延安黄河引水工程取水口防冰冻设计讨论

张 琳，董旭荣，安术鑫

（陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 710000）

延安黄河引水工程是以黄河为水源的长距离引水工程,根据取水口布置,对拟定的防冰冻方案进行试验,通过试验结果调整防冰冻方案,从而制定满足延安引黄斗槽取水口防冰冻要求的防冰冻方案。

1 影响防冰冻的因素

1.1 冰情

取水口位于延川县延水关镇王家渠村东南的黄河右岸,取水口从黄河主河道直接取水,查阅延水关上游水文站吴堡（二）站2013 年~2015 年流冰观测资料,极端最低气温-22.5℃,河道冰期最长天数134 天,最短天数52 天。根据2013年吴堡（二）站实测冰流量成果表和逐日平均冰流量表显示,冬季最大冰流量17.7 m3/s,春季最大冰流量21 m3/s,最大岸边冰厚0.21 m,河心最大冰厚或冰花厚0.19 m,最大冰速2 m/s,最大冰花密度0.81 t/m3；2014年吴堡（二）站实测冰流量成果表和逐日平均冰流量表显示,冬季最大冰流量39.4 m3/s,春季最大冰流量12.2 m3/s,最大岸边冰厚0.25 m,河心最大冰厚或冰花厚0.22 m,最大冰速1.43 m/s,最大冰花密度0.91 t/m3；2015 年吴堡（二）站实测冰流量成果表和逐日平均冰流量表显示,冬季最大冰流量9.3 m3/s,春季最大冰流量24.3 m3/s,最大岸边冰厚0.49 m,河心最大冰厚或冰花厚0.16 m,最大冰速1.65 m/s,最大冰花密度0.86 t/m3。

根据取水口现场观测,由于河道流冰量大、流速快,岸边浮冰存在攀爬现象,取水口从河道直接取水必须首先解决浮冰挤压、攀爬、拥堵等问题,在解决雍冰的情况下仍需解决取水口结冰问题,防止斗槽及闸门承受冰压力以及结冰影响取水口取水保证率。因此取水口防冰冻的关键在于解决雍冰和冰冻两个问题。

1.2 泥沙

取水枢纽地处黄河中游吴堡至龙门区间,晋、陕峡谷中段,地貌的最大特征是沟壑纵横,支离破碎,植被条件总体较差,水土流失十分严重,是黄河泥沙的来源区之一。泥沙主要是由于暴雨对流域强烈的侵蚀作用形成的,黄河延水关取水枢纽所在河段流域具有水沙关系协调、年际变化大、年内分配不均的特点。根据吴堡站实测泥沙资料统计,吴堡站多年平均悬移质输沙量为4.05 亿t,多年平均含沙量17.3 kg/m3。其中,7月～10月多年平均输沙量为3.42亿t,占年输沙量的84.4%；11月～次年6月多年平均输沙量为0.63亿t,占年输沙量的15.6%。延水关取水枢纽断面多年平均悬移质输沙量5.82亿t ,多年平均含沙量为23.5 kg/m3。

冬季由于上游降雨、降雪以及上游万家寨水库泄洪造成取水口河道水位和泥沙含量突长,水位和泥沙含量变幅大等因素,增加了取水口防冰冻难度。

2 取水口布置

延安黄河引水工程取水斗槽设有上、下游两个取水口,两个取水口对称布置,取水斗槽总长度160 m,斗槽为封闭式箱体结构。上游取水口与黄河主河道顺水流布置,进口处倾斜布置一道25.3 m×0.8 m（宽×高）浮箱式导冰排（下游取水口未设导冰排）,上游取水口从上游至下游依次设有1 扇7 m×8.55 m（宽×高）露顶式拦污粗栅,1 扇7 m×2 m（单节门叶高1 m,共两节）露顶式叠梁挡沙闸门,1 扇7 m×15.75 m（宽×高）露顶式拦污细栅,1 扇7 m×2 m（宽×高）潜孔式取水闸门,取水口闸顶设置1 台单向门式启闭机进行拦污栅清污和闸门启闭。

3 防冰冻试验

此次试验对上游取水口拟定的防冰冻方案进行试验。上游取水口防冰冻装置采用两套压力水射流法扰动装置,1 套位于导冰排前,为一字型布置,长度与导冰排相同,1 套位于三角区域,为L型布置,紧靠侧墙和拦污粗栅前。扰动装置分别采用两套融冰泵驱动。每套扰动装置采用钢丝绳手动起吊,喷水管悬吊于水面下500 mm。

