斯木塔斯水电站大坝面板及止水除冰方法探索

王嘉宁

摘要：大坝面板及止水是面板堆石坝重要的防渗体，为库区大坝安全蓄水提供保障。新疆昭苏冬季结冰期长，斯木塔斯库区最深冰层达0.7m以上。如果不采取除冰措施，冬季库区水位变化，会对大坝面板及止水造成破坏，降低面板及止水防渗能力，对大坝安全运行造成严重影响。因此，冬季必须在结冰的大坝面板及止水前采取除冰措施，避免面板及止水损坏。

关键词：水电站;大坝面板;除冰;止水带;

1项目概况

斯木塔斯水电站的开发任务单一，主要为发电。水电站建成后在系统中的作用是向伊犁电网供电，冬季在系统中承担调峰作用，夏季在基荷工作，向电网输送季节性电能。

斯木塔斯水電站以上流域面积2364km2，坝址处多年平均流量45.66m3/s，多年平均径流量为14.41×108m3。斯木塔斯水电站装机容量110MW，年发电量3.165亿m3，保证出力10.8MW。

2主坝特征参数

1.坝轴线方向与河流大致正交。挡水建筑物采用混凝土面板堆石坝，最大坝高101.00m，坝顶宽10m，坝长147.80m，上游坝坡采用1：1.6。坝顶上游侧设防浪墙，墙顶高出坝面1.2m，防浪墙采用“L”形结构，墙高3.70m，墙底高程1932.0m，高于正常蓄水位2.0m。墙体上游迎水面为垂直面，墙体厚度0.5m，底板厚度0.5m，宽度3.5m。

2.面板结构缝表层止水结构

主坝混凝土面板结构缝在其顶部设“V”型槽口，槽口内埋设PVC棒，填充GB、GBW填料，上部铺设三元乙丙橡胶板，两侧采用不锈扁钢压紧，用螺栓固定。其中1895高程以下采用膨胀螺栓，1895高程以上采用沉头螺栓。

结构图如下：

3运行期观察数据

根据斯木塔斯水电站调度运营情况记录表显示自2017年12月1日～2018年3月26日期间，入库平均流量由12m?/s逐步降至7.0m?/s，最高水位出现在2017年12月15日，水位为1929.30m。

根据运营记录显示，2017年12月15日～2018年3月26日，冬季一台小机组发电运行，机组发电（负荷为0.7万kW），水位由1929.30m逐步降至1926.36m，历时101天，日平均气温为-12.07℃，冰层厚度55～70cm，水位下降高度为2.94m，水位平均下降速度为0.0291m/d。

水位下降过程中巡视检查发现大坝水位下降区间表层止水均有不同程度损坏，大坝右岸靠近山体部分15#、16#面板部分表止水破损较严重。分析主要原因为右岸靠山体侧为阴面，冰层厚达70cm，冰面下降对止水橡皮破坏较强。

4除冰方法探索

斯木塔斯水库每年11月底开始结冰，次年4月初冰层开始消融，结冰期为5个月，其中冰层最厚达70cm。在库水位下降过程中，库冰不能和面板及时脱离，从而造成较大的拖曳力作用于面板上。此外，由于冰面和面板表层止水橡胶板相粘接，在与面板连接的冰层发生倾覆时，往往会将和其粘连的表止水橡胶板撕扯掉，造成面板裂缝和部分表层止水的损坏。为保证大坝面板及止水完好，安全运行，结合电站实际情况，研究探索出以下几种破冰方法，具体如下：

4.1人工破冰法

人工破冰就是使用冰镐、冰钻、钢钎、漏勺等工器具将结冰层打开，达到冰层与面板止水表面分离，形成不结冰带。优点：保证率高，受环境影响较少。缺点：工作环境艰苦、具有一定的风险性、劳动强度大、工作效率低。

4.2水泵扰动融冰法

采用潜水泵抽取库区冰层下一定深层温度的水，融化水面结冰，水面保持涌动达到清除水面结冰的目的。优点：成本低、易维护、易操作、效率高、可重复使用。缺点：管路长、泵体重、作业面大。

4.3机船破冰法

在水库水面结冰初期，未产生破坏大坝面板的冰拉力、冰压力时，将机船开至库区迎水面结冰区，利用机船的推力将冰层撞开，并要保持形成不结冰带，达到破冰的要求。优点：效率高、受到外界环境的影响很小。缺点：费用高、受水域和水工建筑物的制约、巡更值班频繁、安全风险大。

4.4气泡融冰法

用空压机、输气管、电气控制等设备，向库区冰层下输入空气，通过水下设备装置产生无数个微小气泡，水泡浮出水面后爆裂，扰动水面形成涌态，达到融冰不结冰的目的。优点：无污染、融冰范围稳定、自动化程度高。缺点：管线长、布点多、安装及维护困难、投资成本高。

4.5射流曝气融冰法

利用潜水泵产生的水流经过喷嘴形成高速水流，在喷嘴周围形成负压吸入空气，经混合室与水流混合，在喇叭形的扩散管内产生水汽混合流，高速喷射而出，夹带许多气泡的水流在较大面积和深度的水域涡旋搅拌，达到融冰的目的。优点：水气混合率高、无需管路、扰动范围大、投资成本低、节能环保。缺点：融冰范围无规则。

4.6槽盒隔离法

槽盒隔离法是指在止水橡皮表面增设一副钢制槽盒，使得冰层与止水橡皮相隔离的方法，防止降水位时巨大的冰块对止水橡皮发生挤压和碰撞，该方法原理比较简单，属于外部保护措施，可配合其他方法一起使用。

鉴于几种融冰方法的比较分析，射流曝气法融冰投资成本低、融冰范围大、低噪音、无污染、而且在安装和维护上不受水面变幅的影响，完善自动化控制，实施远方监控，便于库区安全运行管理。

5射流曝气融冰法介绍

射流式潜水曝气机由浮箱、潜水电泵、进气管、电控系统与喷射器组成，从而使水体搅动与空气吸入同时进行，既可获得较高的空气吸收率，又具有叶轮无堵塞的优点。强有力的单向液流，造成有效的对流循环，且电机负荷随水位的变化很小，安装简单。

利用潜水泵产生的水流经过喷嘴形成高速水流，在喷嘴周围形成负压吸入空气，经混合室与水流混合，在喇叭形的扩散管内产生水气混合流，高速喷射而出，夹带许多起泡的水流在较大面积和深度的水域内涡旋搅拌，完成曝气，并且其轴功率不随潜水深度的变化而变化，进气量可以调节。正因为如此，射流式曝气机可以在水位变化较大的库区融冰进行探索和应用。

探索研究结论：

根据冬季观察及试验数据分析，射流曝气除冰法在斯木塔斯水电站水库试验中，在-15℃实际表明该设备运行时的有效防冰区域为15m-25m，在极寒天气-30℃，有效防冰区域能够达到10m-15m，且成本较低，耗电量小，可实现自动定位、自动控制，并能适应不同的水位变幅。通过试验，主坝面板止水前6-10米范围内无结冰现象，除冰面积达1400㎡，保障了斯木塔斯水电站大坝面板止水不受损，解决了冰冻对大坝面板及止水构成的安全风险。

参考文献

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[2]孙文柱，丁慧南，孟庆君，压力水吹泡法防冰冻的探讨[J].黑龙江水利科技，2003（1）.47705507-9172-45E2-9B21-9D00DF49E85D