新型气泡防冰系统在固定桥生态蓄水工程中的应用

王红霞

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

在冬季，很多水库、水电站面临冰冻问题，而冰层因温度变化引起的膨胀力是对闸门的主要作用力。

冰膨胀力指冰层在温度影响膨胀时，受到闸门约束而对其产生的作用，在很多情况下，冰的膨胀力对闸门会造成严重的危害。冰的力学特性十分复杂，影响因素很多，使得冰温度膨胀力的估算存在很多不确定因素，当冰层厚度不大时，产生的膨胀力比较小，对闸门不会产生影响，但当冰层达到一定厚度时，当环境温度升高，冰层产生的温度膨胀力会很大，足以对闸门产生破坏，一般会出现以下几种破坏情况：一是结冰的闸门无法启闭，比如引水渠道闸门与埋固件冰冻至无法正常运行；二是静冰力对挡水闸门和轨道产生破坏，闸门、轨道因此发生变形，严重的情况会导致焊缝部位开裂；三是结冰后体积膨胀，建筑材料结构疏松，埋下工程隐患；四是闸门在冰荷载的作用下产生挠曲变形、开裂，影响闸门运行；五是弧门如果结冰，可能会变形漏水；冰压力直接作用在铰支座上，也会导致铰支座被压裂；侧压力可以支开弧门，造成开启困难。

1 大坝闸门防冻方法

1.1 电加热融冰法

该方法是利用电伴热，使附近结冰区域的水温高于熔点。其缺点主要是存在水下绝缘问题，如果引起系统短路，将导致安全事故的发生。该方法能耗高，一般能耗为4 kW/m 左右。

1.2 压缩空气吹冰法

该方法是利用压缩空气在水库深处形成的温水流以溶化冰层，同时防止新冰产生。优点如下：（1）布置灵活，不受水深限制。气泡发生器可以布置在门叶上，可以悬吊，也可以布置在混凝土闸底板上；（2）气泡发生器能耗低，约为0.054 kW/m；（3）气泡发生器运行维护简单；（4）气泡发生器无污染，可靠性高，环境友好；（5）免维护。

1.3 水泵扰动破冰法

用潜水泵抽水库深处水到水表，并将水射出，形成扰动。水流连续不断，加热周边水，融化冰层，并防止新冰产生。目前该方法应用较为广泛，主要问题是水泵入水深度需根据水位变化做出调整，否则水面即会结冰。水泵扰动法能耗约为0.4 kW/m。

1.4 热管传热破冰法

采用高导热性的传热器件来破冰。 传热器件的安全可靠性还待进一步提升。能耗为0。

1.5 人工破冰法

人工使用手工破冰工具在闸门前凿除冰块，防止闸门挤压破坏。这种方法需要定时进行，如果天气极其寒冷，每天需要2-3 次刨冰。该方法费用低廉，危险性高，容易发生事故，适用于冰冻层薄、工作量小的情况。

1.6 机械破冰法

利用破冰机械冲撞结冰带，打破冰层，形成通道，但需要循环反复破冰，以保持液体水的状态，消除冰层对闸门的挤压。该方法实施方便，运用灵活，保证率高，费用低廉。但破冰效果差；运行人员容易落水。一般不采用。

2 工程简述

固定桥生态蓄水工程拦河闸位于桑干河干流册田水库库尾固定桥上游约100 m 处，距离上游吉家庄桥3.85 km。

固定桥生态蓄水工程主河槽蓄水水位963 m，蓄水面积91 万m2，蓄水量112.4 万m3。拦河闸总长456 m，闸顶高程963 m，闸高3 m。汛期主要的泄洪通道为主河槽，拦河建筑物采用底横轴转动翻板闸。汛期洪水来临，开闸泄洪排沙。非汛期立闸蓄水，河道基流通过闸顶溢流泄向下游。

桑干河流域地处内陆高原，属北温带较干燥的大陆性气候，受季风影响强烈，并具有山区气候的特征。本工程根据《山西省水文计算手册》，册田水库站1960-2008 年冰情统计表，该站最早结冰日期10 月23 日，最晚冰融日期4 月13 日；封冻最早11 月10 日，最晚12 月11 日；实际封冻天数上半年最少51 d，最多102 d，下半年最少21 d，最多52 d；固定桥位置最大冰厚1.28 m，极端最低气温-31.9℃（2000 年大同县），最大冻土深为1.86 m（1984 年大同县）。

3 方案比选

本文将生态蓄水工程中目前常用的气泡防冰法和水泵扰动法进行比选。

拦河闸总长度456 m，两端供气，左右两岸分别设置两座空压机站房，每座站房空压机及其他附属设备总功率为50 kW，两座站房共计总功率为100 kW。

气泡防冰能耗约0.05 kW/m，水泵扰动法按最小能耗约0.4 kW/m 计，设备运行期按90 d 计算，电能消耗分别为气泡防冰能耗49 248 kW·h，水泵扰动法能耗393 984 kW·h，电费单价按0.675元计算，则运行费用水泵扰动法（26.593 9 万元） 比气泡防冰（3.324 2 万元）多支出23.269 7 万元。

4 结论

通过对气泡防冰和水泵扰动法的运行费用比较，固定桥生态蓄水工程选用气泡防冰系统。在国内外水利枢纽工程中，气泡防冰系统被证实在工程可靠性、布置方式、节省能耗、节约成本等方面优于其他防冰方式，并且在工程运用中取得了良好效果，可以推广使用。