高寒地区面板堆石坝防冰装置方法的新探索

张青疆

（新疆新华和田事业部，新疆 和田848000）

1 引言

水库面板堆石坝是水电站水工建筑物重要的设施之一，是电站调汛防洪、电站发电的重要组成部分，为水库安全提供可靠的保障。混凝土面板堆石坝以其良好的适应性得到了广泛的应用，就气候环境而言，无论是温暖地区还是寒冷地区都有混凝土面板堆石坝兴建，运行情况良好。当前，随着水电开发的持续发展，我国在寒冷地区修建的面板坝数量不断增多，高寒山区和寒冷地区建成的面板坝近20多座。混凝土面板坝在技术和经济方面有其不可替代的优势。其在严寒地区，特别是在纬度较高地区，设计和施工在工程建设期间考虑和研究了防冰冻问题，如：（1）提高面板混凝土抗渗抗冻标号；（2）面板表面涂刷防冻层；（3）适当增加面板钢筋含量为防止混凝土面板冻裂；（4）改进表面止水与面板混凝土的连接方式，改变面板止水的结构。而在面板堆石坝上防冻技术还处在探索阶段，由于库区结冰层与水工建筑物及金属结构紧密粘连，随着库区水位的变幅，冰的作用力已构成对水库安全运行的影响。因此，大坝面板采用的防冰除冰技术对水库安全管理显得十分的重要和迫切。

2 背景

吉勒布拉克水电站位于新疆维吾尔自治区阿勒泰地区境内的某河上，流域地处亚欧大陆腹地，于2014年4月投产发电。该电站位于东经86°～87°，北纬48°～49°之间，电站区域多年平均气温为4℃，极端最高气温36.4℃，极端最低气温-40℃，最冷月平均气温-14.6℃，属中纬度严寒地区。冰封期达到5～6个月之久，水库水面冰冻层达0.8m至1.2m。面板堆石坝垂直缝止水在面板表面整体呈“Ω”形，该止水在面板混凝土浇筑以后开始安装，止水材料全部高出面板约20cm。其次还在面板表层涂刷的弹性聚氨酯，增加自补裂缝装置，寒冷地区面板坝水位变化区的止水最容易产生冰冻破坏，破坏的形式有拉裂、挤压、挫伤、静冰推力。

进入冬季后寒冷山区水库库区表面开始结冰，粘连大坝结冰厚度最深可达120cm，水库表面结冰以后冰与周围岩体、大坝面板以及面板上的止水紧密接触，库区表面完全封闭。受电网调度影响，吉勒布拉克水电站冬季水位变化下降幅度可达10m左右，水位变化导致库水表面的冰面在自身重力和水的浮力作用下会上下浮动。在水位抬高的过程中冰面因浮力向上抬升，同时在冰层冻胀作用下向大坝方向顶推，冰层对面板表面凸起接缝止水产生挤压作用，对止水造成冰拔力的破坏；在水位下降的过程中冰面因自重下沉，靠面板一侧的冰块将搭在混凝土面板表面，在随着库水位大幅降落最终会折断，与库冰脱离后的冰块会匍匐在面板斜坡面上，冰块在自重作用下有沿坡面下滑的倾向，冰块对面板及止水产生下拉力，如果冰块下部附着尖利的树根等坚硬物体，会对止水造成拉裂破坏；如果水位下降的速率较快，冰面急剧破裂，部分暂时滞留在混凝土面板及止水表面的冰块将处于悬空状态，在失稳下滑过程中会对止水产生冲击和挤压，冰盖层受温度影响时产生的静冰推力，以及结冰产生的几种冰压力现象是对库区面板堆石坝及止水系统造成破坏的主要因素，同时闸门冬季被库区结冰易产生挤压变形。

3 面板堆石坝防冰技术现状分析

对于高寒地区的面板堆石坝，水位变幅区的防结冰设计一直是个难解决的问题。为防止冬季库区因结冰造成面板堆石坝、垂直止水系统及其他水工建筑物、金属结构被破坏，地处高寒地区的水电站在如何保证水工建筑和金属结构安全上煞费苦心，下足了功夫，目前国内采用了几种破冰方法，并在实践中取得了一定的经验和成效。

3.1 人工破冰法

用人工手操作的方式在库区冰面上使用冰镐、冰钻、钢钎、漏勺等工器具直接破碎冰层，达到冰层与建筑物表面的分离，形成不结冰的冰带槽，简易改装可以采用机械凿冰窟窿的方式，但要结合冰层厚度。

3.2 潜水泵连接管路融冰法

这种方法是将潜水泵与钢管管路相连，利用绳索或浮筒悬吊管路，采用潜水泵抽取库区冰层下一定深层温度的水，融化水面结冰，水面保持涌动达到清除水面结冰的目的。

3.3 机船破冰法

当水库水面结冰未形成一定厚度，未能产生冰拉力、冰压力的破坏程度，将机船开至库区迎水面结冰区，利用机船的推力将冰层冲撞开，再利用船行动时搅动表面水体，使之保持形成不结冰带，达到破冰的要求。

