寒區(qū)水工結(jié)構(gòu)新型防冰凍技術(shù)研究

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110003)

寒區(qū)水庫、河流、湖泊和沿海水域每年都會有很長時間的封凍期。在封凍期，當氣溫升高時，冰層會產(chǎn)生膨脹，對周圍約束的水工建筑物產(chǎn)生破壞，嚴重時甚至?xí)绊懡Y(jié)構(gòu)的安全[1]。冰凍破壞是水工結(jié)構(gòu)物的常見病害之一，也是水利水運工程設(shè)計中水工結(jié)構(gòu)的主要荷載之一。如果對冰荷載的估計不足、重視不夠或沒有采取充分合理的應(yīng)對措施，那么冰荷載有可能對水工結(jié)構(gòu)的安全構(gòu)成威脅，造成嚴重的冰毀事故。寒區(qū)水工結(jié)構(gòu)冰凍破壞已成為影響水利工程和人民生命財產(chǎn)安全的重大問題，近年來對防冰凍技術(shù)的研究越來越受到重視。

國外對冰的研究開展較早，研究方向主要是冰力學(xué)理論[2-3]、冰的力學(xué)試驗[4-5](室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗)以及冰力學(xué)在海洋工程中的應(yīng)用[6-7]，而少有針對水利工程防冰凍的研究，尤其是防冰凍技術(shù)的研究。國內(nèi)相關(guān)專家學(xué)者近年來探索了適合我國冰情的防冰凍技術(shù)[8-10]，但多集中于各種防冰凍技術(shù)的工程應(yīng)用和不同技術(shù)間優(yōu)劣對比，而對防冰凍技術(shù)優(yōu)化、能耗水平降低、裝置研發(fā)升級等方面的研究較少。在此情況下，開展寒區(qū)水工結(jié)構(gòu)防冰凍技術(shù)創(chuàng)新研究將成為將來水利冰害研究的主流。

1 冰荷載的產(chǎn)生及危害

我國北方寒區(qū)，在寒冷的冬季，水庫、河流、湖泊甚至海域都可能發(fā)生冰凍現(xiàn)象，并可能形成一定面積的冰層[11]。這些冰層和水域中的水工結(jié)構(gòu)，例如水域中的邊坡護岸、壩體閘門、河流中的橋墩、海域港口中的護岸、防波堤和海洋中的固定式結(jié)構(gòu)相互接觸，后者是前者的邊界，并對之形成約束。當外界條件(主要是氣溫)發(fā)生變化時，冰層內(nèi)部的溫度場發(fā)生變化，從而引起冰的應(yīng)變，由于受到水工結(jié)構(gòu)物不同程度的約束，于是冰層就對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了冰荷載。

冰凍破壞是寒區(qū)水工結(jié)構(gòu)常見的病害，會給水利工程帶來安全隱患。SL 211-2006《水工建筑物抗冰凍規(guī)范》[12]規(guī)定寒冷地區(qū)的閘門不得承受冰的靜壓力，其他水工結(jié)構(gòu)物的設(shè)計規(guī)范中也都明確了設(shè)計過程中應(yīng)考慮冰壓力的作用。

由于寒冷地區(qū)的環(huán)境與冰情規(guī)律不同，冰凍對水工結(jié)構(gòu)的危害也不盡相同，冰凍破壞包括影響使用、力學(xué)破壞和耐久性降低等，主要體現(xiàn)在：① 水體結(jié)冰影響水工結(jié)構(gòu)物的正常使用，例如江河冰封影響碼頭的正常運作和航道通行；水庫閘門與埋固件凍結(jié)，造成閘門無法正常啟閉，損壞水封和啟閉設(shè)備等；② 冰層與水工結(jié)構(gòu)牢固凍結(jié)后，水工結(jié)構(gòu)將受到冰壓力、冰彎矩及水位變化產(chǎn)生的壓應(yīng)力、上抬力或下拉力等荷載，當以上荷載反復(fù)作用時，將導(dǎo)致水工結(jié)構(gòu)變形或損壞；③ 凍融破壞是水工混凝土建筑物較為常見的一種破壞形式[13]。由于水工混凝土建筑物長期處于浸水飽和及潮濕的條件下，在環(huán)境溫度的變化過程中，混凝土內(nèi)部的孔隙水結(jié)冰膨脹、融化松馳，如此反復(fù)循環(huán)，產(chǎn)生疲勞應(yīng)力而造成混凝土由表及里逐漸剝蝕。

