嚴寒地區(qū)水電站壩前防結冰方案對比試驗研究

隋 偉，雷秀玲，孟繼慧，李中田

（1.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春130061；2.豐滿大壩重建工程建設局，吉林省 吉林市132108）

嚴寒地區(qū)水電站壩前防結冰方案對比試驗研究

隋 偉1，雷秀玲1，孟繼慧2，李中田1

（1.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春130061；2.豐滿大壩重建工程建設局，吉林省 吉林市132108）

為防止冰凍對豐滿水電站重建工程壩體表面保溫層的破壞，根據(jù)嚴寒地區(qū)氣候特點，制定了水泵沖水法、高壓氣體充氣法及船只行走擾動法3種壩前全線防結冰技術方案，通過防結冰系統(tǒng)設計和現(xiàn)場對比試驗研究，分析了3種方案的時效性和經(jīng)濟性。通過試驗研究結果表明，設計制定的水泵沖水法防結冰系統(tǒng)可以達到開闊性湖面壩前條帶防結冰的目的。對寒冷地區(qū)類似工程具有較好的借鑒作用。

嚴寒地區(qū)；水電站；防結冰；試驗；豐滿水電站重建工程

0 引言

寒區(qū)與非寒區(qū)水電工程的根本區(qū)別在于寒區(qū)冬季漫長且水庫在隆冬季節(jié)封凍，冰凍對工程結構及水電工程運行造成不利影響，以及由此而產(chǎn)生負面社會經(jīng)濟效益。對地處嚴寒地區(qū)的水利水電工程，如何能保證其在漫長冬季的安全運行，不受冰凍的影響，是在設計電站工程時就必須考慮的問題。

豐滿水電站重建工程地處東北嚴寒地區(qū)，為減少壩體內外溫差及降低壩面溫度應力，防止大壩危害性裂縫的產(chǎn)生，需對大壩進行永久保溫。該工程大壩永久保溫方案為：噴涂聚氨酯硬泡+外涂防老化面漆。嚴寒地區(qū)壩前水面結冰會對大壩永久外保溫體系產(chǎn)生一定的影響和危害，如冰壓力會對外保溫體系產(chǎn)生一定的壓縮變形，冰的拉拔力和縫隙結冰時產(chǎn)生的凍脹力會拖拽外保溫體系使其從壩面脫落，因此，需要采取必要的措施防止上游壩前水面結冰。進行防止壩前水面結冰的現(xiàn)場試驗，研究實現(xiàn)壩前全線防冰的技術，對于防止冰凍對大壩外保溫體系的破壞、提高壩面外保溫體系整體保溫效果及耐久性具有重要而現(xiàn)實意義。

1 工程概況

豐滿水電站重建工程任務仍以發(fā)電為主，兼顧防洪、城市及工業(yè)供水、灌溉、生態(tài)環(huán)境保護，并具有旅游、水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用效益。在東北電網(wǎng)中擔負系統(tǒng)的調峰、調頻、事故備用等任務，壩址多年平均流量432 m3/s。重建工程壩址位于原壩軸線下游120 m處，水庫正常蓄水位263.50 m，汛期限制水位260.50 m，死水位242.00 m，設計洪水位268.2 m，校核洪水位268.50 m。水庫總庫容103.77×108m3；新建電站裝機容量1 200 MW，總裝機容量1 480 MW（含三期280 MW），多年平均發(fā)電量17.09×108kW·h。根據(jù)施工進度安排，總工期為73個月，其中籌建期18個月，主體工程施工期45個月，工程完建期10個月。

2 試驗方案

豐滿水電站重建工程老壩壩前共設計了3種防結冰方案：

1）方案一：設置水泵沖水的方式以防止壩前湖面結冰。主要利用水泵、排水干管將湖面下層溫度相對較高的水輸送至表層，并充分利用水的射流，加大表層水與下層水體的對流作用，提高表層水體溫度，同時伴有對水體的擾動作用，最終達到水不結冰的目的。

2）方案二：設置高壓氣體充氣的方式以防壩前湖面結冰。利用空氣壓縮機、排氣管等將高壓空氣排進水體，強對流作用提高了表層水的溫度。表層水溫度的提高與紊流作用相結合，實現(xiàn)水不結冰。

3）方案三：設置船只行走擾動水面的方式以防壩前湖面結冰。主要利用船只行走擾動表層水體，加速表層水的紊流作用，以達到水不結冰的目的。

結合豐滿重建工程實際情況、環(huán)境特點，對以上3個試驗方案通過經(jīng)濟性及實效性分析，提出適合于豐滿重建工程的技術可行、經(jīng)濟合理及運行管理方便的防冰方案。

