气泡防冰技术在头屯河水库冰害治理工程中的应用

高柯 杨会平 刁彦斌 姜明松 张民 张树臣

摘 要：水库在运行过程中易受冰冻侵害的影响，库区结冰产生的冰荷载会对各类水工建筑物造成不同程度的损坏。以新疆头屯河水库为对象，研究气泡防冰新技术在水库进水塔、交通桥桥墩、闸门井冰害治理工程中的作用机制，并对其应用效果进行了探讨。结果表明：在整个冬季冰期运行过程中，气泡防冰设备有效地消除了水库进水塔、交通桥桥墩、闸门井周围的结冰问题；该设备可在低温环境中长时间稳定运行，减少库区冬季水位、温度变化带来的不利影响，有效地消除冰荷载问题，为解决不同领域冰害问题提供了技术参考。

关键词：气泡防冰；水工建筑物；冰冻侵害；头屯河水库

中图分类号：TV875                                                  文献标志码：A

0 引 言

冰是一种天然材料，其结构特性、强度特性、动力特性以及破坏形式均具有高度的复杂性，并且在外界条件的影响下其特性会不断发生变化。温度是引起冰的特性变化的重要因素之一，直观表现在冰随温度的变化而产生的膨胀效应。在水冻结成冰的相变过程中体积会膨胀，但此时材料的强度很低，不会对结构产生明显的影响。然而，冰在升温过程中的膨胀却是寒冷地区水工建筑物的设计和建造中必须考虑的因素之一，已有研究表明，冰盖在升温过程中的膨胀效应会对结构产生非常明显的影响，甚至造成严重的危害[1]。

冰冻破坏常发生在混凝土建筑物，表现为混凝土强度降低，层状脱落，表面疏松，影响建筑物的正常使用。冰冻破坏之所以会发生在混凝土建筑物上，是由于渗水孔隙存在于混凝土内部，孔隙中的水在结冰时体积会膨胀，膨胀产生压力，作用在毛细管壁或孔隙上。同时，在冻结过程中，冷水还可能在孔隙中迁移，产生渗透压力作用于混凝土管壁上。在混凝土冻结过程中出现的这两种压力，在融化过程中消失，形成周期性的冻融循环作用，在孔隙壁上产生微裂缝，并逐渐增多扩展，混凝土强度降低，表面开始剥落甚至整体破坏[2]。已发生的大量工程冰害灾难，形式多种多样，但归纳起来其破坏力主要是静冰压力、冰拔力以及冰爬作用。

本文根据头屯河水库库区水工建筑物的结构特点，研究了冰层在环境温度、水深变化、日照角度、风速风向等影响因素下对进水塔、交通桥桥墩、闸门井产生的作用机制。基于气液两相流理论研发了适用于进水塔、交通桥桥墩、闸门井的气泡防冰设备，以有效解决在连续极端温度条件下库区水工建筑物的冰害问题。

1 防冰害技术现状

目前，解决冰冻害问题的常用技术方法有以下几种方法[3-4]。

（1）人工除冰法。利用人工将水工建筑物及闸门周围冰层刨除，使其免受冰荷载。该方法优点是成本低廉，前期基本无需投入，设备免维护，除冰范围灵活可控；缺点是作业环境恶劣，存在较大人身安全隐患，目前较少采用。

（2）潜水泵除冰法。在水工建筑物及闸门周围布置潜水泵，利用潜水泵扰动水体，防止其结冰并消除冰荷载。该方法优点是结构简单，成本较低；但其缺点也非常鲜明，设备运行可靠性差，冬季更换与检修困难、能耗高，运行工作量大，且潜水泵对水流扰动效果特点是放置在水位以下300～500 mm深度范围内，冬季水位不断降低，需要不断调整潜水泵在水下放置深度，增加了现场运行工作量。

（3）电热法。在水工建筑物及闸门周围设置发热元件，将电能转化成热能，将冰层融化。该方法优点是布置简单，操作方便，局部融冰针对性强；缺点是能耗过高，大范围应用不具有实用价值。

