南水北調中線工程天津干線2018年防冰凍輸水方案

劉建學

（南水北調中線干線工程建設管理局天津分局，天津300000）

1 研究背景

1.1 工程概況

天津干線長155.3 km，自西黑山進口閘開始，至天津市外環河出口閘結束，進口段明渠總長222 m，包括進口引渠118 m，進口扭坡30 m，閘室段22.5 m，消力池21.5 m，漸變段30 m；其后全部為地下有壓混凝土暗涵結構，發生冰凍的可能性不大。因此，天津干線冰期輸水的任務就是保證在嚴寒天氣下，西黑山進口閘上下游222 m范圍內不發生冰塞現象。這是天津干線冰期輸水最大的特點。

1.2 冰期安全輸水的重要性

南水北調天津干線現已成為天津市的供水保障線，天津市目前90%以上水源來自南水北調。自2014年12月12日正式通水以來，已累計向天津市供水30億m3。目前，天津干線沒有調蓄水庫，一旦發生冰塞引起斷水事件，天津市供水安全將受到嚴重影響，后果不堪設想。

2 2018年冰期輸水方案

為確保2018年冰期輸水安全，在總結以往年度冰期輸水經驗和教訓的基礎上，天津分局認真研究，綜合布防，多措并舉，制定了完善的冰期輸水方案，確保了輸水安全。

2.1 加固進口閘引渠段布設的攔冰滾筒

為確保攔冰索發揮作用，用25 t吊車將引渠段攔冰滾筒移至渠頂，進行防腐處理，同時更換串聯滾筒的鋼絲繩為不銹鋼鋼絲繩。

2.2 在進口閘前配置壓縮空氣吹泡法防冰系統

壓縮空氣吹泡法的原理是通過深埋在水中的管路釋放壓縮空氣，利用氣泡驅動底層溫度較高的水流射向水表面或冰蓋，形成強烈的紊動水流，使水面冰層融化或抑制結冰。壓縮空氣吹泡法防冰系統包括放置在岸邊位置的2臺3 m3空氣壓縮機、3 m3儲氣罐，深埋入水中的噴嘴，連接各設備的供氣管、壓力表、截止閥等。為避免西黑山進口閘前水面結冰，在進口閘前扭坡段混凝土底板利用不銹鋼桁架均勻固定32個孔徑3 mm的噴嘴，噴嘴距水面隨著閘前水深變化而變化，一般控制在3 m左右。自2018年11月15日開始開啟防冰系統連續運行。確保了西黑山進口閘前水面無結冰，保證了進口閘清污機抓斗正常運行。

2.3 在進口閘門布設熱管防冰凍系統

為避免閘門門體與閘門槽間產生結冰現象，在西黑山進口閘3孔工作門槽周邊布設有6套熱管防冰凍系統，在進口閘上、下游3孔檢修門槽周邊各布設6套熱管防冰凍系統，共18套熱管防冰凍系統。熱管防冰凍系統是通過電加熱方式使導熱液溫度升高，進而使周邊閘門槽溫度升高，然后使門槽周邊冰體融化或抑制結冰。避免閘門被凍結，影響調度啟閉。

每套熱管防冰凍設施分別由加熱管和預埋件組成，預埋件內設有中空腔室，腔室內抽成微負壓后充以適量的導熱液，使緊貼管內壁的吸液芯毛細多孔材料中充滿液體后加以密封（見圖1）。加熱管端為蒸發段（加熱段），埋件端為冷凝段（冷卻段）。當熱管的一端受熱時毛紉芯中的液體蒸發汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發段。如此不斷循環，熱量由熱管的一端傳至另—端。

