氣泡防冰技術(shù)在頭屯河水庫(kù)冰害治理工程中的應(yīng)用

高柯 楊會(huì)平 刁彥斌 姜明松 張民 張樹(shù)臣

摘 要：水庫(kù)在運(yùn)行過(guò)程中易受冰凍侵害的影響，庫(kù)區(qū)結(jié)冰產(chǎn)生的冰荷載會(huì)對(duì)各類(lèi)水工建筑物造成不同程度的損壞。以新疆頭屯河水庫(kù)為對(duì)象，研究氣泡防冰新技術(shù)在水庫(kù)進(jìn)水塔、交通橋橋墩、閘門(mén)井冰害治理工程中的作用機(jī)制，并對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行了探討。結(jié)果表明：在整個(gè)冬季冰期運(yùn)行過(guò)程中，氣泡防冰設(shè)備有效地消除了水庫(kù)進(jìn)水塔、交通橋橋墩、閘門(mén)井周?chē)慕Y(jié)冰問(wèn)題；該設(shè)備可在低溫環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，減少庫(kù)區(qū)冬季水位、溫度變化帶來(lái)的不利影響，有效地消除冰荷載問(wèn)題，為解決不同領(lǐng)域冰害問(wèn)題提供了技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：氣泡防冰；水工建筑物；冰凍侵害；頭屯河水庫(kù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TV875? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

冰是一種天然材料，其結(jié)構(gòu)特性、強(qiáng)度特性、動(dòng)力特性以及破壞形式均具有高度的復(fù)雜性，并且在外界條件的影響下其特性會(huì)不斷發(fā)生變化。溫度是引起冰的特性變化的重要因素之一，直觀表現(xiàn)在冰隨溫度的變化而產(chǎn)生的膨脹效應(yīng)。在水凍結(jié)成冰的相變過(guò)程中體積會(huì)膨脹，但此時(shí)材料的強(qiáng)度很低，不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的影響。然而，冰在升溫過(guò)程中的膨脹卻是寒冷地區(qū)水工建筑物的設(shè)計(jì)和建造中必須考慮的因素之一，已有研究表明，冰蓋在升溫過(guò)程中的膨脹效應(yīng)會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非常明顯的影響，甚至造成嚴(yán)重的危害[1]。

冰凍破壞常發(fā)生在混凝土建筑物，表現(xiàn)為混凝土強(qiáng)度降低，層狀脫落，表面疏松，影響建筑物的正常使用。冰凍破壞之所以會(huì)發(fā)生在混凝土建筑物上，是由于滲水孔隙存在于混凝土內(nèi)部，孔隙中的水在結(jié)冰時(shí)體積會(huì)膨脹，膨脹產(chǎn)生壓力，作用在毛細(xì)管壁或孔隙上。同時(shí)，在凍結(jié)過(guò)程中，冷水還可能在孔隙中遷移，產(chǎn)生滲透壓力作用于混凝土管壁上。在混凝土凍結(jié)過(guò)程中出現(xiàn)的這兩種壓力，在融化過(guò)程中消失，形成周期性的凍融循環(huán)作用，在孔隙壁上產(chǎn)生微裂縫，并逐漸增多擴(kuò)展，混凝土強(qiáng)度降低，表面開(kāi)始剝落甚至整體破壞[2]。已發(fā)生的大量工程冰害災(zāi)難，形式多種多樣，但歸納起來(lái)其破壞力主要是靜冰壓力、冰拔力以及冰爬作用。

本文根據(jù)頭屯河水庫(kù)庫(kù)區(qū)水工建筑物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究了冰層在環(huán)境溫度、水深變化、日照角度、風(fēng)速風(fēng)向等影響因素下對(duì)進(jìn)水塔、交通橋橋墩、閘門(mén)井產(chǎn)生的作用機(jī)制。基于氣液兩相流理論研發(fā)了適用于進(jìn)水塔、交通橋橋墩、閘門(mén)井的氣泡防冰設(shè)備，以有效解決在連續(xù)極端溫度條件下庫(kù)區(qū)水工建筑物的冰害問(wèn)題。

1 防冰害技術(shù)現(xiàn)狀

目前，解決冰凍害問(wèn)題的常用技術(shù)方法有以下幾種方法[3-4]。

（1）人工除冰法。利用人工將水工建筑物及閘門(mén)周?chē)鶎优俪蛊涿馐鼙奢d。該方法優(yōu)點(diǎn)是成本低廉，前期基本無(wú)需投入，設(shè)備免維護(hù)，除冰范圍靈活可控；缺點(diǎn)是作業(yè)環(huán)境惡劣，存在較大人身安全隱患，目前較少采用。

