三河闸工程中的应用

2020-04-11薛业章朱天宏周建方

治淮 2020年1期

王豹李欣薛业章朱天宏周建方

（1.江苏省洪泽湖水利工程管理处洪泽 223100 2.淮安市农业综合开发规划设计与评审中心淮安 223000）

闸门的作用是封闭水工建筑物的孔口，并按需要全部或局部开启这些孔口以调节上、下游水位，泄放流量，用于防洪、灌溉等。当冬季气候寒冷时，水面结冰形成冰盖，冰盖膨胀，对闸门产生压力，严重时能致使闸门破坏。因此有必要对钢闸门防冻方法进行研究，做好防冰冻措施，提前做好防范工作，以免影响工程安全运行，造成不必要的损失[1]。

1 工程基本情况

三河闸工程位于江苏省淮安市，洪泽湖的东南角，是淮河入江水道的控制口门。工程建成于1953年7月。闸身为钢筋混凝土结构，共63 孔，每孔净宽10m，总宽697.75m，设计流量12000m3/s，为大（1）型水闸。

三河闸工程地处中国南北气候主要分界线——“秦岭—淮河”南侧，属北亚热带和暖温带过渡性地带，具有季风性和兼受洪泽湖水体调节的气候特点。四季分明，冬季寒冷干燥，1月份最冷，平均气温1.5℃，极端最低气温-16.1℃。

2 项目发展缘由

闸门冬季防冻一直是三河闸工程冬季防冻的重要问题。长期以来，三河闸管理所冬季在闸门附近抛洒芦柴捆形成冰冻隔离带，但是后期清理比较困难，容易给河道带来污染。同时受风浪影响较大，芦柴捆经常被浪击散，无法确保起到防冻效果，存在着一定的安全隐患。

根据《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-2013）规定，寒冷地区的闸门、拦河坝以及其他水工建筑物不得承受冰的静压力。为防止在冰冻期间内冰荷载对钢闸门造成危害，在闸门的设计中配套进行闸门防冰冻设计[2]。闸门防冻技术措施种类繁多，有人工破冰法、压缩空气吹冰法、电加热融冰法、水泵扰动破冰法、热管传热破冰法等[3]。但结合三河闸工程闸门数量多、长度长、冰冻层较薄的实际情况，上述方法均不适合。

本文研究采用可重复使用的冰冻压力消解气囊来解决三河闸闸门防冰冻问题。

3 冰冻压力消解气囊结构及工作原理

3.1 消解气囊结构

水利工程闸门冰冻压力消解气囊，主要由橡胶管、外套和配重组成，数个长条橡胶管并列组装在外套内，外套的底部有配重，外套的顶部有联接索（见图1）。

3.2 消解气囊工作原理

冬季冰冻来临前，对橡胶管充气，橡胶管和外套一起形成气囊，气囊宽数厘米、长略小于闸孔净宽、高大于冰层厚度十几厘米；将气囊挨着闸门或距离闸门数厘米处放置，联接索连接气囊与闸门，调整橡胶管内充气量，使气囊悬浮于水中，露出水面数厘米，气囊将闸门与河流冰盖隔开；冬季过后，将橡胶管放气，取出配重，将整个气囊卷起保管备用。

3.3 消解气囊安装

冰冻压力消解气囊由3个长条橡胶管并列组装在篷布制作的外套内，底部配装φ16 钢筋；冬季冰冻前对橡胶管充气形成气囊，气囊宽约4cm、长约9.98m、高约12cm；将气囊放置在闸门上游10cm处水中，调整橡胶管内充气量，使气囊悬浮于水中，露出水面3cm；为防止气囊在风浪作用下远离闸门，用绳索将气囊系于闸门钢丝绳上；气囊将闸门与河流冰盖隔开，对闸门起到安全防护作用。

4 应用实效对比

三河闸工程历年来使用的是在闸门附近范围内抛洒芦柴捆，通过芦柴捆在闸门水域附近形成冰冻隔离带，有效缓解闸门受冰冻压力挤压。但是该方法存在几点问题：一是芦柴捆需要提前安排人工收割捆扎好，需要专门妥善保管，存在消防安全隐患；并且保管年限不长，每年需要及时更新。二是抛洒至水面后，拆捆的位置不易固定；且芦柴捆吸水导致重量增加，回收难度较大，人工成本较高，作业也存在安全隐患。三是芦柴捆抗风浪冲击能力较差，如遇大风天气，易被吹散，无法满足缓解冰冻压力的功能；同时散开的芦柴造成水面污染，难以回收，与现行的水污染防治法相违背。

此次设计的冰冻压力消解气囊结构简单，便于安装。为检验其防冰冻效果，作为管理单位，三河闸管理所已于2016年冬季在闸上游闸门水面交界处安装试验过此气囊，气囊联锁预留一定空间可以随水位上下波动，确保气囊始终处于闸门水面交界处。通过现场安装使用效果来看，当上游湖面因气温骤降结冰后，气囊能够有效将闸门与水面冰块隔离开，从而大大降低水面冰冻产生的压力对闸门产生的影响，确保闸门不受挤压，同时降低风浪导致冰块撞击闸门的风险。冬季过后管理所将整个气囊卷起保管备用，延长了气囊的使用周期。