遼寧省寬甸滿族自治縣的太平哨電站水庫水位變化不大，一般在190.00～191.50 m之間，冬季日變幅為0.40～0.50 m。水庫蓄水運行后，每年12月中下旬開始結(jié)冰，一直到次年4月中旬庫面均為冰雪覆蓋。由于水庫鋼閘門沒有防冰措施，1984年1月9日發(fā)現(xiàn)大壩9號閘門上抬開啟，從1984～1997年有4 a共11扇閘門上抬開啟，此外3扇閘門頂梁出現(xiàn)向下游彎曲變形的情況。閘門上抬開啟后，雖開度不大(約為2 cm)，但影響閘門的正常運行，也造成了一定的水量損失，尤其是頂梁彎曲變形已威脅到閘門的安全運行[14]。國內(nèi)幾起典型的寒區(qū)水工結(jié)構(gòu)發(fā)生冰凍破壞及造成的損失情況見表1。

表1 國內(nèi)典型寒區(qū)水工結(jié)構(gòu)發(fā)生冰凍事故及造成的損失Tab.1 Typical frozen accidents and losses ofhydraulic structures in cold regions in China

2 現(xiàn)有防冰凍技術(shù)及優(yōu)缺點

目前國內(nèi)常用的除冰方法有冰蓋開槽法、冰蓋保溫板法、壓力水射流法、壓力空氣吹泡法、門葉電熱法等[15]，各方法具體工藝及優(yōu)缺點如下所述。

(1) 冰蓋開槽法是通過人工用冰镩或機械破除結(jié)構(gòu)物前附近冰面，形成一個隔離槽[16]，在結(jié)冰厚度達到危險厚度之前再次開槽，以保證結(jié)構(gòu)物的正常使用。該方法簡單直接，但需要較大的人力投入，工作強度大、效率低，作業(yè)時存在人身安全隱患，不符合安全生產(chǎn)和自動化運行的要求。

(2) 冰蓋保溫板法采用聚苯乙烯保溫板覆蓋冰面，以改變局部冰層凍融條件。聚苯乙烯保溫板絕熱性能優(yōu)良，導(dǎo)熱系數(shù)小，重量輕。但采用冰蓋保溫板法不能保證消除靜冰壓力，還會產(chǎn)生一定的環(huán)保問題。

(3) 壓力水射流法是利用水泵或潛水泵抽取水庫底部溫度較高的水體，泵送到在水工結(jié)構(gòu)前水面，產(chǎn)生水體擾動并進行熱交換，防止冰面結(jié)冰。該方法效果良好，但前期設(shè)備投入較大，運行期間要求不間斷操作，電力成本高，多用于大、中型水庫結(jié)構(gòu)物前除冰。

(4) 壓力空氣吹泡法利用空氣壓縮機將空氣送至水工結(jié)構(gòu)前水面以下，在結(jié)構(gòu)前造成水體擾動以防止結(jié)冰。該方法原理簡單，操作易行，但現(xiàn)階段存在管線系統(tǒng)布置復(fù)雜、曝氣口調(diào)整困難等問題，而且由于采用空氣壓縮機泵送空氣，運行期間耗電量較大，運行成本高。

