寒冷地区闸门防冰冻工程技术的研究

李祥波

在水利水电工程中，广泛应用各种钢闸门，它是水工建筑物中的重要组成部分。闸门在水工建筑物中主要有挡水、控制水流、根据要求局部或全部开启闸门泄放水流、调节上、下游水位、放运船只木排、排冰、排污等重要的功能。寒冷地区水电站和引水渠道闸门冬季可否正常运行，主要取决于工程设计和运行管理的合理性，冬季安全运行的关键问题，就是防冰冻的问题;它的安全和适用，在很大程度上影响着整个水工建筑物的运行效果。

1 冰冻对闸门产生的危害

闸门防冰冻是指防止冰盖的静压力、水流的冲击力作用在闸门上;防止冰团、冰凌、冰珠和冰块堵塞闸门;防止闸门活动部分与埋固部分被冰冻结在一起，以及闸门埋固件工作表面结冰等，影响闸门在冬季的正常运行。由于寒冷地区的环境与冰情规律不同，冰冻对闸门的危害也不尽相同，冰冻灾害五花八门，形式多样，根据引水渠道和水利枢纽目前出现过的冰冻情况，主要存在下列危害，但不限于此。1)引水渠道闸门与埋固件冻死，闸门无法正常运行，造成冰块大量堆积堵塞，减少过水断面，不能或无法引水。2)引水渠道闸门与埋固件冻死，闸门不能启闭，时间长，易造成连底冻，冰水漫堤，冲毁渠堤。3)水库形成冰盖，露顶闸门承受巨大的冰盖推力，造成门叶变形或损坏。4)潜孔工作闸门在整个冬季处于挡水工况，门叶迎水面形成巨大冰包，冰包与门叶、埋固件牢固地冻结在一起，造成闸门无法启闭，损坏水封和启闭设备。

2 闸门防冰冻工程技术现状

目前防冰冻工程技术在中国的西北、东北、华北和西藏等寒冷地区已被广泛应用，共分为六大类，即破冰工程技术、排冰工程技术、化冰工程技术、输冰工程技术、导冰工程技术、蓄冰工程技术。但对于渠道和枢纽区运行的闸门来说，主要采用化冰工程技术，包括保温法、增温法、加热法、射流法、吹泡法等等。

在全国水利水电的闸门防冰冻工程技术中，比如新疆恰甫其海水利枢纽工程表孔弧形闸门采用浮筒加热式化冰设备、北京珠窝拦河坝弧形闸门和新疆石灰窑水电站渠首进水闸门采用电热热空气法、新疆喀什三级水电站采用打冰机、青海牛板筋水电站采用增温法、新疆恰甫其海水利枢纽深孔排砂放空洞弧形工作闸门采用保温法、天津引栾工程大黑汀水库渠首分水闸闸门采用循环热油法、引黄济青工程山东亭口泵站闸门采用静油加法、开都河第一分水枢纽泄洪闸采用水平布置多回路发热热电缆法等等防冰冻工程技术都取得了良好的防冰冻效果。

3 寒冷地区闸门防冰冻工程技术的分析研究

寒冷地区闸门在冬季设计运行工况不同，采取的防冰冻工程技术措施也不尽相同，但都必须解决闸门的冰冻问题。在工程设计过程中，忽略或没有考虑闸门冬季运行时的防冰冻问题，或对当地的冰情规律、水文、气象等条件没有充分的掌握，即使采取了防冰冻工程技术，也不一定能取得良好的效果。

3.1 闸门处于非运行工况

闸门在冬季冰冻期处于非运行工况，闸门被锁定在锁定梁上，比如检修闸门和事故闸门，此时无须采取防冰冻工程技术措施。

3.2 闸门处于拦蓄水工况

1)水库露顶闸门处于拦蓄水工况。以恰甫其海水利枢纽工程表孔溢洪洞进口露顶闸门采用浮筒加热式露顶闸门化冰设备为例进行分析研究。恰甫其海表孔弧形闸门尺寸为15 m×13.2 m，舌板闸门8 m×5 m;冬季环境最低气温达到－20.17℃，形成的冰盖厚度为660 mm;根据冰推力计算公式，闸门所承受最大冰盖推力大于100 t;在初步设计中未提出和解决在冬季处于挡蓄水工况时所承受冰盖的巨大推力对闸门变形的问题。运行单位根据当地冬季天气寒冷、持续时间长、风雪大等气候特征，对闸门防冰冻工程技术进行了研究和比较。由于冬季风级大于6级的天气较多，采用吹泡法达不到化冰效果;由于水库较深，冬季水库运行水位较高，水下地形复杂，很难抽取到库底的水，所以增温法也很难达到化冰效果;如门叶背水面采用加热毯加热，可以达到融冰效果，但易漏电且须根据水位的不断下降而进行调整加热毯的高度，存在安全隐患。运行单位根据库水位在冬季不断下降的情况，自行研制了浮筒加热式露顶闸门化冰设备，且通过三年的运行，浮筒两侧各有0.010 m～0.030 m的冰盖被化开，且不会因水位的变化而影响其使用，融冰效果显著，解决了冰盖对闸门的推力问题。