（4）泡沫板法。在水工建筑物表层粘贴泡沫板，用以缓解冰压力对桥墩的作用力。该方法优点是成本较低；缺点是在实际运用中存在施工难度大，水下不能施工，粘接不牢固，在浮力作用下，泡沫板与水工建筑物脱离等，该方法的普遍运用受到制约，不能有效除冰。

2 气泡防冰技术应用分析

2.1 工程概况

新疆头屯河水库位于乌鲁木齐市及昌吉市以南，距离两市均约40 km处的头屯河中游，是一座以防洪、灌溉为主，结合城镇生活供水、工业供水等综合利用的中型水库。枯水期为满足取水要求，将进水塔入水口高程设置在水库较低位（如死水位附近），采用交通桥将进水塔与堤岸相连，以满足安装、运行、检修等交通要求。进水塔塔架高48 m，塔架塔顶高程995.2 m，与大坝坝顶齐平。塔架基础20 m × 16 m，塔内设有一座闸门井。交通桥主体通过四处桥墩支撑，每处桥墩间隔40 m。

2.2 冰害现状

历年来，头屯河水库库区结冰严重，最低温度出现在2018年1月份，达到-35℃左右（见表1）。结冰后产生的静冰压力、冰拔力等冰荷载对进水塔、交通桥桥墩、闸门井造成不同程度损坏。目前，头屯河水库冬季冰期运行过程中，通过人工破冰、电烤等方法消除冰荷载对进水塔、交通桥桥墩、闸门井的破坏，但效果欠佳。每年需要耗费大量的人力和物力，且作业环境恶劣，劳动强度大，效率低，冰上作业人员还存在一定人身安全隐患，不符合安全生产要求。针对上述情况，根据新疆头屯河水库项目现场工况及防冰需求，对以往工作基础、国内类似工程经验进行分析，开展消除冰害技术方案验证性试验，以有效解决冰荷载对交通桥桥墩、进水塔、闸门井造成的冰冻害难题，保障工程在冬季的安全运行。

受到冬季环境温度影响，头屯河水库库区水体会冻结成冰，且持续较长的低温环境往往造成水体表面形成冰层，厚度可达2.0 m。在形成冰层的过程中，进水塔四周墙体表面、交通桥桥墩表面和闸门井四周墙体表面会冻结为一个整体，事故闸门在闸井门槽内也与冰冻结在一起，导致无法正常启闭。最终冰层与其接触的所有结构交界面完全粘合在一起，形成凍结力。

在冰封期，受温度变化影响，冰层膨胀受到进水塔、交通桥桥墩、闸门井结构约束时，会对混凝土结构产生膨胀力。受温度变化和外力（风力、水体流动力）影响，冰层会发生显著位移，随着冰层的拉伸开裂及挤压破碎，冰层位移更为显著。冰层移动虽然释放了冰层内部所积蓄能量，但它所释放的能量也间接以静冰荷载的方式传递给了水工建筑物，而在水工建筑物设计时往往对这部分作用力预估不足，给结构带来了巨大的安全隐患。

资料显示，位于官厅水库的妫水河大桥在1956年1月9日就曾因为冰盖移动使该桥的第4、5、6、7、8、19号桥墩突然被冰挤断，造成线路中断长达9个月[5]。宋集屯水库的进水塔、交通桥，也曾发生静冰荷载造成的塔身倾斜、桥墩剪断、桥面拱起等危害。卧牛河水库进水塔、交通桥桥墩也曾被冰压力剪断，导致交通桥报废[6]。1962年春季，黄河五开江形成的大块冰排流经三道坎大桥时，对桥墩的挤压使该桥振幅达2.0 cm以上，凌汛部门紧急使用炸药爆破炸开大面积冰排以及冰排堆积的冰坝才保证了大桥的安全[7]。

为避免冰层移动给水工建筑物造成的危害，水利管理部门每年需要投入大量的财力、人力来保障水工建筑物的安全。

2.3气泡防冰技术原理

汲取前人已有的防冰经验，刁彦斌发明了水利水电工程防冰系统[8]；采用气液两相流理论，利用气泡发生器（专利技术）[9]在水下发生符合形成流场要求的连续的气泡群。气泡群在初速度以及浮力作用下向上运动，带动气泡群周围水体产生沿竖向流动，形成局部环流的流场。流场内流动的水不易生成结晶体（冰核），也不会破坏掉已生成的结晶体（冰核），没有结晶体（冰核）的水即使在过冷状态下也不会结冰。此方法保证流场区域范围内不能形成冰层，从而消除了水工建筑物、闸门等的静冰压力、冰拔力以及冰爬等冰害对其造成的破坏，解决了高寒地区水工建筑物因受冰害影响而产生的严重安全隐患问题。

