延安黃河引水工程取水口防冰凍設計討論

張 琳，董旭榮，安術鑫

（陜西省水利電力勘測設計研究院,陜西 西安 710000）

延安黃河引水工程是以黃河為水源的長距離引水工程,根據取水口布置,對擬定的防冰凍方案進行試驗,通過試驗結果調整防冰凍方案,從而制定滿足延安引黃斗槽取水口防冰凍要求的防冰凍方案。

1 影響防冰凍的因素

1.1 冰情

取水口位于延川縣延水關鎮王家渠村東南的黃河右岸,取水口從黃河主河道直接取水,查閱延水關上游水文站吳堡（二）站2013 年~2015 年流冰觀測資料,極端最低氣溫-22.5℃,河道冰期最長天數134 天,最短天數52 天。根據2013年吳堡（二）站實測冰流量成果表和逐日平均冰流量表顯示,冬季最大冰流量17.7 m3/s,春季最大冰流量21 m3/s,最大岸邊冰厚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年吳堡（二）站實測冰流量成果表和逐日平均冰流量表顯示,冬季最大冰流量39.4 m3/s,春季最大冰流量12.2 m3/s,最大岸邊冰厚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 年吳堡（二）站實測冰流量成果表和逐日平均冰流量表顯示,冬季最大冰流量9.3 m3/s,春季最大冰流量24.3 m3/s,最大岸邊冰厚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。

根據取水口現場觀測,由于河道流冰量大、流速快,岸邊浮冰存在攀爬現象,取水口從河道直接取水必須首先解決浮冰擠壓、攀爬、擁堵等問題,在解決雍冰的情況下仍需解決取水口結冰問題,防止斗槽及閘門承受冰壓力以及結冰影響取水口取水保證率。因此取水口防冰凍的關鍵在于解決雍冰和冰凍兩個問題。

1.2 泥沙

取水樞紐地處黃河中游吳堡至龍門區間,晉、陜峽谷中段,地貌的最大特征是溝壑縱橫,支離破碎,植被條件總體較差,水土流失十分嚴重,是黃河泥沙的來源區之一。泥沙主要是由于暴雨對流域強烈的侵蝕作用形成的,黃河延水關取水樞紐所在河段流域具有水沙關系協調、年際變化大、年內分配不均的特點。根據吳堡站實測泥沙資料統計,吳堡站多年平均懸移質輸沙量為4.05 億t,多年平均含沙量17.3 kg/m3。其中,7月～10月多年平均輸沙量為3.42億t,占年輸沙量的84.4%；11月～次年6月多年平均輸沙量為0.63億t,占年輸沙量的15.6%。延水關取水樞紐斷面多年平均懸移質輸沙量5.82億t ,多年平均含沙量為23.5 kg/m3。

冬季由于上游降雨、降雪以及上游萬家寨水庫泄洪造成取水口河道水位和泥沙含量突長,水位和泥沙含量變幅大等因素,增加了取水口防冰凍難度。

2 取水口布置

延安黃河引水工程取水斗槽設有上、下游兩個取水口,兩個取水口對稱布置,取水斗槽總長度160 m,斗槽為封閉式箱體結構。上游取水口與黃河主河道順水流布置,進口處傾斜布置一道25.3 m×0.8 m（寬×高）浮箱式導冰排（下游取水口未設導冰排）,上游取水口從上游至下游依次設有1 扇7 m×8.55 m（寬×高）露頂式攔污粗柵,1 扇7 m×2 m（單節門葉高1 m,共兩節）露頂式疊梁擋沙閘門,1 扇7 m×15.75 m（寬×高）露頂式攔污細柵,1 扇7 m×2 m（寬×高）潛孔式取水閘門,取水口閘頂設置1 臺單向門式啟閉機進行攔污柵清污和閘門啟閉。

3 防冰凍試驗

此次試驗對上游取水口擬定的防冰凍方案進行試驗。上游取水口防冰凍裝置采用兩套壓力水射流法擾動裝置,1 套位于導冰排前,為一字型布置,長度與導冰排相同,1 套位于三角區域,為L型布置,緊靠側墻和攔污粗柵前。擾動裝置分別采用兩套融冰泵驅動。每套擾動裝置采用鋼絲繩手動起吊,噴水管懸吊于水面下500 mm。

壓力水射流法擾動裝置工作原理：壓力水射流法采用潛水泵抽取黃河源水,通過高壓軟管將水送入噴水鋼管,噴水鋼管上布置有噴嘴,根據計算確定潛水泵揚程、噴嘴數量、間距等,噴水鋼管放置于水面下20 cm左右,通過噴嘴從水下向上噴水,增加水面動能從而達到水面不結冰的目的。