压力水射流法扰动装置工作原理：压力水射流法采用潜水泵抽取黄河源水,通过高压软管将水送入喷水钢管,喷水钢管上布置有喷嘴,根据计算确定潜水泵扬程、喷嘴数量、间距等,喷水钢管放置于水面下20 cm左右,通过喷嘴从水下向上喷水,增加水面动能从而达到水面不结冰的目的。

冬季取水口运行条件与设想不一致,上游万家寨水库冬季为高水头运行,不间断会有泄洪情况,水库泄洪、降雨以及降雪时河道水位突长,泥沙含量陡增,导致融冰泵和喷水钢管堵塞严重,最终损坏融冰泵。因此像延安引黄这种干流取水口不适合采用压力水射流法扰动装置作为防冰冻装置。

因压力水射流法扰动装置无法满足取水口防冰冻要求,进而对压缩空气扰动装置进行试验。压缩空气扰动装置采用一台空压机驱动,空压机出口设置调压阀,通过高压软管将压缩空气输送至喷气钢管,钢管上布置有喷嘴,根据计算确定喷嘴数量、间距及喷气压力,喷气钢管放置于水面下50 cm左右,通过喷嘴从下往上喷气,气泡上升至水面爆破扰动水流从而起到防止水面结冰的目的,试验初期采用一台活塞式压缩机为动力源。

试验结果表明,采用压缩空气扰动装置能起到很好的融冰效果,在多泥沙环境下也能正常工作,不受泥沙淤积影响,相比压力水射流法扰动装置更适合在引黄工程这种多泥沙河流中应用。因试验用空压机为活塞式,且临时采购设备功率较小,空压机无法长期工作,后期永久设备需采用螺杆式空压机。

4 取水口最终防冰冻方案

经过防冰冻试验,调整上游取水口防冰冻方案。将上游取水口阻水导冰排更换为不阻水的拦冰网,通过拦冰网将河道浮冰拦截,拦冰网顶部闸墩上增设钢桁架桥,桁架桥上布置起吊拦冰网用电动葫芦,并在桁架梁上设置破冰锤,用来破除拦冰网上游冻冰。在拦冰网至拦污粗栅三角区域内布置两套压缩空气扰动装置,一套为矩形,位于拦冰网后,与拦冰网平行布置,一套为三角形,靠上游侧墙布置,两套扰动装置共用一台螺杆式空压机,扰动装置设有储气罐、过滤柜、吸干机等设备,确保三角区域冬季不结冰。每套扰动装置分别采用两套固定卷扬式启闭机起吊,不工作时将扰动装置提出水面。压缩空气扰动装置采用自动化控制,扰动装置可根据水温自动调整喷气压力和脉冲喷气频率。

5 结论

延安引黄取水口防冰冻设计首先应考虑影响防冰冻效果的因素,经过多次防冰冻试验,影响取水口融冰效果的主要因素有：扰动装置选择、取水口布置、河道冰情、泥沙含量、气温等。

通过试验论证,原设计上游取水口浮箱式导冰排设置是很有必要的,但浮箱式结构不利于斗槽防冰、防沙。防冰冻试验后将进口导冰排更换为不阻水的拦冰网,拦冰网配套有起吊设备,在不拦冰时将拦冰网提出水面上,防止拦冰网因污物堵塞影响取水。拦冰网上游增设了破冰锤,用来破碎拦冰网上游冻冰,确保拦冰网运行安全。

在试验过程中,取水口在极端气温下（夜间最低气温-22℃）,河道因降温流速降低,河道浮冰从导冰排下越过导冰排,拥堵在拦污粗栅前,致使拦污粗栅前结冰,随着时间推移,结冰区域向导冰排上游延伸,冰面可观察到延伸结冰产生的褶皱现象,最终导致斗槽取水口前整个三角区域全部冻结。因此取水口防冰冻设计必须将河道流冰拦截在导冰排外,且三角区域扰动装置需根据环境温度调整扰动频率,进而论证取水口防冰冻自动化设计的必要性。

对于延安引黄这种取水口,由于河道流冰量大,泥沙、水位情况复杂,适合采用较传统的防冰冻方式。

在整个冬季,取水口处河道流冰量大,在防冰冻设计初期设想通过防冰冻装置阻止河道流冰拥挤导冰排以及将导冰排前雍冰融化是无法实现的。对待河道雍冰只能采用河道流态顺势导走。因此取水口防冰冻设计仅考虑将上游雍冰拦截在导冰排前,在导冰排前形成大冰盖时通过破冰锤破碎导冰排前浮冰,防止雍冰挤压导冰排,影响导冰排运行安全。在导冰排后至拦污粗栅前三角区域设置融冰装置,确保三角区域不结冰。取水斗槽拦污粗栅后均为封闭箱体式,只要确保三角区域不结冰,整个斗槽便不会不结冰,从而达到冬季取水要求。