2)渠道露顶闸门处于拦蓄水工况。寒冷地区多数渠道在冬季处于非运行状态，少数渠道在冬季处于运行状态，如果在冬季需要引水发电或输水，闸门处于拦蓄水工况就必须采取有效的闸门防冰冻工程技术措施。以新疆南岸干渠渠道露顶闸门为例进行分析。新疆伊犁南岸干渠渠道纵坡比例为8 000∶1，水流速度慢，环境气候与恰甫其海接近，冬季需输水至雅玛渡水电站进行发电。当其露顶闸门在渠道上长时间挡水时，极易形成连底冻，当冰膨胀时有巨大作用力作用于门叶上，会造成门叶的永久变形和破坏，影响闸门的使用和寿命。采用加热法可融化门叶前的冰冻，加热法中三种闸门防冰冻工程技术措施各有利弊。如采用热空气法和热水法，可解决闸门的冰冻问题，但由于渠道过长，闸门较多，其投资较大，不经济;采用发热热电缆和热油法，就可以简单、容易、方便地融化门叶上的冰冻，而且其投资较少，较经济。

3)潜孔闸门在冬季处于挡蓄水工况。潜孔闸门通常其上方设有封闭的闸房，泄水出口与外部环境相通，用于排砂或汛期泄洪之用。如果闸门设于有压洞进口，比如恰甫其海中孔进口弧形工作闸门，因其背水面与洞口距离较远，洞内无穿堂风，洞内具有保温作用，且闸门在冬季处于水下50 m～70 m深处运行，底层水温与门叶在不停的进行热量交换，闸门温度大于－0.01℃，处于不结冰状态，也就无须采取任何闸门防冰冻工程技术措施。潜孔闸门设于有压洞的出口，门叶背水面与外界相通，在一定的条件下，门叶迎水面极易形成冰包，比如恰甫其海深孔排砂放空洞出口潜孔闸门就属于此类情况。此闸门距离洞口10 m，闸门尺寸为6 m×6 m，水深70 m;运行单位采用保温帘减少洞内外空气的对流，经过五年的运行，防冰冻效果显著。潜孔闸门设于渠道上，由于渠道的水深较浅，一般不超过10 m，在冬季当闸门处于拦蓄水工况时，闸门迎水面或闸门洞极易形成连底冻。在此类情况下，必须采取防冰冻工程技术措施，采取电热热空气法和热水法，不经济且投资较大，采用发热热电缆法和热油法，易操作且经济。

3.3 闸门处于启闭工况

冬季为了控制水库水位或为满足下游生产、生活用水，渠道和枢纽工程的闸门需要经常进行启闭、局部启闭或局部控制下泄流量。在寒冷地区，不论露顶闸门还是潜孔闸门，在冰冻期都需要采取有效的闸门防冰冻工程技术措施，以保证闸门正常启闭。由于闸门开度在不断的变化，采用发热热电缆法和热油法在此工况下是非常理想的防冰冻工程技术措施，但需要注意的是门叶和门槽埋件内都需要敷设发热热电缆或热油管，同时加热，达到闸门在冬季冰冻期启闭正常。

4 结语

对于已建设完成需采取防冰冻工程技术措施且在冰冻期仅处于拦蓄水工况的露顶闸门，建议采用浮桶加热式化冰设备，无需对闸门本身进行技术改造，影响其结构性能;对于其他工况的闸门(冰冻期处于非运行工况除外)，建议采用发热热电缆法或热油法，需要对闸门本身进行技术改造，但其门槽埋件是无法解决冰冻问题的。对于寒冷地区还未建设的闸门，设计者需认真考虑其防冰冻工程技术措施，建议采用发热热电缆法或热油法;在门叶上敷设热电缆或热油管的技术方案中，建议采用水平布置、多回路或多循环的敷设方式，且能随着水位的变化灵活调整融冰范围，保证其融冰效果。对于门槽埋件需要防冰冻的，采用发热热电缆法，建议敷设两根热电缆，一用一备，防止热电缆的损坏。发热热电缆法其能量交换是线接触式，能耗损失较大，基本上无需维护;热油法，采用“U”形油管，其能量交换是面接触式，能耗损失较小，维护工作量较大。总之，寒冷地区闸门在冰冻期正常运行的关键问题，取决于防冰和防冰冻的问题。设计者须根据被设计地区冬季的冰情、气象、水文等方面的原始资料，综合考虑确定闸门在冬季的运行方式，采取有效的防冰和防冰冻工程技术措施，保证闸门在冰冻期的安全可靠运行。

[1]SL 211-2006，水工建筑物防冰冻设计规范[S］.

[2]铁 汉.水工金属结构与水电站防冰工程技术[Z］.2010.