（2）潛水泵除冰法。在水工建筑物及閘門(mén)周?chē)贾脻撍茫脻撍脭_動(dòng)水體，防止其結(jié)冰并消除冰荷載。該方法優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低；但其缺點(diǎn)也非常鮮明，設(shè)備運(yùn)行可靠性差，冬季更換與檢修困難、能耗高，運(yùn)行工作量大，且潛水泵對(duì)水流擾動(dòng)效果特點(diǎn)是放置在水位以下300～500 mm深度范圍內(nèi)，冬季水位不斷降低，需要不斷調(diào)整潛水泵在水下放置深度，增加了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工作量。

（3）電熱法。在水工建筑物及閘門(mén)周?chē)O(shè)置發(fā)熱元件，將電能轉(zhuǎn)化成熱能，將冰層融化。該方法優(yōu)點(diǎn)是布置簡(jiǎn)單，操作方便，局部融冰針對(duì)性強(qiáng)；缺點(diǎn)是能耗過(guò)高，大范圍應(yīng)用不具有實(shí)用價(jià)值。

（4）泡沫板法。在水工建筑物表層粘貼泡沫板，用以緩解冰壓力對(duì)橋墩的作用力。該方法優(yōu)點(diǎn)是成本較低；缺點(diǎn)是在實(shí)際運(yùn)用中存在施工難度大，水下不能施工，粘接不牢固，在浮力作用下，泡沫板與水工建筑物脫離等，該方法的普遍運(yùn)用受到制約，不能有效除冰。

2 氣泡防冰技術(shù)應(yīng)用分析

2.1 工程概況

新疆頭屯河水庫(kù)位于烏魯木齊市及昌吉市以南，距離兩市均約40 km處的頭屯河中游，是一座以防洪、灌溉為主，結(jié)合城鎮(zhèn)生活供水、工業(yè)供水等綜合利用的中型水庫(kù)。枯水期為滿足取水要求，將進(jìn)水塔入水口高程設(shè)置在水庫(kù)較低位（如死水位附近），采用交通橋?qū)⑦M(jìn)水塔與堤岸相連，以滿足安裝、運(yùn)行、檢修等交通要求。進(jìn)水塔塔架高48 m，塔架塔頂高程995.2 m，與大壩壩頂齊平。塔架基礎(chǔ)20 m × 16 m，塔內(nèi)設(shè)有一座閘門(mén)井。交通橋主體通過(guò)四處橋墩支撐，每處橋墩間隔40 m。

2.2 冰害現(xiàn)狀

歷年來(lái)，頭屯河水庫(kù)庫(kù)區(qū)結(jié)冰嚴(yán)重，最低溫度出現(xiàn)在2018年1月份，達(dá)到-35℃左右（見(jiàn)表1）。結(jié)冰后產(chǎn)生的靜冰壓力、冰拔力等冰荷載對(duì)進(jìn)水塔、交通橋橋墩、閘門(mén)井造成不同程度損壞。目前，頭屯河水庫(kù)冬季冰期運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)人工破冰、電烤等方法消除冰荷載對(duì)進(jìn)水塔、交通橋橋墩、閘門(mén)井的破壞，但效果欠佳。每年需要耗費(fèi)大量的人力和物力，且作業(yè)環(huán)境惡劣，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，冰上作業(yè)人員還存在一定人身安全隱患，不符合安全生產(chǎn)要求。針對(duì)上述情況，根據(jù)新疆頭屯河水庫(kù)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)工況及防冰需求，對(duì)以往工作基礎(chǔ)、國(guó)內(nèi)類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析，開(kāi)展消除冰害技術(shù)方案驗(yàn)證性試驗(yàn)，以有效解決冰荷載對(duì)交通橋橋墩、進(jìn)水塔、閘門(mén)井造成的冰凍害難題，保障工程在冬季的安全運(yùn)行。

受到冬季環(huán)境溫度影響，頭屯河水庫(kù)庫(kù)區(qū)水體會(huì)凍結(jié)成冰，且持續(xù)較長(zhǎng)的低溫環(huán)境往往造成水體表面形成冰層，厚度可達(dá)2.0 m。在形成冰層的過(guò)程中，進(jìn)水塔四周墻體表面、交通橋橋墩表面和閘門(mén)井四周墻體表面會(huì)凍結(jié)為一個(gè)整體，事故閘門(mén)在閘井門(mén)槽內(nèi)也與冰凍結(jié)在一起，導(dǎo)致無(wú)法正常啟閉。最終冰層與其接觸的所有結(jié)構(gòu)交界面完全粘合在一起，形成凍結(jié)力。

