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水利水電工程鋼閘門防冰凍設計 楊健

    閘門是水利水電工程建筑的重要組成部分之一,它的作用主要是封閉水利水電工程的孔口,并且根據需要對孔口進行開啟或者關閉,從而實現對上下游水位的調節。鋼閘門是現代水利水電工程中最廣泛使用的一種閘門。由于閘門大多都安裝在露天的場所,很多都是長時期浸泡在水中,承受著水流的沖擊和壓力,在冬天氣溫下降的時候,還會有冰凍的壓力。這些惡劣的客觀條件使得閘門的使用壽命遠遠低于建筑物的壽命,因此要延長閘門的使用壽命,就必須做好閘門的日常維護和防凍措施。
    1 冰凍對鋼閘門產生的危害
    由于不同地區的環境和結冰情況的規律各不相同,因此冰凍傷害對閘門造成的危害也五花八門。冰凍對閘門的危害主要是指閘門的活動部分跟埋在水中的固定部分被凍結、水中形成的冰團、冰珠、冰塊及冰棱等堵塞閘門,導致閘門結冰從而影響正常運行。不管是已經采取了防凍措施,還是尚未采取防凍措施的鋼閘門,在運行過一段時間之后都會出現一定的磨損,當磨損出現之后,閘門就會處于超負荷運行狀態,這使得閘門在冰凍的作用下容易發生彎曲變形,甚至會出現高強度的破壞,從而引發滲漏的現象。
    冰凍形成的冰蓋會對露在水面的閘門產生一股巨大的推力,這股力量會使得閘門的門葉出現變形或者損壞。而引水渠道閘門如果與埋固件被凍死,會使得大量的冰塊堆積形成堵塞,從而過水斷面會減少,不能夠滿足引水需要。而潛孔工作閘門在整個冬季都會處于擋水的狀態,門葉的迎水面會產生冰包,如果冰包和門葉、埋件凍在了一起,就會影響閘門的正常開啟和關閉,從而影響到相關設備的正常使用,閘門不能及時開啟或關閉,時間常了就會形成連底凍,堤壩就有可能會被沖毀,進而造成經濟上的損失。
    2 我們現階段防冰凍工程的技術現狀
    現階段在我國的西北、東北、華北等比較寒冷的地區以及西藏地區,防冰凍工程技術已經廣泛應用到水利水電工程之中。就目前來看,我國的防冰凍技術可以分為六大類:破冰工程技術、排冰工程技術、化冰工程技術、輸冰工程技術、導冰工程技術和蓄冰工程技術。在這六大技術當中,化冰工程技術多用于渠道和樞紐區運行閘門的去冰工作。其具體的操作方法有保溫法、射流法、加熱法和吹泡法等等。
    3 防凍工程技術在水利水電工程中的運用及分析研究
    閘門的冰凍問題一直是水利水電工程中困擾已久的當務之急,由于我國各地區氣候差異較大,冬季河水結冰的情況也會因當年的氣候情況各不相同,所以防凍工程技術措施該如何施行也會因為地區的差有所區別。跟其他季節相比,閘門在冬季的運行情況也是不盡相同的,這就要求水利水電工程在冬季的時候一定要注重防冰凍問題。從工程的設計開始,就應該充分考慮到當地的冰情規律、水文特征和氣象信息等,再結合閘門在當地冬季時運行中所遇到的問題綜合分析,采取相應的防冰凍工程技術,只有這樣,防凍工作才能行之有效。
    3.1當閘門處于非運行工作狀態時
    如果在冬季冰凍期的時候閘門不需要工作,閘門處于鎖定的狀態時,可以不用進行防凍工作,不過一般性的檢查和維護工作還是要做的。
    3.2閘門處于攔蓄水工作狀態
    (1)水利水電工程是露頂閘門的攔蓄水工況
    表1是位于新疆伊犁特克斯河流域鞏留縣的洽甫其海水利樞紐工程的一些相關數據,該工程采用的是表孔溢洪洞進口露頂閘門,防冰凍工程技術采用的是浮筒加熱式露頂閘門化冰設備。
    從表1我們可以知道,在冬季最低氣溫的時候,形成的冰蓋厚度可以達到660mm,根據冰推力公式我們可以計算出在這種情況下冰蓋所承受的最大推力不會低于100t。這就要求在初步的設計中,要很好地解決在冬季擋蓄水工況時因巨大推力對冰蓋的作用導致閘門變形的問題。運行單位在對閘門防凍工程技術進行研究和比較的同時,要以當地的氣候特征為最主要的考慮因素。在我國,冬季風級大多數情況下會大于6級,在這樣的天氣情況下,水利水電工程中采用吹泡法的防凍工程技術來進行化冰是不切實際的。而因為冬季的時候水利水電工程一般都是處于蓄水狀態,水庫的水位會比平時高,加上水庫的水原本就深,水下的情況也是復雜多變,這樣就很難能夠把水庫的水抽取出來,如果采用增溫法進行防凍,將達不到理想的效果。雖然在門葉的背水面采用加熱的方法能夠有效地融冰,但是這個方法必須要根據水位的變化來調整加熱毯的高度,執行起來很麻煩,而且還會有漏電的危險。運行單位在考慮過多種方法之后,根據洽甫其海水庫水位在冬季會逐漸下降的特點,自主開發了浮筒加熱式露頂閘門化冰設備,經過幾年的實驗,浮筒兩側均有0.010m-0.030m的冰蓋能夠被化開,而且浮筒會根據水位的變化而變化,不會影響使用,化冰效果也很有效,這就有效地解決了冰蓋的作用導致閘門變形的問題。
    (2)水利水電工程部分露頂閘門處于攔蓄水工況
