劉錫鳴
(遼寧省白石水庫管理局有限責(zé)任公司,遼寧 朝陽 122000)
白石水庫位于遼寧省北票市上園鎮(zhèn)附近的大凌河干流上,壩址以上控制流域面積17649km2,工程設(shè)計洪水標準為500年一遇,校核洪水標準為5000年一遇。大壩為部分采用RCD工法的碾壓混凝土重力壩,包括擋水壩段、溢流壩段、底孔壩段、取水壩段、電站壩段,壩頂長513m,最大壩高49.3m;溢流壩段布置在左側(cè),溢流表孔11孔,每孔凈寬12m,溢流堰頂高程為115.00m,挑坎高程100.00m,設(shè)弧形鋼閘門,每扇弧門寬12m、高15.8m,最大泄洪流量20613m3/s;底孔壩段布置在右側(cè),泄洪排沙底孔12孔,進口底高程為96.00m,出口挑坎高程98.50m,設(shè)平板鋼閘門,底孔進口寬4m、高7m,最大泄洪流量6013m3/s。工程總庫容16.45億m3,是一座以防洪、灌溉、城市供水為主,兼顧發(fā)電、養(yǎng)魚的大(1)型水庫工程。
白石水庫所在大凌河流域?qū)俸疁貛挠暄谉嵝蜌夂?,多年平均氣?℃左右,極端最高氣溫42℃,極端最低氣溫-37℃,冰凍期一般在12月份—次年3月份。水庫冰凍厚度一般為30cm,最厚可達50cm。
冬季結(jié)冰期,11孔表孔弧形閘門前結(jié)冰,由于水固結(jié)成冰后產(chǎn)生較大的冰脹力作用于門體,弧形閘門會發(fā)生縱向位移、門體局部變形、止水失效,將對閘門安全構(gòu)成威脅,嚴重影響閘門的正常穩(wěn)定運行。因此,做好閘門冬季破冰防凍工作至關(guān)重要。白石水庫工程投入運行20年來,先后采用幾種方法解決閘門冬季破冰防凍問題,經(jīng)過不斷改進和優(yōu)化破冰裝置,取得了目前較好的破冰效果。
白石水庫建成初期,普遍采用人工破冰方法,即使用冰镩、鐵鍬、鐵錘等工具破碎閘門前的結(jié)冰,開鑿出不結(jié)冰水帶,達到清除水面結(jié)冰的目的。該方法運行效果較為理想、費用較低,但是要求工人每日多次到冰上破冰,勞動強度大,危險系數(shù)高。
根據(jù)白石水庫實際情況,管理人員自行設(shè)計了潛水泵連接管路的破冰方法。該方法是將潛水泵與鋼管通過軟管相連接,共有4臺三相2英寸出口潛水泵提供動力水源,管路為2英寸鋼管,在鋼管上間隔鉆取一定數(shù)量的出水孔,出水孔距離水面20~30cm,管管相連、泵泵相通,并以鐵桶作為浮體,從冰面以下4m處抽取4℃恒溫水融化閘門前的結(jié)冰。優(yōu)點在于破冰保證率較高,不會因為一泵故障而導(dǎo)致閘門破冰失效。但該法最大的弊端在于安裝復(fù)雜、維修困難,必須借助于船只才能完成安裝和檢修,危險系數(shù)依然較高,而且水泵功率較大,管徑較粗,造價較高。
對多泵一管破冰法進行改進和優(yōu)化,實現(xiàn)了自動控制,提高了閘門運行管理水平,節(jié)省了人力、物力和財力。
該方法是一孔一泵一管,即在每一表孔閘門處安裝一臺單相1英寸潛水泵,與1英寸鋼管相連,以泡沫浮球作為設(shè)備浮體,該套裝置獨立工作,與其他破冰裝置互不影響,該套裝置由1英寸單相潛水泵、1英寸鋼管(鉆有出水孔)、連接法蘭、泡沫浮球、管箍、管堵等組成(見圖1)。
圖1 單泵單管破冰裝置示意圖
4.2.1 潛水泵選擇
盡量選擇質(zhì)量較輕、性能較好的潛水泵,以便于安裝、檢修維護和拆卸。白石水庫根據(jù)幾年的運行效果,選擇了油浸式小型多級潛水電泵,型號是QYD3-35/2-1.1,揚程為35m,流量為3m3/h,功率為1.1kW,重量為17.2kg,該水泵平均運行壽命大概為5年,價格較為合理,為了減低故障率,每年安裝前要對其進行簡單的維護和保養(yǎng)。