在冰封期，受溫度變化影響，冰層膨脹受到進(jìn)水塔、交通橋橋墩、閘門(mén)井結(jié)構(gòu)約束時(shí)，會(huì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生膨脹力。受溫度變化和外力（風(fēng)力、水體流動(dòng)力）影響，冰層會(huì)發(fā)生顯著位移，隨著冰層的拉伸開(kāi)裂及擠壓破碎，冰層位移更為顯著。冰層移動(dòng)雖然釋放了冰層內(nèi)部所積蓄能量，但它所釋放的能量也間接以靜冰荷載的方式傳遞給了水工建筑物，而在水工建筑物設(shè)計(jì)時(shí)往往對(duì)這部分作用力預(yù)估不足，給結(jié)構(gòu)帶來(lái)了巨大的安全隱患。

資料顯示，位于官?gòu)d水庫(kù)的媯水河大橋在1956年1月9日就曾因?yàn)楸w移動(dòng)使該橋的第4、5、6、7、8、19號(hào)橋墩突然被冰擠斷，造成線路中斷長(zhǎng)達(dá)9個(gè)月[5]。宋集屯水庫(kù)的進(jìn)水塔、交通橋，也曾發(fā)生靜冰荷載造成的塔身傾斜、橋墩剪斷、橋面拱起等危害。臥牛河水庫(kù)進(jìn)水塔、交通橋橋墩也曾被冰壓力剪斷，導(dǎo)致交通橋報(bào)廢[6]。1962年春季，黃河五開(kāi)江形成的大塊冰排流經(jīng)三道坎大橋時(shí)，對(duì)橋墩的擠壓使該橋振幅達(dá)2.0 cm以上，凌汛部門(mén)緊急使用炸藥爆破炸開(kāi)大面積冰排以及冰排堆積的冰壩才保證了大橋的安全[7]。

為避免冰層移動(dòng)給水工建筑物造成的危害，水利管理部門(mén)每年需要投入大量的財(cái)力、人力來(lái)保障水工建筑物的安全。

2.3氣泡防冰技術(shù)原理

汲取前人已有的防冰經(jīng)驗(yàn)，刁彥斌發(fā)明了水利水電工程防冰系統(tǒng)[8]；采用氣液兩相流理論，利用氣泡發(fā)生器（專(zhuān)利技術(shù)）[9]在水下發(fā)生符合形成流場(chǎng)要求的連續(xù)的氣泡群。氣泡群在初速度以及浮力作用下向上運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)氣泡群周?chē)w產(chǎn)生沿豎向流動(dòng)，形成局部環(huán)流的流場(chǎng)。流場(chǎng)內(nèi)流動(dòng)的水不易生成結(jié)晶體（冰核），也不會(huì)破壞掉已生成的結(jié)晶體（冰核），沒(méi)有結(jié)晶體（冰核）的水即使在過(guò)冷狀態(tài)下也不會(huì)結(jié)冰。此方法保證流場(chǎng)區(qū)域范圍內(nèi)不能形成冰層，從而消除了水工建筑物、閘門(mén)等的靜冰壓力、冰拔力以及冰爬等冰害對(duì)其造成的破壞，解決了高寒地區(qū)水工建筑物因受冰害影響而產(chǎn)生的嚴(yán)重安全隱患問(wèn)題。

2.4 氣泡防冰技術(shù)的應(yīng)用

氣泡防冰技術(shù)是近年來(lái)出現(xiàn)的冰害治理新技術(shù)、新方法，是基于氣液兩相流理論，結(jié)合頭屯河水庫(kù)進(jìn)水塔、交通橋橋墩、閘門(mén)井的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研發(fā)的防冰（消除冰荷載）新技術(shù)。主要設(shè)備包括氣源系統(tǒng)、升降機(jī)構(gòu)、水下防冰工作裝置、供氣管路系統(tǒng)。進(jìn)水塔、交通橋典型布置如圖1所示。

2.4.1 氣源系統(tǒng)