    因為冬季氣溫較低,大多數的渠道都會處于非正常運行的一種狀態,只有少數渠道在冬季的時候會一直保持運行。如果冬季里需要進行引水發電或者輸水工作,那么就需要對處于攔蓄水工況的閘門采取必要的防冰凍工程技術措施,避免閘門出現冰凍造成無法使用的情況出現。以新疆伊犁南岸干渠為例,他的渠道露頂閘門就具有鮮明的特點。南岸干渠的渠道縱坡比是8000:1的比例,他的環境氣候跟洽甫其海比較相似,水流的速度比較慢,冬季的時候需要給雅瑪渡水電站輸水進行發電。冬季氣溫較低,長時間處于擋水工作的露頂閘門在低溫天氣容易形成連底凍,當冰膨脹的時候,會對門葉產生巨大的作用力,這種情況會造成門葉的永久變形,對門葉造成破壞,從而會影響閘門的使用壽命。針對這種工況的防凍工程措施可以采取加熱法,但是三種不同的加熱法的應用也有著各自的優缺點。如果采用熱空氣加熱或者熱水加熱的防冰凍工程技術措施對閘門進行加熱,雖然可以解決冰凍的問題,但是因為渠道過長,閘門也比較多,這樣的方法投資會非常大,不符合經濟效益;如果換成發熱電纜和熱油法,相對來說就比較好施行一些,而且更容易把門葉上的冰融化掉,與之前的加熱方法比較來看,這樣的方法投資較少,也比較經濟適用。
    (3)潛孔閘門在冬季處于擋蓄水工況
    通常情況下,在潛孔閘門的上方都會有封閉的閘房,他的泄水口是跟外部環境相通的,主要作用是汛期泄洪和排沙。還是以海中孔進口弧形工作閘門作為例子。閘門設在有壓洞的進口處,因為閘門的背水面與洞口有一段較長的距離,在洞內沒有穿堂風,所以洞里面有著天然的保溫作用。同時閘門在冬季的時候會處于水下50m-70m深處,閘門的門葉與底層的水溫會產生熱量交換,如果閘門的溫度保持在-0.01℃以上,就不會出現結冰的狀態,也就不需要采取閘門防冰凍技術來進行防凍工作。如果潛孔閘門是設置在壓洞的出口,門葉的背面是與外界相通的,那么在一定條件下,門葉的迎水面會容易產生冰包。這種情況下就需要運行單位用保溫簾來減少洞內外的空氣對流,從而起到防凍效果。對于潛孔閘門是設在渠道之上的,由于渠道的水深一般不會超過10m,所以當閘門在冬季處于攔蓄水工況的時候,閘門洞或者閘門的迎水面都比較容易會形成連底凍。要想避免連底凍的產生,運行單位就必須要采取一定的防冰凍工程技術措施了。可用的防冰凍工程技術措施有很多種,電熱空氣和熱水法、發熱電纜法與熱油法都可用使用,不過要是綜合考慮到實際操作性和經濟性,還是發熱熱電纜法與熱油法的投資比較小,更加符合經濟效益。
    (4)水利水電工程中閘門處于需要隨時啟閉工況
    一般來說,水利水電工程的修建都是為了保證下游居民和工廠的生活、生產用水或者是用電需要。為了控制水庫的水位和給生產、生活提供保障,渠道和樞紐工程的閘門需要經常性地開啟或者關閉,通過局部的啟閉來控制下泄流量,從而滿足工作需求。在我國的東北和西北地區,冬季氣溫都會比較寒冷,所以不管是露頂閘門或者潛孔閘門,為了保證閘門可以隨時正常運作,在冰凍期都需要防冰凍工程技術措施對閘門進行有效的冰凍防護。因為閘門需要根據實際工作需要不斷進行開啟和關閉,所以在這種情況下用發熱熱電纜法和熱油法來作為閘門的防冰凍工程技術措施是最為有效的辦法。這種辦法還可以在門葉和門槽的埋件上敷設發熱電纜或者是熱油管,跟閘門一起進行加熱,完全可以保障閘門在整個冬季冰凍期都能隨時正常啟閉,正常運行工作。
    結語:我國北方地區的閘壩經常會因為水面結冰而對閘門產生冰壓力,使得閘門荷載變大。對于在冬季嚴寒條件下還要運行的閘門,門槽凍結將會嚴重影響到其正常運行。為此,需要采取一定的防冰凍工程技術措施對閘門進行防凍保護。除此之外,還要做好閘門的維護工作,只有做好維護工作,才能保證閘門安全正常的運行,延長閘門的使用壽命,從而發揮水利水工程的效益。在維護閘門工作的同時,還要注意閘門上的防冰凍工程技術措施是否完好,是否能夠滿足閘門在冰凍期的工作需要,對這些措施要定期檢查、及時更換,同時還需要研究更好更經濟適用的防冰凍工程技術措施,來替換現行的方法。科技在進步,相信在水利水電工程鋼閘門防冰凍設計上會出現更多更好的工程技術措施以供我們選擇。
    
    參考文獻
    [1]蔡建國,楊鐵榮.水利水電工程鋼閘門防冰凍設計[J].海河水利.2000,12(1):212-250.
    [2]李祥波.寒冷地區閘門防冰凍工程技術的研究[J].山西建筑.2011,5(26):555-563.
    [3]陳焰炯,石江琳.引水式水電站水工建筑物防冰凍設計分析.[J].江淮水利科技. 2014,23(01) :252-269.
    
    作者簡介
    楊健(1984-),漢,山東省濟寧市,男,工程師,本科,水利水電工程金屬結構設計。

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