南水北調(diào)中線工程天津干線2018年防冰凍輸水方案

劉建學(xué)

（南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局天津分局，天津300000）

1 研究背景

1.1 工程概況

天津干線長155.3 km，自西黑山進(jìn)口閘開始，至天津市外環(huán)河出口閘結(jié)束，進(jìn)口段明渠總長222 m，包括進(jìn)口引渠118 m，進(jìn)口扭坡30 m，閘室段22.5 m，消力池21.5 m，漸變段30 m；其后全部為地下有壓混凝土暗涵結(jié)構(gòu)，發(fā)生冰凍的可能性不大。因此，天津干線冰期輸水的任務(wù)就是保證在嚴(yán)寒天氣下，西黑山進(jìn)口閘上下游222 m范圍內(nèi)不發(fā)生冰塞現(xiàn)象。這是天津干線冰期輸水最大的特點。

1.2 冰期安全輸水的重要性

南水北調(diào)天津干線現(xiàn)已成為天津市的供水保障線，天津市目前90%以上水源來自南水北調(diào)。自2014年12月12日正式通水以來，已累計向天津市供水30億m3。目前，天津干線沒有調(diào)蓄水庫，一旦發(fā)生冰塞引起斷水事件，天津市供水安全將受到嚴(yán)重影響，后果不堪設(shè)想。

2 2018年冰期輸水方案

為確保2018年冰期輸水安全，在總結(jié)以往年度冰期輸水經(jīng)驗和教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，天津分局認(rèn)真研究，綜合布防，多措并舉，制定了完善的冰期輸水方案，確保了輸水安全。

2.1 加固進(jìn)口閘引渠段布設(shè)的攔冰滾筒

為確保攔冰索發(fā)揮作用，用25 t吊車將引渠段攔冰滾筒移至渠頂，進(jìn)行防腐處理，同時更換串聯(lián)滾筒的鋼絲繩為不銹鋼鋼絲繩。

2.2 在進(jìn)口閘前配置壓縮空氣吹泡法防冰系統(tǒng)

壓縮空氣吹泡法的原理是通過深埋在水中的管路釋放壓縮空氣，利用氣泡驅(qū)動底層溫度較高的水流射向水表面或冰蓋，形成強(qiáng)烈的紊動水流，使水面冰層融化或抑制結(jié)冰。壓縮空氣吹泡法防冰系統(tǒng)包括放置在岸邊位置的2臺3 m3空氣壓縮機(jī)、3 m3儲氣罐，深埋入水中的噴嘴，連接各設(shè)備的供氣管、壓力表、截止閥等。為避免西黑山進(jìn)口閘前水面結(jié)冰，在進(jìn)口閘前扭坡段混凝土底板利用不銹鋼桁架均勻固定32個孔徑3 mm的噴嘴，噴嘴距水面隨著閘前水深變化而變化，一般控制在3 m左右。自2018年11月15日開始開啟防冰系統(tǒng)連續(xù)運行。確保了西黑山進(jìn)口閘前水面無結(jié)冰，保證了進(jìn)口閘清污機(jī)抓斗正常運行。

2.3 在進(jìn)口閘門布設(shè)熱管防冰凍系統(tǒng)

為避免閘門門體與閘門槽間產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象，在西黑山進(jìn)口閘3孔工作門槽周邊布設(shè)有6套熱管防冰凍系統(tǒng)，在進(jìn)口閘上、下游3孔檢修門槽周邊各布設(shè)6套熱管防冰凍系統(tǒng)，共18套熱管防冰凍系統(tǒng)。熱管防冰凍系統(tǒng)是通過電加熱方式使導(dǎo)熱液溫度升高，進(jìn)而使周邊閘門槽溫度升高，然后使門槽周邊冰體融化或抑制結(jié)冰。避免閘門被凍結(jié)，影響調(diào)度啟閉。

每套熱管防冰凍設(shè)施分別由加熱管和預(yù)埋件組成，預(yù)埋件內(nèi)設(shè)有中空腔室，腔室內(nèi)抽成微負(fù)壓后充以適量的導(dǎo)熱液，使緊貼管內(nèi)壁的吸液芯毛細(xì)多孔材料中充滿液體后加以密封（見圖1）。加熱管端為蒸發(fā)段（加熱段），埋件端為冷凝段（冷卻段）。當(dāng)熱管的一端受熱時毛紉芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)段。如此不斷循環(huán)，熱量由熱管的一端傳至另—端。