3 試驗結果及分析

3.1 庫區(qū)氣象水文情況觀測

庫區(qū)氣象水文情況，直接影響水庫庫面的熱交換條件和失熱量的大小，也就直接關系到防冰凍所需提供的熱源和措施。因此，為達到防止水結冰的目的，觀測與分析氣象水文特征，確定合理的設計參數(shù)是極其必要的。

豐滿庫區(qū)歷年最冷的冬季是1969—1970年度，凍結指數(shù)為1 783℃·d；最暖的冬季是2001—2002年度，凍結指數(shù)為949.4℃·d，二者相差將近1/2。最低月平均氣溫均出現(xiàn)在1月份，最低為-18.9℃，最高為-11.8℃。最低日平均氣溫為-30.7℃。

該試驗年度最低月平均氣溫為-13.6℃，最低日平均氣溫為-21.4℃，極端最低氣溫-25.5℃，凍結指數(shù)為1 176.1℃·d，在55個年度系列中的出現(xiàn)頻率為79%，屬于較暖的年份。

3.2 方案一

水庫水溫及其分布和各種冰情現(xiàn)象都是熱力因素作用的結果，并取決于水氣界面上的熱量平衡條件。當界面上的熱損失大于增熱量時，水面開始凍結以達到熱量的平衡。水泵沖水法就是借助較高溫度水的熱力和動力作用增熱達到防止水面結冰的目的。

3.2.1 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)主要包括潛水泵、沖水干管，以及連接和固定設備如浮筒、連接管、固定架等，試驗裝置圖見圖1。

1）潛水泵：選用Qy40.12.2.2型充油式潛水泵，水泵功率為2.2 kW，出水孔徑76 mm，流量40 m3/h，揚程12 m。預裝2臺水泵，其中1臺供作備用和輪換使用，以確保試驗裝置的正常工作和有利于延長水泵的使用壽命。為取得較高溫度的水，水泵的放置深度為水下5.0 m。

2）沖水干管：采用直徑為80 mm鋼管，總長18 m；沖水干管上按等距80 cm布置直徑為13 mm的射水孔24個。沖水干管的水下放置深度約0.6 m，與大壩壩面的距離為1.0 m。

3）浮筒：浮筒為準500 mm×800 mm的凈空鐵皮桶，用作吊住沖水干管，其單筒水下可承擔157 kg重物。綜合考慮水泵與排水干管的總重，及排水干管的受力特點，選用3只浮筒，分別加設在排水干管兩側和中間部位。

4）輸水管：水泵與排水干管間連接的輸水管選用消防水帶，屬軟連接，既有利于安裝及搬運，又方便檢修；輸水管總長為5 m，輸水管進口位于沖水管的中間。為確保輸水管不承受拉力，水泵與排水干管用之間用準5 mm的鋼絲繩連接，鋼絲繩總長4.5 m。

5）逆水閥：排水干管與輸水管間加設逆止閥，以防止水回流。

圖1 單排沖水干管法試驗裝置示意圖

3.2.2 系統(tǒng)運行效果

運行過程中明顯可見射水孔部位有水柱噴出水面，最大噴出高度約10 cm，同時可見水面有明顯的紊流作用，在試驗年度最低溫度下實測不凍水域寬9.73 m，長28.4 m，超出18 m沖水管長度約10.4 m。

3.2.3 系統(tǒng)運行機制

為研究不同運行機制對防冰效果的影響，尋求經(jīng)濟有效的水泵運行方案，進行了全天運行、間歇運行和停機3種運行方式的試驗，見表1。

3.3 方案二

高壓氣體充氣法是利用空氣壓縮機、排氣管等將高壓空氣注進水體，通過排氣干管排出的高壓氣泡將溫度較高的水沖到冰層底面或水面，實現(xiàn)融冰或水面不結冰的目的。

3.3.1 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)和裝置主要包括空氣壓縮機、輸氣管及輔助的安裝設備如浮筒、固定設備等。

1）空氣壓縮機：采用CYV7-6.7/8型空氣壓縮機，參數(shù)為容積流6.7 m3/min、排氣壓力0.8 MPa、軸功率41 kW、轉速1 100 r/min。