2.4 气泡防冰技术的应用

气泡防冰技术是近年来出现的冰害治理新技术、新方法，是基于气液两相流理论，结合头屯河水库进水塔、交通桥桥墩、閘门井的结构特点，研发的防冰（消除冰荷载）新技术。主要设备包括气源系统、升降机构、水下防冰工作装置、供气管路系统。进水塔、交通桥典型布置如图1所示。

2.4.1 气源系统

利用桥头现有的空站房作为气源系统设备间。设备间存放有空压机、储气罐、过滤器、干燥机、集控平衡阀组、电气控制柜等设备。空压机采用“一用一备”设计，通过控制信号实现远程操作与监控，并将防冰动态信号传送至智能终端设备。系统中各设备通过可编程控制器PLC自动启停控制，自动化程度高，运维工作量小，不仅能够达到节能减排，降低运行能耗的目的，而且还能够保证水下防冰工作装置均匀一致地连续释放充足的气泡群，最终保证整套系统的智能化稳定运行。经过系统处理的气源，在冬季-40℃的条件下保证室外供气管路无惧结露问题。

2.4.2 升降机构

升降机构布置在每个交通桥桥墩正上方两侧护栏上，每侧护栏布置两台升降机构（跨距根据水下防冰工作装置长度适当调整），通过焊接与护栏连接固定。通过操作绞盘调整水下防冰工作装置的置放深度。每组水下防冰工作装置配备两台升降机构。升降机构可以在需要升降水下防冰工作装置的工况下自由操作，方便检修与其它运行需要，而且该机构可在交通桥平台上操作，安全方便，可操作性高。

2.4.3 水下防冰工作装置

水下防冰工作装置布置在进水塔外侧四周及桥墩两侧，通过供气管路系统输送气体。其中进水塔每面围墙设置一组，每个桥墩沿交通桥方向在其两侧各设置一组，每组距离防冰区域建筑物间距约为2～3 m，每组均可独立工作。利用升降机构将其置放深度调整到合理水深位置，当水位变化时，该装置无需调整。水下防冰工作装置可以放置于任意深度，最低可以放置在死水位以下，满足极端枯水位条件下冬季运行要求，冬季运行时无需调节该装置在水中的深度，减轻操作人员工作强度。该装置还具有清淤、自洁、耗气量小等功能特点。

2.4.4 供气管路系统

供气管路系统分为两部分，第一部分为主供气管路，采用无缝钢管材质，布置在交通桥护栏上，并沿护栏敷设至每组水下防冰工作装置处，利用管夹连接固定。第二部分为分供气管路，从主供气管路在每组水下防冰工作装置处分支，并通过螺栓固定在升降机构上。由于水下防冰工作装置有上升与下降的功能需求，因此供气管路选择具备耐高压、耐高低温特性的橡胶软管，软管通过自动卷管器进行收缩与拉伸，以保证与水下防冰工作装置上升或下降时同步收放。供气管路系统由多条供气管路组成，每条管路对应一组水下防冰工作装置，保证每组水下防冰工作装置分别独立工作，而且分供气管路低温条件下具有可伸缩性，增加了供气管路系统的可靠性。

气泡防冰技术在头屯河水库进水塔、交通桥桥墩、闸门井的成功应用，有效地消除冻融、静冰压力、冰拔力对水工建筑物的破坏（见图2），解决了高寒地区水工建筑物因受冰害影响而产生的严重安全隐患问题，具备工作效率高、运行能耗低、布置灵活、环境友好且无污染的特点，有效地保障了水库在寒冷复杂条件下最基本的使用任务。

