延安黄河引水工程金属结构防冰冻研究

安术鑫，董旭荣，张 琳

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710000）

延安黄河引水工程取水口地处延川县延水关镇，冬季冰情复杂，查阅2013年至2015年吴堡（二）站实测冰流量成果表和逐日平均冰流量表等资料，极端最低气温-22.5℃，河道冰期最长天数134 天，最短天数52 天，冬季最大冰流量39.4 m3/s，春季最大冰流量24.3 m3/s，最大岸边冰厚0.49 m。取水口多年平均含沙量29.9 kg/m3，实测最大含沙量1040 kg/m3。现行国内金属结构防冰冻措施较多，拟对不同的防冰冻措施进行现场试验，根据试验结果制定适合延安引黄取水口的防冰冻措施。此次主要对压力水射流法扰动装置，压缩空气扰动装置，电热蒸汽、油泵加热进行现场防冰冻试验。

1 延安引黄工程取水口金属结构布置

延安黄河引水工程取水斗槽设有上、下游两个取水口，两个取水口对称布置，取水斗槽总长度160 m，斗槽为封闭式箱体结构。上游取水口与黄河主河道顺水流布置，进口处倾斜布置一道25.3 m×0.8 m（宽×高）浮箱式导冰排（下游取水口未设导冰排），上游取水口从上游至下游依次设有1 扇7 m×8.55 m（宽×高）露顶式拦污粗栅，1 扇7 m×2 m（单节门叶高1 m，共两节）露顶式叠梁挡沙闸门，1 扇7 m×15.75 m（宽×高）露顶式拦污细栅，1 扇7 m×2 m（宽×高）潜孔式取水闸门，取水口闸顶设置1 台单向门式启闭机进行拦污栅清污和闸门启闭。

2 压力水射流法防冰冻试验

2.1 试验方案

压力水射流法扰动装置工作原理：压力水射流法采用潜水泵抽取黄河原水，通过高压软管将水送入喷水钢管，喷水钢管上布置有喷嘴，根据计算确定潜水泵扬程、喷嘴数量、间距等，喷水钢管放置于水面下20 cm 左右，通过喷嘴从水下向上喷水，增加水面动能从而达到水面不结冰的目的。

上游取水口防冰冻装置采用两套压力水射流法扰动装置，采用两套潜水泵分别供水。1 套扰动装置布置于导冰排前，成一字型布置，1 套布置于导冰排与拦污粗栅之间三角区域，成T型布置。潜水泵功率4 kW，扬程26 m。喷水管及喷嘴材质均采用不锈钢，钢管型号Φ48×4，喷嘴间距0.8 m，喷嘴出口为5 mm×2 mm 的椭圆孔。

2.2 试验过程

试验初期取水口尚未通水，取水口为静水状态，喷嘴喷水范围约为1.3 m 左右，扰动范围为6 m 左右，扰动效果良好。导冰排前扰动装置运行5 小时左右后停止工作，经检查发现喷水钢管和多数喷嘴被泥沙淤堵（拆除上游围堰导致取水口泥沙含量增大）。现场将喷嘴拆卸，清理钢管，再次将扰动装置安装到位。处理后的扰动装置运行良好，上游取水口未出现结冰现象。

取水口通水后，冬季河道受上游万家寨水库泄水、降雨及降雪等影响，上游泄水导致取水口水位突长，泥沙含量陡增，扰动装置融冰泵多次损坏，无法长期使用，考虑取水口引水要求，拟采用压缩空气扰动装置进行防冰冻试验。

2.3 试验结论

试验初期取水口为静水状态，水中泥沙含量低，防冰冻效果良好，后期因拆除围堰（围堰拆除后受上游万家寨水库泄洪等影响）导致取水口泥沙含量增加，致使扰动装置钢管和喷嘴被泥沙淤堵而无法正常使用。试验结果表明，压力水射流法扰动装置在泥沙含量较低的情况下能很好地解决取水口冰冻问题，潜水泵耗能小，制造安装简便，宜在泥沙含量小，静水域处使用。试验后期观察取水斗槽冬季存在上游万家寨水库泄洪导致水位变幅较大、泥沙含量陡增等情况，影响压力水射流法扰动装置正常运行，且在斗槽通水后，压力水射流法扰动装置无法阻止河道雍冰向导冰排处推进，因此在延安引黄斗槽取水口处不宜采用压力水射流法扰动装置进行防冰冻布置。

