高寒地區面板堆石壩防冰裝置方法的新探索

張青疆

（新疆新華和田事業部，新疆 和田848000）

1 引言

水庫面板堆石壩是水電站水工建筑物重要的設施之一，是電站調汛防洪、電站發電的重要組成部分，為水庫安全提供可靠的保障。混凝土面板堆石壩以其良好的適應性得到了廣泛的應用，就氣候環境而言，無論是溫暖地區還是寒冷地區都有混凝土面板堆石壩興建，運行情況良好。當前，隨著水電開發的持續發展，我國在寒冷地區修建的面板壩數量不斷增多，高寒山區和寒冷地區建成的面板壩近20多座。混凝土面板壩在技術和經濟方面有其不可替代的優勢。其在嚴寒地區，特別是在緯度較高地區，設計和施工在工程建設期間考慮和研究了防冰凍問題，如：（1）提高面板混凝土抗滲抗凍標號；（2）面板表面涂刷防凍層；（3）適當增加面板鋼筋含量為防止混凝土面板凍裂；（4）改進表面止水與面板混凝土的連接方式，改變面板止水的結構。而在面板堆石壩上防凍技術還處在探索階段，由于庫區結冰層與水工建筑物及金屬結構緊密粘連，隨著庫區水位的變幅，冰的作用力已構成對水庫安全運行的影響。因此，大壩面板采用的防冰除冰技術對水庫安全管理顯得十分的重要和迫切。

2 背景

吉勒布拉克水電站位于新疆維吾爾自治區阿勒泰地區境內的某河上，流域地處亞歐大陸腹地，于2014年4月投產發電。該電站位于東經86°～87°，北緯48°～49°之間，電站區域多年平均氣溫為4℃，極端最高氣溫36.4℃，極端最低氣溫-40℃，最冷月平均氣溫-14.6℃，屬中緯度嚴寒地區。冰封期達到5～6個月之久，水庫水面冰凍層達0.8m至1.2m。面板堆石壩垂直縫止水在面板表面整體呈“Ω”形，該止水在面板混凝土澆筑以后開始安裝，止水材料全部高出面板約20cm。其次還在面板表層涂刷的彈性聚氨酯，增加自補裂縫裝置，寒冷地區面板壩水位變化區的止水最容易產生冰凍破壞，破壞的形式有拉裂、擠壓、挫傷、靜冰推力。

進入冬季后寒冷山區水庫庫區表面開始結冰，粘連大壩結冰厚度最深可達120cm，水庫表面結冰以后冰與周圍巖體、大壩面板以及面板上的止水緊密接觸，庫區表面完全封閉。受電網調度影響，吉勒布拉克水電站冬季水位變化下降幅度可達10m左右，水位變化導致庫水表面的冰面在自身重力和水的浮力作用下會上下浮動。在水位抬高的過程中冰面因浮力向上抬升，同時在冰層凍脹作用下向大壩方向頂推，冰層對面板表面凸起接縫止水產生擠壓作用，對止水造成冰拔力的破壞；在水位下降的過程中冰面因自重下沉，靠面板一側的冰塊將搭在混凝土面板表面，在隨著庫水位大幅降落最終會折斷，與庫冰脫離后的冰塊會匍匐在面板斜坡面上，冰塊在自重作用下有沿坡面下滑的傾向，冰塊對面板及止水產生下拉力，如果冰塊下部附著尖利的樹根等堅硬物體，會對止水造成拉裂破壞；如果水位下降的速率較快，冰面急劇破裂，部分暫時滯留在混凝土面板及止水表面的冰塊將處于懸空狀態，在失穩下滑過程中會對止水產生沖擊和擠壓，冰蓋層受溫度影響時產生的靜冰推力，以及結冰產生的幾種冰壓力現象是對庫區面板堆石壩及止水系統造成破壞的主要因素，同時閘門冬季被庫區結冰易產生擠壓變形。

3 面板堆石壩防冰技術現狀分析

對于高寒地區的面板堆石壩，水位變幅區的防結冰設計一直是個難解決的問題。為防止冬季庫區因結冰造成面板堆石壩、垂直止水系統及其他水工建筑物、金屬結構被破壞，地處高寒地區的水電站在如何保證水工建筑和金屬結構安全上煞費苦心，下足了功夫，目前國內采用了幾種破冰方法，并在實踐中取得了一定的經驗和成效。

3.1 人工破冰法

用人工手操作的方式在庫區冰面上使用冰鎬、冰鉆、鋼釬、漏勺等工器具直接破碎冰層，達到冰層與建筑物表面的分離，形成不結冰的冰帶槽，簡易改裝可以采用機械鑿冰窟窿的方式，但要結合冰層厚度。

3.2 潛水泵連接管路融冰法

這種方法是將潛水泵與鋼管管路相連，利用繩索或浮筒懸吊管路，采用潛水泵抽取庫區冰層下一定深層溫度的水，融化水面結冰，水面保持涌動達到清除水面結冰的目的。

3.3 機船破冰法

當水庫水面結冰未形成一定厚度，未能產生冰拉力、冰壓力的破壞程度，將機船開至庫區迎水面結冰區，利用機船的推力將冰層沖撞開，再利用船行動時攪動表面水體，使之保持形成不結冰帶，達到破冰的要求。

3.4 氣泡融冰法

用空壓機、輸氣管、電氣控制等設備，向庫區冰層下輸入空氣，通過水下設備裝置產生無數個微小氣泡，水泡浮出水面后爆裂，擾動水面形成涌態，達到融冰不結冰的目的。

3.5 射流曝氣融冰法

利用潛水泵產生的水流經過噴嘴形成高速水流，在噴嘴周圍形成負壓吸入空氣，經混合室與水流混合，在喇叭形的擴散管內產生水汽混合流，高速噴射而出，夾帶許多氣泡的水流在較大面積和深度的水域渦旋攪拌，達到融冰的目的。