3.4 气泡融冰法

用空压机、输气管、电气控制等设备，向库区冰层下输入空气，通过水下设备装置产生无数个微小气泡，水泡浮出水面后爆裂，扰动水面形成涌态，达到融冰不结冰的目的。

3.5 射流曝气融冰法

利用潜水泵产生的水流经过喷嘴形成高速水流，在喷嘴周围形成负压吸入空气，经混合室与水流混合，在喇叭形的扩散管内产生水汽混合流，高速喷射而出，夹带许多气泡的水流在较大面积和深度的水域涡旋搅拌，达到融冰的目的。

4 防冰方法的比较

4.1 人工破冰法

优点：保证率高，受环境影响较少，简单易操作，成本较低。

缺点：工作环境艰苦、具有一定的风险性、工人劳动强度大、工作效率低。

4.2 潜水泵连接管路融冰法

优点：潜水泵数量少、易操作。

缺点：管路长、泵体重、作业面大、人工安装就位及检修操作困难、需要人员较多，维护维修工作量较大，且不能完全避免冰堵。

4.3 机船破冰法

优点：破冰效率高、受到外界环境的影响很小、费用低。

缺点：受水域和水工建筑物的制约、巡更值班频繁，存在安全隐患较大。

4.4 气泡融冰法

优点：无噪音、无污染、融冰范围稳定、自动化程度高。

缺点：管线长、布点多、安装及维护受水面影响大、投资成本高。

4.5 射流曝气融冰法

优点：水气混合率高、结构紧凑、无需管路、节能环保、扰动范围大、投资成本低。

缺点：融冰范围无规则，是大家进一步研究的融冰课题。

5 射流曝气防冰技术实施方案

鉴于5种融冰方法的比较分析，可以看出，射流曝气法融冰投资成本低、融冰范围大、低噪音、无污染、适应性强，而且在安装和维护上不受水面变幅的影响，完全能自动化控制，实施远方监控，不但有利于库区安全运行管理，又能降低运行生产成本。

5.1 系统组成

射流式潜水曝气机由浮箱、潜水电泵、进气管、电控系统与喷射器组成，设备使水体搅动与空气吸入同时进行，既可获得较高的空气吸收率，较短时间内提高水的溶解氧，又具有叶轮无堵塞的优点。强有力的单向液流，造成有效的对流循环，且电机负荷随水位的变化很小，噪音低，故障率小，安装简单。

曝气装置原理：利用潜水电泵产生的水流经过喷嘴形成高速水流，在喷嘴周围形成负压吸入空气，经混合室与水流混合，在喇叭形的扩散管内产生水气混合流，高速喷射而出，夹带许多起泡的水流在较大面积和深度的水域内涡旋搅拌，完成曝气，并且其轴功率不随潜水深度的变化而变化，进气量可以调节。正因为如此，射流式曝气机可以在水位变化较大的库区融冰进行探索和应用。射流曝气系统结构示意图如图1。

5.2 射流式曝气机安装方式

射流曝气机有漂浮式、沉水式、深水式及驳岸悬挂固定4种方式，无需专用的安装基础，根据需求灵活运用，吉勒布拉克水库选用漂浮式、沉水式2种安装方案，2017年12月中旬，通过人工破冰的方法，凿开宽0.8m、长1.2m，冰层厚度30cm的长方形冰窟窿，将射流曝气机装置投入水中，利用辅助支架及电气控制系统，历经数小时的运行，库区冰体与混凝土坝已被完全不结冰的水带隔离开，达到除冰防结冰的目的。

图1

5.3 技术路线

设备采购→搭建实验平台→试压启动→收集数据→调整可变参数→确定在不同温度下恒定量、可调量对融冰范围的影响→装置技术的改进→投入运行。

设备适用范围见表1。

表1

5.4 实现功能

射流曝气法防除冰技术采用的是先进的进口设备——射流式潜水曝气机，根据2017年冬季库区融冰实际应用案例，单机在-23℃，实际表明该设备运行时的有效防冰区域设备出口宽为2.5m、融冰纵深长度27m、融冰宽幅由2.5m逐渐变窄为0.2m，且成本较低，每台3kW射流曝气机耗电量55kW·h/d，并能适应不同的水位变幅。通过试验平台，在极寒天气-36℃，探索验证适合吉勒布拉克库区面板堆石坝防结冰装置，其有效防冰区域能够达到10～15m。运行效果如图2、图3。

5.5 结构特点

（1）不受冬季气温、水库水位变幅影响，投放及退出简易方便，开机后能自然融冰，融冰速率0.5cm/h，扰动范围大。

（2）电机喷气角度可作上下90°调整，水封方式采用双重机械轴封，调频变速可以使装置沿坝轴线平行前移和后退，且设备投资少。

图2 水库局部实验现场图

（3）结构紧凑，充气率高，噪音低，故障率小，具有节能低耗环保优点。

（4）具有水循环功能，不受空间条件限制，集曝气、搅拌、混合、推流为一体。

图3 水库局部实验效果图

6 结束语

高寒地区面板堆石坝现阶段在防治冰害方面存在不足，现有防冰技术处理除传统的人工破冰、潜水泵射流、气泡融冰等均为水工建筑物局部结构区（闸门）使用。而库区面板堆石坝因坝体长，防结冰范围大，坝面迎水面水位变幅区受冰冻破坏严重，是传统防冰作业无法完成的。本文通过射流曝气原理和性能，以其作为实验平台，进行大范围、长距离防结冰装置方法的探索，形成自动化、智能化运行，设备数量少，低能耗的新型实用的装置，实现了面板堆石坝库区大范围的防除冰技术新突破。