浅谈白石水库表孔弧形闸门冬季破冰防冻方法

刘锡鸣

(辽宁省白石水库管理局有限责任公司，辽宁 朝阳 122000)

1 白石水库概况

白石水库位于辽宁省北票市上园镇附近的大凌河干流上，坝址以上控制流域面积17649km2，工程设计洪水标准为500年一遇，校核洪水标准为5000年一遇。大坝为部分采用RCD工法的碾压混凝土重力坝，包括挡水坝段、溢流坝段、底孔坝段、取水坝段、电站坝段，坝顶长513m，最大坝高49.3m；溢流坝段布置在左侧，溢流表孔11孔，每孔净宽12m，溢流堰顶高程为115.00m，挑坎高程100.00m，设弧形钢闸门，每扇弧门宽12m、高15.8m，最大泄洪流量20613m3/s；底孔坝段布置在右侧，泄洪排沙底孔12孔，进口底高程为96.00m，出口挑坎高程98.50m，设平板钢闸门，底孔进口宽4m、高7m，最大泄洪流量6013m3/s。工程总库容16.45亿m3，是一座以防洪、灌溉、城市供水为主，兼顾发电、养鱼的大(1)型水库工程。

2 闸门冬季破冰的必要性

白石水库所在大凌河流域属寒温带夏雨炎热型气候，多年平均气温8℃左右，极端最高气温42℃，极端最低气温-37℃，冰冻期一般在12月份—次年3月份。水库冰冻厚度一般为30cm，最厚可达50cm。

冬季结冰期，11孔表孔弧形闸门前结冰，由于水固结成冰后产生较大的冰胀力作用于门体，弧形闸门会发生纵向位移、门体局部变形、止水失效，将对闸门安全构成威胁，严重影响闸门的正常稳定运行。因此，做好闸门冬季破冰防冻工作至关重要。白石水库工程投入运行20年来，先后采用几种方法解决闸门冬季破冰防冻问题，经过不断改进和优化破冰装置，取得了目前较好的破冰效果。

3 破冰方法

3.1 人工破冰

白石水库建成初期，普遍采用人工破冰方法，即使用冰镩、铁锹、铁锤等工具破碎闸门前的结冰，开凿出不结冰水带，达到清除水面结冰的目的。该方法运行效果较为理想、费用较低，但是要求工人每日多次到冰上破冰，劳动强度大，危险系数高。

3.2 潜水泵破冰(多泵一管法)

根据白石水库实际情况，管理人员自行设计了潜水泵连接管路的破冰方法。该方法是将潜水泵与钢管通过软管相连接，共有4台三相2英寸出口潜水泵提供动力水源，管路为2英寸钢管，在钢管上间隔钻取一定数量的出水孔，出水孔距离水面20～30cm，管管相连、泵泵相通，并以铁桶作为浮体，从冰面以下4m处抽取4℃恒温水融化闸门前的结冰。优点在于破冰保证率较高，不会因为一泵故障而导致闸门破冰失效。但该法最大的弊端在于安装复杂、维修困难，必须借助于船只才能完成安装和检修，危险系数依然较高，而且水泵功率较大，管径较粗，造价较高。

4 潜水泵破冰(单泵单管法)改进和优化

对多泵一管破冰法进行改进和优化，实现了自动控制，提高了闸门运行管理水平，节省了人力、物力和财力。

4.1 单泵单管破冰装置

该方法是一孔一泵一管，即在每一表孔闸门处安装一台单相1英寸潜水泵，与1英寸钢管相连，以泡沫浮球作为设备浮体，该套装置独立工作，与其他破冰装置互不影响，该套装置由1英寸单相潜水泵、1英寸钢管(钻有出水孔)、连接法兰、泡沫浮球、管箍、管堵等组成(见图1)。

图1 单泵单管破冰装置示意图

4.2 技术要求

4.2.1 潜水泵选择

尽量选择质量较轻、性能较好的潜水泵，以便于安装、检修维护和拆卸。白石水库根据几年的运行效果，选择了油浸式小型多级潜水电泵，型号是QYD3-35/2-1.1，扬程为35m，流量为3m3/h，功率为1.1kW，重量为17.2kg，该水泵平均运行寿命大概为5年，价格较为合理，为了减低故障率，每年安装前要对其进行简单的维护和保养。

4.2.2 确定钢管出水孔数量和直径

以截面积相等为原则，采用试验和粗略计算相结合的方式确定。首先出水孔直径不宜过小，要保证有

一定的出水量，选择3mm直径的钻头钻孔，水泵出水管径为25mm，可以计算出需要钻取69个孔，同时考虑水头损失因素，适当减少钻孔数量。装置组装后，置于水中开展试验，保证出水孔距离水面20～30cm，观察出水孔的出水情况，要求出水不直射、不喷溅，仅在水面泛起水花、形成水波纹即为效果最佳。如不符合要求，则需要调整钻孔数量。白石水库破冰装置根据试验和实际运行效果确定钻孔数量为60个。

4.2.3 确定浮体数量

以出水孔距离水面20～30cm为标准确定泡沫浮球数量。首先计算装置整体质量，要求所需浮球数量的承重量大于等于装置总重量，以小型圆浮球作为微调浮体，置于水中开展试验，直至装置悬浮于水中，并保证出水孔距离水面20～30cm，此时破冰效果达到最佳。白石水库破冰装置根据试验和实际运行效果确定了浮体数量：立管串用浮球6个，平管串用浮球16个，微调圆浮球2个。

4.3 破冰装置自动控制

为了提高破冰装置自动化程度，控制系统采用自动/手动两种控制模式，由空气开关、接触器、时间继电器、转换开关、按钮等组成，设定时间继电器动作的时间达到自动控制。运行表明：在东北寒冷地区，每间隔2h运行1h即可满足破冰要求。控制原理见图2。

图2 破冰装置电气原理

4.4 运行要点

由于该套设备质量较轻，完全可以通过人力在坝面上完成一切操作，也可借助坝上门式启闭机起吊完成安装。安装时要在坝面上先进行设备的组装，并通过在设备两端及中间部位拴三条绳索以控制其下落、上升。由于水面有风浪干扰，加之水泵运转力的影响，绳索可以起到固定装置位置的作用。对于使用过的旧水泵，在安装前一定要对其进行维护保养，并检查管路是否锈蚀堵塞出水孔，减少故障率。

当破冰装置在运行过程中发生故障时，首先要检查自动控制装置是否损坏，再判断是否是水泵损坏，一旦水泵发生故障并且被冻于冰下，就要安排人员到冰上人工破冰检修。为避免出现安全问题，一要做好破冰装置运行情况的巡视检查，二要做好水泵及自动控制系统的维护保养工作，三是通过安装监控设备实时观察装置运行情况，发现问题及时处理。

当水库结冰融化后，要及时完成拆卸工作，避免因春季风浪过大对管路造成破坏，通过绳索起吊装置并拆卸完成即可。

4.6 单泵单管自动控制破冰装置效果分析

该套装置的优点在于管路直径小、浮体轻小，每孔独立运行，为设备安装、检修和拆除提供了方便，极大节省了人力和物力，提高了水库安全管理的水平，自动化程度高，设备造价较低，一套设备使用寿命可达5年以上。缺点是一旦水泵故障，则该孔闸门破冰无法正常进行，这就需要加强水泵维护和设备的运行巡视检查。

5 结 语

单泵单管自动控制破冰装置在白石水库几年的运行效果表明，该法适用于北方寒冷地区特别是东北地区的水库闸门冬季破冰，技术较为成熟，成本较低，适用范围广，是闸门冬季破冰技术和方法的改进和优化。