圖1 埋件腔內零件剖面（單位：cm）

南水北調中線工程自2014年通水運行以來，熱管防冰凍設備在冰期投入運行，經過幾個冰期的考驗，出現了導熱液損耗泄漏、熱管壓力不正常、熱管溫升不一致、埋件溫度差別較大、部分電控元器件工作不正常等問題。為保證熱管防冰凍系統正常運行，入冬前進行全面檢查，完成了導熱液補充灌注、少量灌注口更換、個別電控元器件更換等工作。檢修后進口閘18套熱管防冰凍系統運行狀態良好。

2.4 其他防冰凍措施

（1）加設耐力板封閉保溫棚。為避免進口閘后再次發生冰塞現象，將進口閘后消力池及其后的漸變段總長51.5 m進行耐力板封閉保溫。選用的耐力板厚0.6 cm，骨架材料為鍍鋅鋼桁架。為避免室內氣壓變化對蓋板可能帶來的不利影響，在蓋板兩側設窗口，便于通風（見圖2）。

（2）設計檢修橋。為便于交通，在距離消力池起始斷面4.15 m處設檢修橋，在閘后發生冰凍情況時可兼做工作平臺。橋面板頂高程為67.289 m，橋寬2.5 m，長9.9 m。檢修橋采用3片I32 a工字鋼作為主梁，工字鋼間距1.25 m，工字鋼之間采用80 mm×60 mm×3 mm方鋼橫向連接為一整體，保證3片工字鋼整體受力；在工字鋼上鋪設5 mm厚的花紋鋼板，并在其上鋪裝塑膠防滑層；檢修橋兩側設高1.20 m的不銹鋼欄桿。

（3）設計進出口平臺。為便于工程維護檢修，在檢修橋進出口設置了進出口平臺，作為蓋板進出口與閘室左右兩側路面的連接段。平臺頂高程為67.289 m，長9 m，寬6 m。采用C30 F150現澆混凝土箱式結構，箱式結構底板底高程64.389 m，厚600 mm，下設100 mm厚C15素混凝土墊層，頂板頂高程67.189 m，厚400 mm，頂板梁截面尺寸500 mm×800 mm，邊墻厚500 mm，在頂板與梁相交處設一中柱，截面尺寸500 mm×500 mm。考慮整體景觀效果，平臺采用100 mm厚防腐木鋪裝，并設高1.2 m木質欄桿。平臺外側填土與現狀道路平順銜接并綠化。

圖2 耐力板防護典型斷面（高程單位：m；尺寸單位：cm）

2.5 配置冰期應急駐守人員及設備

南水北調中線工程每年12月1日～次年2月28日為冰期駐守期，如突遇極寒天氣，上游渠道會產生大量流冰，形成碎冰帶，在西黑山進口閘前的浮橋前堆積，產生冰壩冰塞阻水，危及輸水安全與建筑物安全。因此，為預防出現冰凍現象，需提前做好各項準備工作。

人員方面，冰期配置9名值守人員，每日3班，每班3人晝夜巡視。駐守人員進場后開展破冰錨破冰演練、撈冰簍撈冰演練、攔冰索架設演練、熱水車噴灑熱水融冰演練、清污機抓斗撈冰演練、排冰閘排冰演練、臂長25 m挖掘機輔助排冰及撈冰演練等演練活動，發現冰情立即上報。

設備方面，配置臂長25 m挖掘機1臺，5 t自卸汽車1輛。一旦發現冰情，則立即啟用長臂反鏟打撈流冰，并裝5 t自卸汽車運至指定位置。

3 結語

本文全面總結了西黑山進口閘上下游部位綜合布防、多措并舉的冰期輸水方案，冰期運行期間，在保溫棚內部安設2支溫度計，在保溫棚外部平臺欄桿安設2支溫度計。2018年12月份，多日觀測棚外溫度-8℃時左右時，棚內溫度一般為5℃左右。多年觀測結果顯示，棚內溫度平均保持在3℃以上，避免了閘后陡坡段出現冰塞的可能。多種措施共同發力，共同預防設備冰凍，體現了南水北調工程的運行管理水平，可供類似工程參考。