桃林口水库闸门破冰防冻技术探讨
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摘要：冬季水库内水面结冰对闸门产生静冰压力，对消除静冰压力的方法在水库中的应用进行了比选，最终选用潜水泵水面扰动法。多年实践中积累经验不断改进和优化潜水泵扰动系统。
一、工程概况
桃林口水库位于河北省东北部的青龙河上，是一座集供水、灌溉、发电及旅游开发等多种功能于一体的大型水利枢纽工程。青龙河流域属东亚季风气候区，冬季气温寒冷干燥，平均冰冻期120天，极端最低气温达到-20℃以下，河面冰冻层厚30cm左右。为防止冰层的推力直接作用在溢洪道弧形闸门和锁定的大浮动检修闸门迎水面上，对闸门产生挤压变形破坏，需采取有效措施消除冰层作用在闸门上的静冰压力。
二、冰层对闸门静压力的计算
溢流坝段11孔（15m×15.5m）弧形钢闸门的冰层静压力计算：按照《水工建筑物抗冰冻设计规范》（SL211-98）取严寒山区静冰压力30t/m2，则冰层对建筑物的静压力F静=30t/m2×S，假设冰层厚h冰=0.3m，弧形工作钢闸门的宽度b=15m，S=0.3m×15m=4.5 m2，故每孔闸门所受冰层的静压力为F静=30t/m2×4.5 m2=135t。
大浮动检修闸门停放在支承牛腿上锁定放置，大浮动检修闸门的尺寸为18.2m×19.2m×4.8m（宽×高×厚）。冰层的静压力主要作用在大浮动检修闸门的宽度面上，根据公式 F静=30t/m2×S，S=0.3m×18.2m=5.46m2，故大浮动检修闸门所受冰层的静压力为F静=30t/m2×5.46 m2=163.8t。
可见其静冰压力是非常大的。这么大的静冰压力对闸门具有非常大的危害。所以做好水利工程的防冰冻工作和消除冰层作用在闸门上的静冰压力是至关重要的。
三、消除静冰压力的方法
1、消除冰层作用在闸门上的压力的最有效、直接的方法是使冰层和闸门之间产生隔离带，冰层静压力不能作用在闸门上。现如今最常用的方法主要有：人工破冰法、压缩空气吹气法、电加热法、潜水泵水面扰动法。
2、各种方法的优缺点和在桃林口水库的适用情况。
溢流坝段11孔弧形钢闸门在水位高于128.3m时，需做防冰层静压力处理。大浮动检修闸门在水位高于124.9m时，需做防冰层静压力处理。
2.1人工破冰法：在冰层和闸门附近刨开一个隔离水带，在结冰厚度达到危险厚度之前再次刨开。一般每天刨开一次，极寒天气需要每天刨2～3次。该方法虽然简单但需要付出较大的体力劳动，工作时存在人身安全隐患。破冰法适用于工作量较小，冰冻层不厚的情况。桃林口水库11孔弧形钢闸门和大浮动检修闸门需破冰断面总长211m，人工破冰工作量太大，所以不适用人工破冰。
2.2压缩空气吹气法：利用空气压缩机作为动力，空气通过布置在水面上的管路扰动水面形成一条不结冰带。该方法不仅需要设计安装较复杂的压缩空气管道系统，而且空压机还要源源不断地消耗室内温度较高的空气。另外，桃林口水库11孔弧形闸门需要布置220m水面管道，布置管道工程量大也比较麻烦，不仅要考虑水位变化给管道出口布置带来的问题，还要考虑闸门泄水时需先拆除水面上的输气管路。可见，压缩空气吹气法从开始设施布置到后期的管路调整都是比较复杂的，不适合在桃林口水库220m长的破冰带中应用。
2.3电加热法：利用敷设在闸门背面的发热电缆发热，与周围介质进行热交换，使闸门附近形成热水流，可使闸门附近形成不结冰带。发热电缆要按设计间距平铺安装在闸门背面，电缆要固定牢固，最外层用苯板做隔热层。该方法安装自动温控设备后，可实现自动运行无需人工保养，维护维修简单，一次安装投入可长期使用。由于桃林口水库的弧形闸门和浮动检修闸门在初期安装时没有安装电加热电缆，所以还没有采用此方法防冻，等待闸门更新改造时可以考率安装电加热电缆。
2.4潜水泵水面扰动法：利用潜水泵抽取下层水射流扰动上层水，同时可使上下层水的热量交换，可使扰动范围内的水面不结冰。此方法的优点是：安装和拆卸都比较方便，随时可投入使用，维修和维护也比较方便快捷。缺点是：（1）根据水位变化需要调整水泵的高度。（2）闸门附近安装潜水泵后会影响开闸放水，开闸放水时需要先拆除潜水泵。（3）另外潜水泵运转需要消耗电能。
桃林口水库表孔闸门运行一般在汛期，闸门防冰冻设备可在冬季安装春后拆除，设备拆卸安装比较频繁。另外，水库上下层水温温差较大，利于上下层水热量交换。水库坝上每个闸门附近都用取电箱，潜水泵取电方便，根据以上条件较适合潜水泵水面扰动法。
三、潜水泵水面扰动法在桃林口水库中的应用
桃林口水库表孔闸门和浮动检修闸门最初的除冰方法就是潜水泵水面扰动法，在多年运行中除冰系统不断改进和更新。最初的除冰系统为：（1）水泵采用采用三相水泵，功率为10kw，共计13台。（2）水泵用2寸铁管连接，水泵和铁管用20个空油桶支撑并漂浮在水面上，两侧用钢丝绳固定。（3）在入冬前进行安装和春季末拆除，需要人员10人，并需要拖船进行配合。（4）安装时间最少在2天。经过检验，运行费用较高，安装和拆除比较繁琐。
桃林口水库新改进的潜水泵除冰系统（也是现今桃林口水库使用的）是单孔单泵直管法：每孔用一台潜水泵作为动力，用带有铜外丝的2m长PPR管和潜水泵的出水口硬连接。用钢丝绳系潜水泵下放到水下合适的位置，钢丝绳另一端系在护栏栏杆上。根据潜水泵抽取水面2m～3m之下的温水扰动水面的水花调整水泵的下放深度，潜水泵吹起水面的蘑菇水花5cm高时为水泵的最佳下放深度。
新系统（单孔单泵直管法）和老系统相比有如下改进：（1）管路简化，取消横管路，潜水泵直接和2m长的Ф50PPR管连接。（2）潜水泵选型更优，不仅重量轻而且节能。经过比选确定使用潜水泵的参数为：扬程11m，流量6m3/h，额定功率0.37 kW，重量16kg。（3）提高了使用性和操作性，安装、拆卸和调整更加简单，由于重量轻，管路简单，安装一套潜水泵吹冰系统只需3个人，15分钟。
四、结论
桃林口水库表孔闸门和浮动检修闸门附近破冰方法的比较和使用演变，目前单孔单泵直管扰动破冰法是最经济实用的，安装检修方便，运行管理容易。但是还存在以下问题需要改进（1）吊装水泵的钢丝绳系在水库坝面上的栏杆上，不美观也不安全。（2）潜水泵取电电缆暴漏在坝面不安全和容易失盗。（3）由于水库水位不断变化，需要人工不断检查潜水泵水面扰动效果，随时准备调节潜水泵的深度。
参考文献：
[1]《水工建筑物抗冰冻设计规范》（SL211-98）附录 D冰压力计算。
[2]李延辉，杨疆卫，刘勇。开都河第一分水枢纽钢闸门防冰冻技术研究。中国西部科技2012（06）53―54。