(5) 門葉電熱法采用三相負載分配相等的電熱管、電熱纜或電熱板解決水工結(jié)構(gòu)特別是鋼閘門等金屬結(jié)構(gòu)冬季結(jié)冰問題。發(fā)熱裝置均勻地布置在門葉結(jié)構(gòu)中間，采取定時加熱或連續(xù)加熱方式，門葉下游面全部采用聚苯乙烯泡沫板封閉保溫[10]。該方法除冰效果好，但設(shè)備復(fù)雜昂貴，功耗大，故障率高，針對水庫多孔閘門冰凍的情況，除冰成本較高。

對遼寧省內(nèi)10多座大中型水利工程防冰凍技術(shù)應(yīng)用情況進行調(diào)研(見表2)，同時對國內(nèi)其他寒區(qū)水利工程進行調(diào)查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)多數(shù)工程采用的防冰凍技術(shù)為壓力水射流法和壓力空氣吹泡法，存在設(shè)備能耗大、造價高、安裝難度大、故障率高以及運行和維護成本高等缺點，給管理單位增加資金和管理負擔。

表2 遼寧省部分水利工程防冰凍技術(shù)應(yīng)用情況Tab.2 Application of anti-freezing technology in some waterconservancy projects in Liaoning Province

3 新型防冰凍技術(shù)

3.1 技術(shù)目標

針對目前防冰凍技術(shù)的以上問題，制定新型防冰凍技術(shù)的技術(shù)目標為低成本、低能耗、綠色化和自動化。

(1) 低成本技術(shù)目標是在保證除冰效果的前提下盡可能降低防冰凍裝置的制造成本，降低裝置的使用門檻，便于不同規(guī)模的水利工程管理單位采購和使用。

(2) 低能耗技術(shù)目標是實現(xiàn)新型防冰凍裝置的能耗降低至現(xiàn)有防冰凍裝置的1/10，即新型防冰凍裝置的運行能耗為10 W/m左右。

(3) 由于防冰凍裝置能耗較低，使清潔能源的使用成為可能，在新型防冰凍裝置的設(shè)計研制中可采用太陽能、風能等清潔能源或市電和清潔能源相結(jié)合的方式，實現(xiàn)防冰凍裝置運行的綠色化。

(4) 自動化技術(shù)目標是水利工程現(xiàn)代化、高效化管理的要求，可以降低管理單位運營成本，便于水利工程的日常管理。

3.2 設(shè)計功能要求

(1) 提出節(jié)能型防冰凍系統(tǒng)。研究現(xiàn)行防冰凍技術(shù)優(yōu)缺點，開展百余組室內(nèi)試驗，創(chuàng)新提出風機吹泡法，與傳統(tǒng)的壓縮空氣吹泡法和壓力水射流法進行對比試驗，優(yōu)化風機吹泡法的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，優(yōu)選和改進關(guān)鍵出流構(gòu)件，成功實現(xiàn)新型防冰凍裝置低能耗運行。

(2) 提出環(huán)保型防冰凍系統(tǒng)。使用太陽能、風能等清潔能源作為系統(tǒng)主供電源，實現(xiàn)綠色、環(huán)保、無污染、零排放，并可將該能源推廣應(yīng)用至庫區(qū)照明、監(jiān)控等用途。構(gòu)建市電應(yīng)急保障系統(tǒng)。當出現(xiàn)連續(xù)惡劣天氣或其他極端情況導(dǎo)致清潔能源中斷時，實現(xiàn)市電自動轉(zhuǎn)換補給，以保證防冰凍系統(tǒng)正常運行。

(3) 提出自動控制型防冰凍系統(tǒng)。利用溫度控制系統(tǒng)實現(xiàn)防冰凍裝置自動啟停，輔助節(jié)能；利用流量報警系統(tǒng)實現(xiàn)運行故障自動預(yù)警報警；利用視頻監(jiān)控系統(tǒng)實時掌控冰情進展，輔助自動控制。