4 防冰方法的比較

4.1 人工破冰法

優點：保證率高，受環境影響較少，簡單易操作，成本較低。

缺點：工作環境艱苦、具有一定的風險性、工人勞動強度大、工作效率低。

4.2 潛水泵連接管路融冰法

優點：潛水泵數量少、易操作。

缺點：管路長、泵體重、作業面大、人工安裝就位及檢修操作困難、需要人員較多，維護維修工作量較大，且不能完全避免冰堵。

4.3 機船破冰法

優點：破冰效率高、受到外界環境的影響很小、費用低。

缺點：受水域和水工建筑物的制約、巡更值班頻繁，存在安全隱患較大。

4.4 氣泡融冰法

優點：無噪音、無污染、融冰范圍穩定、自動化程度高。

缺點：管線長、布點多、安裝及維護受水面影響大、投資成本高。

4.5 射流曝氣融冰法

優點：水氣混合率高、結構緊湊、無需管路、節能環保、擾動范圍大、投資成本低。

缺點：融冰范圍無規則，是大家進一步研究的融冰課題。

5 射流曝氣防冰技術實施方案

鑒于5種融冰方法的比較分析，可以看出，射流曝氣法融冰投資成本低、融冰范圍大、低噪音、無污染、適應性強，而且在安裝和維護上不受水面變幅的影響，完全能自動化控制，實施遠方監控，不但有利于庫區安全運行管理，又能降低運行生產成本。

5.1 系統組成

射流式潛水曝氣機由浮箱、潛水電泵、進氣管、電控系統與噴射器組成，設備使水體攪動與空氣吸入同時進行，既可獲得較高的空氣吸收率，較短時間內提高水的溶解氧，又具有葉輪無堵塞的優點。強有力的單向液流，造成有效的對流循環，且電機負荷隨水位的變化很小，噪音低，故障率小，安裝簡單。

曝氣裝置原理：利用潛水電泵產生的水流經過噴嘴形成高速水流，在噴嘴周圍形成負壓吸入空氣，經混合室與水流混合，在喇叭形的擴散管內產生水氣混合流，高速噴射而出，夾帶許多起泡的水流在較大面積和深度的水域內渦旋攪拌，完成曝氣，并且其軸功率不隨潛水深度的變化而變化，進氣量可以調節。正因為如此，射流式曝氣機可以在水位變化較大的庫區融冰進行探索和應用。射流曝氣系統結構示意圖如圖1。

5.2 射流式曝氣機安裝方式

射流曝氣機有漂浮式、沉水式、深水式及駁岸懸掛固定4種方式，無需專用的安裝基礎，根據需求靈活運用，吉勒布拉克水庫選用漂浮式、沉水式2種安裝方案，2017年12月中旬，通過人工破冰的方法，鑿開寬0.8m、長1.2m，冰層厚度30cm的長方形冰窟窿，將射流曝氣機裝置投入水中，利用輔助支架及電氣控制系統，歷經數小時的運行，庫區冰體與混凝土壩已被完全不結冰的水帶隔離開，達到除冰防結冰的目的。

圖1

5.3 技術路線

設備采購→搭建實驗平臺→試壓啟動→收集數據→調整可變參數→確定在不同溫度下恒定量、可調量對融冰范圍的影響→裝置技術的改進→投入運行。

設備適用范圍見表1。

表1

5.4 實現功能

射流曝氣法防除冰技術采用的是先進的進口設備——射流式潛水曝氣機，根據2017年冬季庫區融冰實際應用案例，單機在-23℃，實際表明該設備運行時的有效防冰區域設備出口寬為2.5m、融冰縱深長度27m、融冰寬幅由2.5m逐漸變窄為0.2m，且成本較低，每臺3kW射流曝氣機耗電量55kW·h/d，并能適應不同的水位變幅。通過試驗平臺，在極寒天氣-36℃，探索驗證適合吉勒布拉克庫區面板堆石壩防結冰裝置，其有效防冰區域能夠達到10～15m。運行效果如圖2、圖3。

5.5 結構特點

（1）不受冬季氣溫、水庫水位變幅影響，投放及退出簡易方便，開機后能自然融冰，融冰速率0.5cm/h，擾動范圍大。

（2）電機噴氣角度可作上下90°調整，水封方式采用雙重機械軸封，調頻變速可以使裝置沿壩軸線平行前移和后退，且設備投資少。

圖2 水庫局部實驗現場圖

（3）結構緊湊，充氣率高，噪音低，故障率小，具有節能低耗環保優點。

（4）具有水循環功能，不受空間條件限制，集曝氣、攪拌、混合、推流為一體。

圖3 水庫局部實驗效果圖

6 結束語

高寒地區面板堆石壩現階段在防治冰害方面存在不足，現有防冰技術處理除傳統的人工破冰、潛水泵射流、氣泡融冰等均為水工建筑物局部結構區（閘門）使用。而庫區面板堆石壩因壩體長，防結冰范圍大，壩面迎水面水位變幅區受冰凍破壞嚴重，是傳統防冰作業無法完成的。本文通過射流曝氣原理和性能，以其作為實驗平臺，進行大范圍、長距離防結冰裝置方法的探索，形成自動化、智能化運行，設備數量少，低能耗的新型實用的裝置，實現了面板堆石壩庫區大范圍的防除冰技術新突破。