南水北调中线工程天津干线2018年防冰冻输水方案

刘建学

（南水北调中线干线工程建设管理局天津分局，天津300000）

1 研究背景

1.1 工程概况

天津干线长155.3 km，自西黑山进口闸开始，至天津市外环河出口闸结束，进口段明渠总长222 m，包括进口引渠118 m，进口扭坡30 m，闸室段22.5 m，消力池21.5 m，渐变段30 m；其后全部为地下有压混凝土暗涵结构，发生冰冻的可能性不大。因此，天津干线冰期输水的任务就是保证在严寒天气下，西黑山进口闸上下游222 m范围内不发生冰塞现象。这是天津干线冰期输水最大的特点。

1.2 冰期安全输水的重要性

南水北调天津干线现已成为天津市的供水保障线，天津市目前90%以上水源来自南水北调。自2014年12月12日正式通水以来，已累计向天津市供水30亿m3。目前，天津干线没有调蓄水库，一旦发生冰塞引起断水事件，天津市供水安全将受到严重影响，后果不堪设想。

2 2018年冰期输水方案

为确保2018年冰期输水安全，在总结以往年度冰期输水经验和教训的基础上，天津分局认真研究，综合布防，多措并举，制定了完善的冰期输水方案，确保了输水安全。

2.1 加固进口闸引渠段布设的拦冰滚筒

为确保拦冰索发挥作用，用25 t吊车将引渠段拦冰滚筒移至渠顶，进行防腐处理，同时更换串联滚筒的钢丝绳为不锈钢钢丝绳。

2.2 在进口闸前配置压缩空气吹泡法防冰系统

压缩空气吹泡法的原理是通过深埋在水中的管路释放压缩空气，利用气泡驱动底层温度较高的水流射向水表面或冰盖，形成强烈的紊动水流，使水面冰层融化或抑制结冰。压缩空气吹泡法防冰系统包括放置在岸边位置的2台3 m3空气压缩机、3 m3储气罐，深埋入水中的喷嘴，连接各设备的供气管、压力表、截止阀等。为避免西黑山进口闸前水面结冰，在进口闸前扭坡段混凝土底板利用不锈钢桁架均匀固定32个孔径3 mm的喷嘴，喷嘴距水面随着闸前水深变化而变化，一般控制在3 m左右。自2018年11月15日开始开启防冰系统连续运行。确保了西黑山进口闸前水面无结冰，保证了进口闸清污机抓斗正常运行。

2.3 在进口闸门布设热管防冰冻系统

为避免闸门门体与闸门槽间产生结冰现象，在西黑山进口闸3孔工作门槽周边布设有6套热管防冰冻系统，在进口闸上、下游3孔检修门槽周边各布设6套热管防冰冻系统，共18套热管防冰冻系统。热管防冰冻系统是通过电加热方式使导热液温度升高，进而使周边闸门槽温度升高，然后使门槽周边冰体融化或抑制结冰。避免闸门被冻结，影响调度启闭。

每套热管防冰冻设施分别由加热管和预埋件组成，预埋件内设有中空腔室，腔室内抽成微负压后充以适量的导热液，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封（见图1）。加热管端为蒸发段（加热段），埋件端为冷凝段（冷却段）。当热管的一端受热时毛纫芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此不断循环，热量由热管的一端传至另—端。

图1 埋件腔内零件剖面（单位：cm）

南水北调中线工程自2014年通水运行以来，热管防冰冻设备在冰期投入运行，经过几个冰期的考验，出现了导热液损耗泄漏、热管压力不正常、热管温升不一致、埋件温度差别较大、部分电控元器件工作不正常等问题。为保证热管防冰冻系统正常运行，入冬前进行全面检查，完成了导热液补充灌注、少量灌注口更换、个别电控元器件更换等工作。检修后进口闸18套热管防冰冻系统运行状态良好。

2.4 其他防冰冻措施

（1）加设耐力板封闭保温棚。为避免进口闸后再次发生冰塞现象，将进口闸后消力池及其后的渐变段总长51.5 m进行耐力板封闭保温。选用的耐力板厚0.6 cm，骨架材料为镀锌钢桁架。为避免室内气压变化对盖板可能带来的不利影响，在盖板两侧设窗口，便于通风（见图2）。

（2）设计检修桥。为便于交通，在距离消力池起始断面4.15 m处设检修桥，在闸后发生冰冻情况时可兼做工作平台。桥面板顶高程为67.289 m，桥宽2.5 m，长9.9 m。检修桥采用3片I32 a工字钢作为主梁，工字钢间距1.25 m，工字钢之间采用80 mm×60 mm×3 mm方钢横向连接为一整体，保证3片工字钢整体受力；在工字钢上铺设5 mm厚的花纹钢板，并在其上铺装塑胶防滑层；检修桥两侧设高1.20 m的不锈钢栏杆。

（3）设计进出口平台。为便于工程维护检修，在检修桥进出口设置了进出口平台，作为盖板进出口与闸室左右两侧路面的连接段。平台顶高程为67.289 m，长9 m，宽6 m。采用C30 F150现浇混凝土箱式结构，箱式结构底板底高程64.389 m，厚600 mm，下设100 mm厚C15素混凝土垫层，顶板顶高程67.189 m，厚400 mm，顶板梁截面尺寸500 mm×800 mm，边墙厚500 mm，在顶板与梁相交处设一中柱，截面尺寸500 mm×500 mm。考虑整体景观效果，平台采用100 mm厚防腐木铺装，并设高1.2 m木质栏杆。平台外侧填土与现状道路平顺衔接并绿化。

图2 耐力板防护典型断面（高程单位：m；尺寸单位：cm）

2.5 配置冰期应急驻守人员及设备

南水北调中线工程每年12月1日～次年2月28日为冰期驻守期，如突遇极寒天气，上游渠道会产生大量流冰，形成碎冰带，在西黑山进口闸前的浮桥前堆积，产生冰坝冰塞阻水，危及输水安全与建筑物安全。因此，为预防出现冰冻现象，需提前做好各项准备工作。

人员方面，冰期配置9名值守人员，每日3班，每班3人昼夜巡视。驻守人员进场后开展破冰锚破冰演练、捞冰篓捞冰演练、拦冰索架设演练、热水车喷洒热水融冰演练、清污机抓斗捞冰演练、排冰闸排冰演练、臂长25 m挖掘机辅助排冰及捞冰演练等演练活动，发现冰情立即上报。

设备方面，配置臂长25 m挖掘机1台，5 t自卸汽车1辆。一旦发现冰情，则立即启用长臂反铲打捞流冰，并装5 t自卸汽车运至指定位置。

3 结语

本文全面总结了西黑山进口闸上下游部位综合布防、多措并举的冰期输水方案，冰期运行期间，在保温棚内部安设2支温度计，在保温棚外部平台栏杆安设2支温度计。2018年12月份，多日观测棚外温度-8℃时左右时，棚内温度一般为5℃左右。多年观测结果显示，棚内温度平均保持在3℃以上，避免了闸后陡坡段出现冰塞的可能。多种措施共同发力，共同预防设备冰冻，体现了南水北调工程的运行管理水平，可供类似工程参考。