4 新型防冰凍裝置

筆者團隊經(jīng)多方努力，首次研發(fā)出了以風機吹泡為核心技術(shù)的新型防冰凍裝置，包括三大模塊、7個部分。該系統(tǒng)在遼寧省三灣水利樞紐和湯河水庫等多項工程進行了應(yīng)用，成功實現(xiàn)了“低成本制造、低能耗運行、清潔能源供電、自動化控制”的技術(shù)目標。

4.1 節(jié)能裝置模塊

節(jié)能裝置模塊包括氣體供給裝置、氣體輸送設(shè)備和固定結(jié)構(gòu)3部分。

(1) 氣體供給裝置。在風機吹泡法原理中，考慮空氣在輸氣管道中的沿程損失、噴口處的出流損失后，風壓高于噴頭所在水深處的水壓即可。當噴頭安裝深度為0.2 m，防冰凍長度為10 m時，所需風壓不到5 kPa，在風機的常見風壓值范圍(5～30 kPa)內(nèi)，而遠遠低于空氣壓縮機的常見風壓(700 kPa)。在風機吹泡法和壓力空氣吹泡法的室內(nèi)對比試驗中，采用離心式吹風機和空氣壓縮機均可以在水面形成一定寬度的不凍區(qū)(見圖1)。而風機吹泡法在裝置價格、風量、防冰凍功率和實際能耗方面優(yōu)勢顯著，離心式吹風機風量為空氣壓縮機的10倍，價格、防冰凍功率及實際能耗僅為空氣壓縮機的1/40,1/25和1/35，具體參數(shù)對比見表3。因此，氣體供給裝置采用低能耗、大風量、風壓適中的離心式風機。

圖1 室內(nèi)試驗防冰凍效果對比Fig.1 Comparision of anti-freezing effect of indoor experiment

設(shè)備名稱設(shè)備型號價格/元電壓/V頻率/Hz風量/(m3·h-1)轉(zhuǎn)速/(r·min-1)功率/W總重量/kg活塞式空氣壓縮機YT081-30120002205010.2138075021離心式吹風機100FLJ1230022050108.22500303

綜合考慮防冰凍長度、安裝水深、安裝控件、能耗和投資成本等因素，按需求進行風機選型。如在水工鋼閘門防冰凍應(yīng)用中，可選用小功率風機，采用單孔單機的布置方式，在控制成本的同時也可起到良好的防冰凍效果。

(2) 氣體輸送設(shè)備。氣體輸送設(shè)備包括輸氣管、干管和氣噴頭3部分。輸氣管選用PVC硅膠鋼絲纖維復(fù)合管，管材具有柔性、耐低溫、耐高溫的特點，可以減少風機振動對管路的影響，保證管路豎向的可調(diào)節(jié)，同時可應(yīng)對寒區(qū)低溫以及采用集熱器對氣體加熱的高溫情況。

干管選用PVC-U管材，管材具有抗拉、抗壓強度高、流體阻力小、耐腐蝕性優(yōu)良、水密性良好的特點?？杀ＷC氣噴頭的間距相對固定，防止水流沖擊破壞。氣噴頭可選用文丘里噴嘴，因頂部為錐狀結(jié)構(gòu)，可改善噴嘴出口附近的亂流現(xiàn)象，將氣流速度的衰減抑制在最小限度。與直管形狀噴嘴相比，速度衰減緩慢，高速區(qū)域更寬，流速對比見圖2。

圖2 噴嘴附近流速分布Fig.2 Flow velocity distribution near the nozzle

(3) 固定結(jié)構(gòu)。采用吊索、桁架與浮筒相結(jié)合的定位方案，控制防冰凍裝置在水工結(jié)構(gòu)迎水側(cè)前的水平距離，同時保持在固定的水下深度，便于檢修和維護，固定結(jié)構(gòu)示意見圖3。浮筒尺寸應(yīng)根據(jù)整個防冰凍裝置水下部分的重量來選定。