4.2.2 確定鋼管出水孔數(shù)量和直徑
以截面積相等為原則,采用試驗和粗略計算相結(jié)合的方式確定。首先出水孔直徑不宜過小,要保證有
一定的出水量,選擇3mm直徑的鉆頭鉆孔,水泵出水管徑為25mm,可以計算出需要鉆取69個孔,同時考慮水頭損失因素,適當減少鉆孔數(shù)量。裝置組裝后,置于水中開展試驗,保證出水孔距離水面20~30cm,觀察出水孔的出水情況,要求出水不直射、不噴濺,僅在水面泛起水花、形成水波紋即為效果最佳。如不符合要求,則需要調(diào)整鉆孔數(shù)量。白石水庫破冰裝置根據(jù)試驗和實際運行效果確定鉆孔數(shù)量為60個。
4.2.3 確定浮體數(shù)量
以出水孔距離水面20~30cm為標準確定泡沫浮球數(shù)量。首先計算裝置整體質(zhì)量,要求所需浮球數(shù)量的承重量大于等于裝置總重量,以小型圓浮球作為微調(diào)浮體,置于水中開展試驗,直至裝置懸浮于水中,并保證出水孔距離水面20~30cm,此時破冰效果達到最佳。白石水庫破冰裝置根據(jù)試驗和實際運行效果確定了浮體數(shù)量:立管串用浮球6個,平管串用浮球16個,微調(diào)圓浮球2個。
為了提高破冰裝置自動化程度,控制系統(tǒng)采用自動/手動兩種控制模式,由空氣開關(guān)、接觸器、時間繼電器、轉(zhuǎn)換開關(guān)、按鈕等組成,設(shè)定時間繼電器動作的時間達到自動控制。運行表明:在東北寒冷地區(qū),每間隔2h運行1h即可滿足破冰要求。控制原理見圖2。
圖2 破冰裝置電氣原理
由于該套設(shè)備質(zhì)量較輕,完全可以通過人力在壩面上完成一切操作,也可借助壩上門式啟閉機起吊完成安裝。安裝時要在壩面上先進行設(shè)備的組裝,并通過在設(shè)備兩端及中間部位拴三條繩索以控制其下落、上升。由于水面有風(fēng)浪干擾,加之水泵運轉(zhuǎn)力的影響,繩索可以起到固定裝置位置的作用。對于使用過的舊水泵,在安裝前一定要對其進行維護保養(yǎng),并檢查管路是否銹蝕堵塞出水孔,減少故障率。
當破冰裝置在運行過程中發(fā)生故障時,首先要檢查自動控制裝置是否損壞,再判斷是否是水泵損壞,一旦水泵發(fā)生故障并且被凍于冰下,就要安排人員到冰上人工破冰檢修。為避免出現(xiàn)安全問題,一要做好破冰裝置運行情況的巡視檢查,二要做好水泵及自動控制系統(tǒng)的維護保養(yǎng)工作,三是通過安裝監(jiān)控設(shè)備實時觀察裝置運行情況,發(fā)現(xiàn)問題及時處理。
當水庫結(jié)冰融化后,要及時完成拆卸工作,避免因春季風(fēng)浪過大對管路造成破壞,通過繩索起吊裝置并拆卸完成即可。
該套裝置的優(yōu)點在于管路直徑小、浮體輕小,每孔獨立運行,為設(shè)備安裝、檢修和拆除提供了方便,極大節(jié)省了人力和物力,提高了水庫安全管理的水平,自動化程度高,設(shè)備造價較低,一套設(shè)備使用壽命可達5年以上。缺點是一旦水泵故障,則該孔閘門破冰無法正常進行,這就需要加強水泵維護和設(shè)備的運行巡視檢查。
單泵單管自動控制破冰裝置在白石水庫幾年的運行效果表明,該法適用于北方寒冷地區(qū)特別是東北地區(qū)的水庫閘門冬季破冰,技術(shù)較為成熟,成本較低,適用范圍廣,是閘門冬季破冰技術(shù)和方法的改進和優(yōu)化。