3 压缩空气扰动装置防冰冻试验

3.1 试验方案

因压力水射流法扰动装置无法满足取水口防冰冻要求，进而对压缩空气扰动装置进行试验。

压缩空气扰动装置采用一台空压机驱动，空压机出口设置调压阀，通过高压软管将压缩空气输送至喷气钢管，钢管上布置有喷嘴，根据计算确定喷嘴数量、间距及喷气压力，喷气钢管放置于水面下50cm 左右，通过喷嘴从下往上喷气，气泡上升至水面爆破扰动水流从而起到防止水面结冰的目的，试验初期采用一台活塞式压缩机为动力源。

3.2 试验结论

试验结果表明，采用压缩空气扰动装置能起到很好的融冰效果，在多泥沙环境下也能正常工作，不受泥沙淤积影响，相比压力水射流法扰动装置更适合在引黄工程这种多泥沙河流中应用。因试验用空压机为活塞式，且临时采购设备功率较小，空压机无法长期工作，后期永久设备需采用螺杆式空压机。

4 电热蒸汽防冰冻试验

4.1 试验方案

热蒸汽防冰冻试验采用一台电热蒸汽发生器将清水加热转化为热蒸汽，通过高压软管将热蒸汽供入喷气钢管，喷气钢管设喷嘴，通过喷气钢管对水面冰层进行融冰。试验用电热蒸汽额定蒸发量16 kg/h，额定蒸汽压力0.7 MPa，额定水容量18 L，额定蒸汽温度172 ℃，额定电功率12 kW。

4.2 试验结论

试验时热蒸汽对附着于混凝土或钢结构上的冻冰能很快融化，在对导冰排前雍冰进行融冰试验时，热蒸汽对水面浮冰局部融化后形成水坑，热蒸汽碰到水后，便无法再起到扩大融冰范围的作用，无法大面积融冰，且电热蒸汽耗能高，且需要大量干净源水作为介质，热蒸汽温度高，操作安全隐患大，使用不方便。适合作为辅助防冰冻措施使用。

5 油管加热防冰冻试验

5.1 试验方案

试验时在上游侧墙设置1 套临时门槽，里面布置两排加热油管，油管为DN50 镀锌钢管,采用1 台电导热油炉将油管加热，通过加热油在油管的循环起到加热埋件，进而起到预防埋件表面结冰的效果。

电导热油炉油泵型号：Ry32-32-160，功率：1.5 kW，流量6 m3/h，扬程：28 m。

5.2 试验结论

油管加热能有效防止闸门埋件表面结冰，对埋件周围冻冰亦有一定的融化、防冻效果，但油泵电机组耗能高，电导热油炉设备体积大，且加热油管系统一旦出现泄漏将会对供水水质造成污染，使用安全隐患高，使用时须谨慎对待，适合作为辅助防冰冻措施使用。

6 取水口防冰冻方案确定

经过不同防冰冻试验，调整上游取水口防冰冻方案。将上游取水口阻水导冰排更换为不阻水的拦冰网，通过拦冰网将河道浮冰拦截，拦冰网顶部闸墩上增设钢桁架桥，桁架桥上布置起吊拦冰网用电动葫芦，并在桁架梁上设置破冰锤，用来破除拦冰网上游冻冰。在拦冰网至拦污粗栅三角区域内布置两套压缩空气扰动装置，一套为矩形，位于拦冰网后，与拦冰网平行布置，一套为三角形，靠上游侧墙布置，两套扰动装置共用一台空压机，空压机设有储气罐、过滤柜、吸干机等设备，确保三角区域冬季不结冰。每套扰动装置分别采用两套固定卷扬式启闭机起吊，不工作时将扰动装置提出水面。压缩空气扰动装置采用自动化控制，扰动装置可根据水温自动调整喷气压力和脉冲喷气频率。

7 结论

1）试验初期考虑到黄河干流冬季水位变幅较小，泥沙含量低，选择用压力水射流法扰动装置进行融冰，但冬季取水口运行条件与设想不一致，上游万家寨水库冬季为高水头运行，不间断会有泄洪情况，水库泄洪、降雨以及降雪时河道水位突长，泥沙含量陡增，导致融冰泵和喷水钢管堵塞严重，最终损坏融冰泵。因此像延安引黄这种干流取水口不适合采用压力水射流法扰动装置作为防冰冻装置。

2）上游取水口进口原设计布置一道导冰排，用来拦截、导运上游河道浮冰。导冰排为浮箱式，导冰排在碰到河道水位突长、泥沙陡增情况时，阻水严重，致使取水斗槽淤积严重，对斗槽取水和防冰冻均不利。

3）通过几次的试验周期观测，在一般的气温环境下，取水口防冰冻的主要任务为拦截河道流冰，防止流冰拥堵在取水口，影响取水安全。在极端气温下，在阻止流冰的情况下，更应该关注取水口三角区域结冰问题，加大三角区域扰动装置扰动频率，由此说明扰动装置自动化设计至关重要。