2）排氣干管：直徑準80 mm鋼管，總長12 m。等距1 m打準13 mm排氣孔，共13個；排氣干管的放置深度為1.5 m，距離壩面1.0 m。

3）浮筒：準500 mm×800 mm凈空鐵皮桶，其單筒水下可承擔157 kg重物。綜合考慮水泵與排水干管的總重，及排水干管的受力特點，選用2只浮筒加設在排氣干管兩端，其與水下排氣管距離約1.5 m。

表1 水泵沖水法試驗裝置運行制度試驗表

4）輸氣管：選用準25.4 mm橡膠高壓管，總長40 m。

3.3.2 系統(tǒng)運行效果

運行過程中明顯可見表層水紊流作用明顯，在試驗年度最低溫度下實測不凍水域寬度為15.5 m，長30 m，不凍區(qū)域遠大于12 m排氣管長度。

3.3.3 系統(tǒng)運行機制

空氣壓縮機功率較大，轉速較高，長時間連續(xù)工作導致電機過熱，易損壞。根據(jù)庫區(qū)溫度及冰層厚度變化情況，高壓空氣法的運行方式分2種形式，即雙次運行和單次運行，運行機制見表2。

表2 高壓氣體充氣法試驗裝置運行機制試驗表

3.4 方案三試驗研究

船只行走法防水結冰主要是利用船只往返行走擾動表層水，提高水的紊流作用，實現(xiàn)水面不結冰的目的。

3.4.1 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)和裝置主要包括破冰船、動力裝置、自動控制裝置及限位裝置。

1）船只：通過自行設計、加工完成，長約4 m。

2）動力裝置：動力源為電機，其功率1.1 kW，最高轉速3 000 r/min。

3）自動控制裝置：由控制箱和行程開關組成。

3.4.2 系統(tǒng)運行效果

試驗裝置啟動時，表層水受船底葉片的高速轉動和船只行走的雙重作用，紊流作用明顯。但隨著溫度降低，船體及水面逐漸結冰，最終導致船只無法行走。

4 實效性對比分析

1）方案一：優(yōu)點，試驗裝置設計、加工和安裝簡單，對庫區(qū)無任何污染，在確保用電安全的前提下，實現(xiàn)智能控制，節(jié)省人力資源；缺點，長期運行水泵易壞，需要維修更換。

2）方案二：優(yōu)點，試驗裝置作用效果及防結冰范圍較大；缺點，高壓氣體壓力較大，存在不安全因素，機器運行過程中少量油污進入庫區(qū)，污染水源，不適合長時間連續(xù)工作，需安排專人全天候在崗，耗費人力資源。

5 結 論

1）氣溫特征及其高低直接影響水庫庫面的熱交換條件和失熱量的大小，也就直接關系到防冰凍所需提供的熱源和措施。因此，在采取熱力防冰凍措施時，應該分析所在地的氣溫特征，以確定合理的設計參數(shù)。

2）該試驗條件下，水泵沖水法和高壓氣體充氣法在壩前形成的不凍水域最小寬度分別達到10.7 m和15.5 m，均能有效滿足和超出防止冰層對壩體作用的要求。因此可以進一步優(yōu)化各項參數(shù)，進而達到動力不變的條件下，在滿足不凍水域寬度要求的同時增大其不凍長度。

3）該試驗條件下，船只行走擾動法效果差。當水面結冰較厚時，船只無法行走，試驗設備被凍結，不能有效防止水面結冰。

4）試驗發(fā)現(xiàn)，射流（排氣）孔的射流作用將形成水面上半徑達5.0 m左右喇叭狀的影響區(qū)，并在水面上形成涌浪和橫向流速，擴大了不凍水域的范圍。射流（排氣）管的放置深度不宜過深，以提高出水流速。

5）為節(jié)省運行成本，防冰試驗裝置的運行方式宜根據(jù)氣溫適時調整。

6）據(jù)初步估算，該年度試驗高壓空氣防結冰方案成本約為水泵沖水方案的2倍。通過實效性和經(jīng)濟性對比分析，水泵沖水法優(yōu)于高壓氣體充氣法防結冰方案。

［1］李祥波.寒冷地區(qū)閘門防冰凍工程技術的研究［J］.山西建筑，2011，37（26）：226—227.

［2］牟明，馬東，劉陽東.浮桶式浪涌破冰裝置在高寒地區(qū)水電站的應用［J］.黑龍江電力，2011，33（4）：310—312

［3］GB/T 50662-2011，水工建筑物抗冰凍設計規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2011. [收稿日期] 2016-07-04

TV131.6；TV521

A