圖1 埋件腔內(nèi)零件剖面（單位：cm）

南水北調(diào)中線工程自2014年通水運行以來，熱管防冰凍設(shè)備在冰期投入運行，經(jīng)過幾個冰期的考驗，出現(xiàn)了導(dǎo)熱液損耗泄漏、熱管壓力不正常、熱管溫升不一致、埋件溫度差別較大、部分電控元器件工作不正常等問題。為保證熱管防冰凍系統(tǒng)正常運行，入冬前進(jìn)行全面檢查，完成了導(dǎo)熱液補(bǔ)充灌注、少量灌注口更換、個別電控元器件更換等工作。檢修后進(jìn)口閘18套熱管防冰凍系統(tǒng)運行狀態(tài)良好。

2.4 其他防冰凍措施

（1）加設(shè)耐力板封閉保溫棚。為避免進(jìn)口閘后再次發(fā)生冰塞現(xiàn)象，將進(jìn)口閘后消力池及其后的漸變段總長51.5 m進(jìn)行耐力板封閉保溫。選用的耐力板厚0.6 cm，骨架材料為鍍鋅鋼桁架。為避免室內(nèi)氣壓變化對蓋板可能帶來的不利影響，在蓋板兩側(cè)設(shè)窗口，便于通風(fēng)（見圖2）。

（2）設(shè)計檢修橋。為便于交通，在距離消力池起始斷面4.15 m處設(shè)檢修橋，在閘后發(fā)生冰凍情況時可兼做工作平臺。橋面板頂高程為67.289 m，橋?qū)?.5 m，長9.9 m。檢修橋采用3片I32 a工字鋼作為主梁，工字鋼間距1.25 m，工字鋼之間采用80 mm×60 mm×3 mm方鋼橫向連接為一整體，保證3片工字鋼整體受力；在工字鋼上鋪設(shè)5 mm厚的花紋鋼板，并在其上鋪裝塑膠防滑層；檢修橋兩側(cè)設(shè)高1.20 m的不銹鋼欄桿。

（3）設(shè)計進(jìn)出口平臺。為便于工程維護(hù)檢修，在檢修橋進(jìn)出口設(shè)置了進(jìn)出口平臺，作為蓋板進(jìn)出口與閘室左右兩側(cè)路面的連接段。平臺頂高程為67.289 m，長9 m，寬6 m。采用C30 F150現(xiàn)澆混凝土箱式結(jié)構(gòu)，箱式結(jié)構(gòu)底板底高程64.389 m，厚600 mm，下設(shè)100 mm厚C15素混凝土墊層，頂板頂高程67.189 m，厚400 mm，頂板梁截面尺寸500 mm×800 mm，邊墻厚500 mm，在頂板與梁相交處設(shè)一中柱，截面尺寸500 mm×500 mm?？紤]整體景觀效果，平臺采用100 mm厚防腐木鋪裝，并設(shè)高1.2 m木質(zhì)欄桿。平臺外側(cè)填土與現(xiàn)狀道路平順銜接并綠化。

圖2 耐力板防護(hù)典型斷面（高程單位：m；尺寸單位：cm）

2.5 配置冰期應(yīng)急駐守人員及設(shè)備

南水北調(diào)中線工程每年12月1日～次年2月28日為冰期駐守期，如突遇極寒天氣，上游渠道會產(chǎn)生大量流冰，形成碎冰帶，在西黑山進(jìn)口閘前的浮橋前堆積，產(chǎn)生冰壩冰塞阻水，危及輸水安全與建筑物安全。因此，為預(yù)防出現(xiàn)冰凍現(xiàn)象，需提前做好各項準(zhǔn)備工作。

人員方面，冰期配置9名值守人員，每日3班，每班3人晝夜巡視。駐守人員進(jìn)場后開展破冰錨破冰演練、撈冰簍撈冰演練、攔冰索架設(shè)演練、熱水車噴灑熱水融冰演練、清污機(jī)抓斗撈冰演練、排冰閘排冰演練、臂長25 m挖掘機(jī)輔助排冰及撈冰演練等演練活動，發(fā)現(xiàn)冰情立即上報。

設(shè)備方面，配置臂長25 m挖掘機(jī)1臺，5 t自卸汽車1輛。一旦發(fā)現(xiàn)冰情，則立即啟用長臂反鏟打撈流冰，并裝5 t自卸汽車運至指定位置。

3 結(jié)語

本文全面總結(jié)了西黑山進(jìn)口閘上下游部位綜合布防、多措并舉的冰期輸水方案，冰期運行期間，在保溫棚內(nèi)部安設(shè)2支溫度計，在保溫棚外部平臺欄桿安設(shè)2支溫度計。2018年12月份，多日觀測棚外溫度-8℃時左右時，棚內(nèi)溫度一般為5℃左右。多年觀測結(jié)果顯示，棚內(nèi)溫度平均保持在3℃以上，避免了閘后陡坡段出現(xiàn)冰塞的可能。多種措施共同發(fā)力，共同預(yù)防設(shè)備冰凍，體現(xiàn)了南水北調(diào)工程的運行管理水平，可供類似工程參考。