冬季取水口運行條件與設想不一致,上游萬家寨水庫冬季為高水頭運行,不間斷會有泄洪情況,水庫泄洪、降雨以及降雪時河道水位突長,泥沙含量陡增,導致融冰泵和噴水鋼管堵塞嚴重,最終損壞融冰泵。因此像延安引黃這種干流取水口不適合采用壓力水射流法擾動裝置作為防冰凍裝置。

因壓力水射流法擾動裝置無法滿足取水口防冰凍要求,進而對壓縮空氣擾動裝置進行試驗。壓縮空氣擾動裝置采用一臺空壓機驅動,空壓機出口設置調壓閥,通過高壓軟管將壓縮空氣輸送至噴氣鋼管,鋼管上布置有噴嘴,根據計算確定噴嘴數量、間距及噴氣壓力,噴氣鋼管放置于水面下50 cm左右,通過噴嘴從下往上噴氣,氣泡上升至水面爆破擾動水流從而起到防止水面結冰的目的,試驗初期采用一臺活塞式壓縮機為動力源。

試驗結果表明,采用壓縮空氣擾動裝置能起到很好的融冰效果,在多泥沙環境下也能正常工作,不受泥沙淤積影響,相比壓力水射流法擾動裝置更適合在引黃工程這種多泥沙河流中應用。因試驗用空壓機為活塞式,且臨時采購設備功率較小,空壓機無法長期工作,后期永久設備需采用螺桿式空壓機。

4 取水口最終防冰凍方案

經過防冰凍試驗,調整上游取水口防冰凍方案。將上游取水口阻水導冰排更換為不阻水的攔冰網,通過攔冰網將河道浮冰攔截,攔冰網頂部閘墩上增設鋼桁架橋,桁架橋上布置起吊攔冰網用電動葫蘆,并在桁架梁上設置破冰錘,用來破除攔冰網上游凍冰。在攔冰網至攔污粗柵三角區域內布置兩套壓縮空氣擾動裝置,一套為矩形,位于攔冰網后,與攔冰網平行布置,一套為三角形,靠上游側墻布置,兩套擾動裝置共用一臺螺桿式空壓機,擾動裝置設有儲氣罐、過濾柜、吸干機等設備,確保三角區域冬季不結冰。每套擾動裝置分別采用兩套固定卷揚式啟閉機起吊,不工作時將擾動裝置提出水面。壓縮空氣擾動裝置采用自動化控制,擾動裝置可根據水溫自動調整噴氣壓力和脈沖噴氣頻率。

5 結論

延安引黃取水口防冰凍設計首先應考慮影響防冰凍效果的因素,經過多次防冰凍試驗,影響取水口融冰效果的主要因素有：擾動裝置選擇、取水口布置、河道冰情、泥沙含量、氣溫等。

通過試驗論證,原設計上游取水口浮箱式導冰排設置是很有必要的,但浮箱式結構不利于斗槽防冰、防沙。防冰凍試驗后將進口導冰排更換為不阻水的攔冰網,攔冰網配套有起吊設備,在不攔冰時將攔冰網提出水面上,防止攔冰網因污物堵塞影響取水。攔冰網上游增設了破冰錘,用來破碎攔冰網上游凍冰,確保攔冰網運行安全。

在試驗過程中,取水口在極端氣溫下（夜間最低氣溫-22℃）,河道因降溫流速降低,河道浮冰從導冰排下越過導冰排,擁堵在攔污粗柵前,致使攔污粗柵前結冰,隨著時間推移,結冰區域向導冰排上游延伸,冰面可觀察到延伸結冰產生的褶皺現象,最終導致斗槽取水口前整個三角區域全部凍結。因此取水口防冰凍設計必須將河道流冰攔截在導冰排外,且三角區域擾動裝置需根據環境溫度調整擾動頻率,進而論證取水口防冰凍自動化設計的必要性。

對于延安引黃這種取水口,由于河道流冰量大,泥沙、水位情況復雜,適合采用較傳統的防冰凍方式。

在整個冬季,取水口處河道流冰量大,在防冰凍設計初期設想通過防冰凍裝置阻止河道流冰擁擠導冰排以及將導冰排前雍冰融化是無法實現的。對待河道雍冰只能采用河道流態順勢導走。因此取水口防冰凍設計僅考慮將上游雍冰攔截在導冰排前,在導冰排前形成大冰蓋時通過破冰錘破碎導冰排前浮冰,防止雍冰擠壓導冰排,影響導冰排運行安全。在導冰排后至攔污粗柵前三角區域設置融冰裝置,確保三角區域不結冰。取水斗槽攔污粗柵后均為封閉箱體式,只要確保三角區域不結冰,整個斗槽便不會不結冰,從而達到冬季取水要求。