2.5 气泡防冰技术特征及关键点

综合分析气泡防冰技术在头屯河水库的实际应用效果，总结其特征如下：①运行最低环境温度可为-40℃；②能够有效消除水工建筑物防冰区域内的冰荷载及冻融问题；③设备布置灵活，适用于不同水工建筑物结构；④适用于不同水位变幅工况；⑤采用集控阀组，通过对多点进行压力、流量调节，能够产生高效、节能、环保的社会效益。

气泡防冰技术的关键点包括：①采用气液两相流理论研发出水下防冰工作装置；②冬季水位发生变化时，水下防冰工作装置可自动适应水位变幅工作；③系统根据环境温度等影响因素变化进行自动分析，实现了变频输出防治效果；④平均运行能耗低，维护工作量小，环境友好、无污染；⑤消除了冬季低温环境下库区涉水建筑物冰害问题。

3 结束语

根据防冰理论和防冰实践，提出了针对水库进水塔、交通桥桥墩、闸门井等水工建筑物的防冰新技术、新方法。该技术方法在头屯河水库冰害治理工程中得到成功应用，消除了进水塔、交通桥桥墩的冰荷载以及进水塔闸门井内冰层，保证了闸门正常启闭运行。气泡防冰技术体系切实解决了工程实践中的冰害问题，推进了水利水电工程科技成果在开发、转化、推广中的示范作用，增强了水利水电工程防冰工程的现代化、智能化建设。基于冰害的多样性、复杂性，今后应对该技术的适应性进行深入研究，扩大防冰技术应用范围，解决不同领域的冰害问题。

参考文献：

[1] 吕爱东，王志兴，王柏慧，等. 水工挡水建筑物防冰措施的分析[J]. 黑龙江水利科技，2008，36（5）：76-77.

[2] 杨刚. 浅谈水工建筑的冰冻破坏及防治[J]. 中国水运（下半月），2012，12（3）：148-149.

[3] 刘骏霓，路建国，高佳佳，等. 水工混凝土冰冻害机理及抗冻性能研究进展[J]. 长江科学院院报，2023，40（3）：158-165.

[4] 刘登海. 电加热融冰法在新疆某水库闸门防冻中的应用[J]. 水利水电技术，2014，45（6）：96-97.

[5] 向道明，陈文进. 京包线妫水河大桥冰作用力计算[J]. 铁道建筑，1998（6）：21-23.

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[8] 刁彦斌. 水利水电工程防冰系统：中国，CN207891854U[P]，2018-09-21.

[9] 刁彦斌，吴军，贾云飞，等. 防冰吹气单元及具有该单元的气泡发生器：中国，ZL 2022 2 2273412.5[P]，2022-12-02.

Application of Air Bubble Anti-icing Technology to Ice Damage Control Project of Toutun River Reservoir

GAO Ke1，YANG Huiping1，DIAO Yanbin2，JIANG Mingsong2，ZHANG Min 3，ZHANG Shuchen3

（1. Water Management Center of Xinjiang Toutun River Basin Administration，Xinjiang 831100，China；2. Changchun Huapu Datong Anti-icing Engineering Technology Co.，Ltd.，Changchun 130000，China；3. Songyuan Hada Mountain Water Conservancy Project Management Service Center，Songyuan 138000）

Abstract：Due to the vulnerability to freezing during operation，hydraulic structures are prone to suffer from different degrees of damage caused by the ice load generated by icing in the reservoir storage area. With a focus on Toutun River Reservoir in Xinjiang，we examine the mechanism of the air bubble anti-icing technology in controlling ice damage in reservoir intake towers，traffic bridge abutments，and gate well. We also discuss the effectiveness of its application. The findings manifest that the air bubble anti-icing equipment effectively eliminates icing problems around reservoir intake towers，traffic bridge abutments，and gate wells throughout the winter ice operation. The equipment can operate stably in low-temperature environment for a long time，while reducing the adverse impacts of water level and temperature changes in the reservoir area in winter. Moreover，it effectively eliminates the ice loading problem and provides a technical reference for solving ice damage problems in different fields.

Key words：air bubble anti-icing；hydraulic structure；ice damage；Tou Tun River Reservoir

收稿日期：2023-09-12

基金項目：2022年度新疆维吾尔自治区水利发展资金

作者简介：高 柯，男，高级工程师，主要从事水利水电工程建设与运行管理。E-mail：832319@qq.com