為研究噴頭最佳淹沒深度，進行了室內(nèi)對比試驗。試驗共設(shè)置3組，噴頭淹沒深度分別為200，400 mm和600 mm，其他試驗條件一致：防冰凍長度為1.8 m，防冰凍寬度為0.4 m，防冰凍功率為16.67 W/m，噴頭氣孔直徑為2 mm。3組試驗的防冰凍能耗不一，噴頭位置越淺能耗越低，防冰凍效果越好。噴頭深度在不影響使用的前提下，應(yīng)盡量接近水面。但實際工況中，氣噴頭過于接近水面時，防冰凍裝置的氣噴頭有可能因水面變化而露出水面，失去防冰凍功能。因此，建議使用浮桶等裝置將氣噴頭淹沒深度保持在水面以下200 mm左右處。

圖3 固定結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Diagrammatic sketch of the equipments used for fixing

4.2 自動控制模塊

自動控制模塊包括溫度控制、流量報警和視頻監(jiān)控3部分，互相聯(lián)動實現(xiàn)系統(tǒng)自動控制。

(1) 溫度控制系統(tǒng)。智能溫度控制系統(tǒng)采用SM1600B-10溫度采集系統(tǒng)，可實時監(jiān)控水面附近氣溫和水體溫度，實現(xiàn)防冰凍裝置的自動運行，溫度傳感器布置見圖4。在溫度高、水體不會冰凍的情況下，智能溫度控制系統(tǒng)可關(guān)停防冰凍裝置，一方面節(jié)約了能源，另一方面也避免了防冰凍設(shè)備尤其是風機長時間、連續(xù)運行而造成的發(fā)熱或損壞。

圖4 溫度傳感器布置Fig.4 Layout of temperature sensors

(2) 流量報警系統(tǒng)。使用非接觸式超聲波氣體流量計實時監(jiān)控風機工作情況，防止因風機故障停止工作而引起的冰凍問題。同時在氣體流量發(fā)生較大變化的情況下，向控制系統(tǒng)發(fā)出警報，以便故障的查找和排除。超聲波氣體流量計性能參數(shù)見表4。

表4 超聲波氣體流量計性能參數(shù)Tab.4 Performance parameters of ultrasonic gas flow indicator

(3) 視頻監(jiān)控系統(tǒng)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以實時監(jiān)控水工結(jié)構(gòu)迎水側(cè)的冰情，一般使用太陽能等清潔能源供電，可并入到防冰凍裝置供電系統(tǒng)。

4.3 環(huán)保供電模塊

環(huán)保供電模塊的供電方式可分為三大類：① 純清潔能源單獨供電;② 市電供電;③ 清潔能源和市電互補供電。清潔能源供電前期投入高，使用太陽能、風能等清潔能源，而且遇到長期極端天氣可能造成供電中斷；市電供電前期投入低，運行管理簡單，每年需交納一定的電費；市電互補清潔能源供電前期投入高，使用太陽能及風能等清潔能源作為常規(guī)電源，市電作為應(yīng)急電源，可將照明、監(jiān)控系統(tǒng)的供電設(shè)備集成，實現(xiàn)系統(tǒng)的自足性和可持續(xù)性。

3類方式各有優(yōu)點，可根據(jù)工程現(xiàn)場具體情況靈活選擇，原則上推薦使用市電和太陽能互補供電，以提高系統(tǒng)運行保證率。市電互補太陽能供電系統(tǒng)由太陽能發(fā)電板、太陽能控制器、蓄電池組成，如輸出電源為交流220 V并且要和市電互補，還需要配置并網(wǎng)逆變器和太陽能市電互補控制器。太陽能發(fā)電板在吸收太陽能發(fā)電的同時，還可加裝集熱器，為防冰凍裝置排出的氣體進行加熱，可顯著提高防冰凍效果。