利用橋頭現(xiàn)有的空站房作為氣源系統(tǒng)設(shè)備間。設(shè)備間存放有空壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐、過(guò)濾器、干燥機(jī)、集控平衡閥組、電氣控制柜等設(shè)備。空壓機(jī)采用“一用一備”設(shè)計(jì)，通過(guò)控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作與監(jiān)控，并將防冰動(dòng)態(tài)信號(hào)傳送至智能終端設(shè)備。系統(tǒng)中各設(shè)備通過(guò)可編程控制器PLC自動(dòng)啟停控制，自動(dòng)化程度高，運(yùn)維工作量小，不僅能夠達(dá)到節(jié)能減排，降低運(yùn)行能耗的目的，而且還能夠保證水下防冰工作裝置均勻一致地連續(xù)釋放充足的氣泡群，最終保證整套系統(tǒng)的智能化穩(wěn)定運(yùn)行。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)處理的氣源，在冬季-40℃的條件下保證室外供氣管路無(wú)懼結(jié)露問(wèn)題。

2.4.2 升降機(jī)構(gòu)

升降機(jī)構(gòu)布置在每個(gè)交通橋橋墩正上方兩側(cè)護(hù)欄上，每側(cè)護(hù)欄布置兩臺(tái)升降機(jī)構(gòu)（跨距根據(jù)水下防冰工作裝置長(zhǎng)度適當(dāng)調(diào)整），通過(guò)焊接與護(hù)欄連接固定。通過(guò)操作絞盤(pán)調(diào)整水下防冰工作裝置的置放深度。每組水下防冰工作裝置配備兩臺(tái)升降機(jī)構(gòu)。升降機(jī)構(gòu)可以在需要升降水下防冰工作裝置的工況下自由操作，方便檢修與其它運(yùn)行需要，而且該機(jī)構(gòu)可在交通橋平臺(tái)上操作，安全方便，可操作性高。

2.4.3 水下防冰工作裝置

水下防冰工作裝置布置在進(jìn)水塔外側(cè)四周及橋墩兩側(cè)，通過(guò)供氣管路系統(tǒng)輸送氣體。其中進(jìn)水塔每面圍墻設(shè)置一組，每個(gè)橋墩沿交通橋方向在其兩側(cè)各設(shè)置一組，每組距離防冰區(qū)域建筑物間距約為2～3 m，每組均可獨(dú)立工作。利用升降機(jī)構(gòu)將其置放深度調(diào)整到合理水深位置，當(dāng)水位變化時(shí)，該裝置無(wú)需調(diào)整。水下防冰工作裝置可以放置于任意深度，最低可以放置在死水位以下，滿足極端枯水位條件下冬季運(yùn)行要求，冬季運(yùn)行時(shí)無(wú)需調(diào)節(jié)該裝置在水中的深度，減輕操作人員工作強(qiáng)度。該裝置還具有清淤、自潔、耗氣量小等功能特點(diǎn)。

2.4.4 供氣管路系統(tǒng)

供氣管路系統(tǒng)分為兩部分，第一部分為主供氣管路，采用無(wú)縫鋼管材質(zhì)，布置在交通橋護(hù)欄上，并沿護(hù)欄敷設(shè)至每組水下防冰工作裝置處，利用管夾連接固定。第二部分為分供氣管路，從主供氣管路在每組水下防冰工作裝置處分支，并通過(guò)螺栓固定在升降機(jī)構(gòu)上。由于水下防冰工作裝置有上升與下降的功能需求，因此供氣管路選擇具備耐高壓、耐高低溫特性的橡膠軟管，軟管通過(guò)自動(dòng)卷管器進(jìn)行收縮與拉伸，以保證與水下防冰工作裝置上升或下降時(shí)同步收放。供氣管路系統(tǒng)由多條供氣管路組成，每條管路對(duì)應(yīng)一組水下防冰工作裝置，保證每組水下防冰工作裝置分別獨(dú)立工作，而且分供氣管路低溫條件下具有可伸縮性，增加了供氣管路系統(tǒng)的可靠性。

氣泡防冰技術(shù)在頭屯河水庫(kù)進(jìn)水塔、交通橋橋墩、閘門(mén)井的成功應(yīng)用，有效地消除凍融、靜冰壓力、冰拔力對(duì)水工建筑物的破壞（見(jiàn)圖2），解決了高寒地區(qū)水工建筑物因受冰害影響而產(chǎn)生的嚴(yán)重安全隱患問(wèn)題，具備工作效率高、運(yùn)行能耗低、布置靈活、環(huán)境友好且無(wú)污染的特點(diǎn)，有效地保障了水庫(kù)在寒冷復(fù)雜條件下最基本的使用任務(wù)。