5 新型防冰凍技術(shù)優(yōu)勢及運行效果

新型防冰凍技術(shù)以低能耗、低成本、大風量、風壓適中的離心式風機為核心裝置，具備以下優(yōu)點：① 突破性實現(xiàn)了防冰凍裝置的低能耗運行，能耗降至現(xiàn)有技術(shù)的1/10；② 大幅度降低防冰凍裝置制造成本，造價約為壓力水射流法的1/3、壓縮空氣吹泡法的1/10。2015年11月，課題組將制作完成的風機吹泡法防冰凍裝置運抵三灣水利樞紐現(xiàn)場，進行安裝調(diào)試。試驗時間為2015年12月至次年2月，防冰凍周期90 d。試驗段布置在水利樞紐左岸魚道混凝土邊墻外側(cè)，防冰凍長度為15 m。

防冰凍裝置采用風機作為供氣裝置，風機功率120 W，防冰凍功率為8 W/m，采用的供電方法為太陽能供電。風機吹泡法防冰凍裝置經(jīng)調(diào)試正常后投入運行，在太陽能電池板后布置太陽能集熱器用于對供給氣體的加熱，經(jīng)測量氣體溫度可達60℃以上。

在整個防冰凍周期內(nèi)，風機吹泡法防冰凍裝置工作始終正常，未發(fā)生過載或者失靈情況，能形成長約20 m，寬約0.70 m的未冰凍區(qū)，防冰凍效果明顯(見圖5)。

圖5 防冰凍裝置防冰凍效果Fig.5 Anti-freezing effect of the equipment

6 效益分析

課題組研發(fā)的新型風機吹泡法防冰凍裝置通過在北方寒區(qū)水利工程的推廣應(yīng)用，其性能指標不斷得到優(yōu)化提高。從實際運行效果以及管理單位反饋情況來看，風機吹泡法防冰凍裝置運行情況良好，造價低廉，能耗較低，性能可靠，不僅保證了水利工程冬季運行的穩(wěn)定和安全質(zhì)量，而且還降低了管理支出，帶來了可觀的經(jīng)濟效益，更具有重要的環(huán)境和社會效益。

6.1 直接經(jīng)濟效益

在采用市電供電的情況下，裝置無需安裝費用較高的太陽能發(fā)電板，造價約為壓力水射流法的1/3、壓力空氣吹泡法的1/10，且能耗水平低至其他技術(shù)的1/10。以常見的水庫、水閘閘門防冰凍為例，假設(shè)每扇閘門寬10 m，冬季防護90 d，采用風機吹泡法防冰凍裝置的電費可節(jié)約電量4 000 kW·h以上，按市電0.5元/kW·h計算，每扇閘門在一個防冰凍周期內(nèi)可節(jié)約電費約2 000元。

6.2 環(huán)境和社會效益

在采用太陽能或風能等清潔能源的情況下，設(shè)備需安裝成本較高的太陽能發(fā)電板或風力發(fā)電機，成本與現(xiàn)有其他防冰凍方法持平。但由于后期無需外接市電，每年可節(jié)約大量電費。每個防冰凍周期采用風機吹泡法可節(jié)約電費400 kW·h/m，每米減少160 kg標準煤消耗，減少399 kg CO2排放，實現(xiàn)防冰凍裝置的自足性、綠色化和可持續(xù)性。

7 結(jié) 語

新型風機吹泡法防冰凍裝置造價成本較低，后期運行、維護的成本也較低，降低了防冰凍裝置的使用門檻，節(jié)約了管理單位的資金投入，便于在寒區(qū)水利工程大范圍的推廣應(yīng)用。風機吹泡法防冰凍技術(shù)實現(xiàn)了防冰凍的低成本、低能耗、綠色化和自動化，保證了水工結(jié)構(gòu)在寒冷的冬季不受冰凍破壞，保障了水利工程的正常使用和安全運行，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。