2.5 氣泡防冰技術(shù)特征及關(guān)鍵點(diǎn)

綜合分析氣泡防冰技術(shù)在頭屯河水庫(kù)的實(shí)際應(yīng)用效果，總結(jié)其特征如下：①運(yùn)行最低環(huán)境溫度可為-40℃；②能夠有效消除水工建筑物防冰區(qū)域內(nèi)的冰荷載及凍融問(wèn)題；③設(shè)備布置靈活，適用于不同水工建筑物結(jié)構(gòu)；④適用于不同水位變幅工況；⑤采用集控閥組，通過(guò)對(duì)多點(diǎn)進(jìn)行壓力、流量調(diào)節(jié)，能夠產(chǎn)生高效、節(jié)能、環(huán)保的社會(huì)效益。

氣泡防冰技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)包括：①采用氣液兩相流理論研發(fā)出水下防冰工作裝置；②冬季水位發(fā)生變化時(shí)，水下防冰工作裝置可自動(dòng)適應(yīng)水位變幅工作；③系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境溫度等影響因素變化進(jìn)行自動(dòng)分析，實(shí)現(xiàn)了變頻輸出防治效果；④平均運(yùn)行能耗低，維護(hù)工作量小，環(huán)境友好、無(wú)污染；⑤消除了冬季低溫環(huán)境下庫(kù)區(qū)涉水建筑物冰害問(wèn)題。

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)防冰理論和防冰實(shí)踐，提出了針對(duì)水庫(kù)進(jìn)水塔、交通橋橋墩、閘門(mén)井等水工建筑物的防冰新技術(shù)、新方法。該技術(shù)方法在頭屯河水庫(kù)冰害治理工程中得到成功應(yīng)用，消除了進(jìn)水塔、交通橋橋墩的冰荷載以及進(jìn)水塔閘門(mén)井內(nèi)冰層，保證了閘門(mén)正常啟閉運(yùn)行。氣泡防冰技術(shù)體系切實(shí)解決了工程實(shí)踐中的冰害問(wèn)題，推進(jìn)了水利水電工程科技成果在開(kāi)發(fā)、轉(zhuǎn)化、推廣中的示范作用，增強(qiáng)了水利水電工程防冰工程的現(xiàn)代化、智能化建設(shè)。基于冰害的多樣性、復(fù)雜性，今后應(yīng)對(duì)該技術(shù)的適應(yīng)性進(jìn)行深入研究，擴(kuò)大防冰技術(shù)應(yīng)用范圍，解決不同領(lǐng)域的冰害問(wèn)題。

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Application of Air Bubble Anti-icing Technology to Ice Damage Control Project of Toutun River Reservoir

GAO Ke1，YANG Huiping1，DIAO Yanbin2，JIANG Mingsong2，ZHANG Min 3，ZHANG Shuchen3

（1. Water Management Center of Xinjiang Toutun River Basin Administration，Xinjiang 831100，China；2. Changchun Huapu Datong Anti-icing Engineering Technology Co.，Ltd.，Changchun 130000，China；3. Songyuan Hada Mountain Water Conservancy Project Management Service Center，Songyuan 138000）

Abstract：Due to the vulnerability to freezing during operation，hydraulic structures are prone to suffer from different degrees of damage caused by the ice load generated by icing in the reservoir storage area. With a focus on Toutun River Reservoir in Xinjiang，we examine the mechanism of the air bubble anti-icing technology in controlling ice damage in reservoir intake towers，traffic bridge abutments，and gate well. We also discuss the effectiveness of its application. The findings manifest that the air bubble anti-icing equipment effectively eliminates icing problems around reservoir intake towers，traffic bridge abutments，and gate wells throughout the winter ice operation. The equipment can operate stably in low-temperature environment for a long time，while reducing the adverse impacts of water level and temperature changes in the reservoir area in winter. Moreover，it effectively eliminates the ice loading problem and provides a technical reference for solving ice damage problems in different fields.

Key words：air bubble anti-icing；hydraulic structure；ice damage；Tou Tun River Reservoir

收稿日期：2023-09-12

基金項(xiàng)目：2022年度新疆維吾爾自治區(qū)水利發(fā)展資金

作者簡(jiǎn)介：高 柯，男，高級(jí)工程師，主要從事水利水電工程建設(shè)與運(yùn)行管理。E-mail：832319@qq.com