隋 伟，雷秀玲，孟继慧，李中田

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130061；2.丰满大坝重建工程建设局，吉林省 吉林市132108）

严寒地区水电站坝前防结冰方案对比试验研究

隋 伟1，雷秀玲1，孟继慧2，李中田1

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130061；2.丰满大坝重建工程建设局，吉林省 吉林市132108）

为防止冰冻对丰满水电站重建工程坝体表面保温层的破坏，根据严寒地区气候特点，制定了水泵冲水法、高压气体充气法及船只行走扰动法3种坝前全线防结冰技术方案，通过防结冰系统设计和现场对比试验研究，分析了3种方案的时效性和经济性。通过试验研究结果表明，设计制定的水泵冲水法防结冰系统可以达到开阔性湖面坝前条带防结冰的目的。对寒冷地区类似工程具有较好的借鉴作用。

严寒地区；水电站；防结冰；试验；丰满水电站重建工程

0 引言

寒区与非寒区水电工程的根本区别在于寒区冬季漫长且水库在隆冬季节封冻，冰冻对工程结构及水电工程运行造成不利影响，以及由此而产生负面社会经济效益。对地处严寒地区的水利水电工程，如何能保证其在漫长冬季的安全运行，不受冰冻的影响，是在设计电站工程时就必须考虑的问题。

丰满水电站重建工程地处东北严寒地区，为减少坝体内外温差及降低坝面温度应力，防止大坝危害性裂缝的产生，需对大坝进行永久保温。该工程大坝永久保温方案为：喷涂聚氨酯硬泡+外涂防老化面漆。严寒地区坝前水面结冰会对大坝永久外保温体系产生一定的影响和危害，如冰压力会对外保温体系产生一定的压缩变形，冰的拉拔力和缝隙结冰时产生的冻胀力会拖拽外保温体系使其从坝面脱落，因此，需要采取必要的措施防止上游坝前水面结冰。进行防止坝前水面结冰的现场试验，研究实现坝前全线防冰的技术，对于防止冰冻对大坝外保温体系的破坏、提高坝面外保温体系整体保温效果及耐久性具有重要而现实意义。

1 工程概况

丰满水电站重建工程任务仍以发电为主，兼顾防洪、城市及工业供水、灌溉、生态环境保护，并具有旅游、水产养殖等综合利用效益。在东北电网中担负系统的调峰、调频、事故备用等任务，坝址多年平均流量432 m3/s。重建工程坝址位于原坝轴线下游120 m处，水库正常蓄水位263.50 m，汛期限制水位260.50 m，死水位242.00 m，设计洪水位268.2 m，校核洪水位268.50 m。水库总库容103.77×108m3；新建电站装机容量1 200 MW，总装机容量1 480 MW（含三期280 MW），多年平均发电量17.09×108kW·h。根据施工进度安排，总工期为73个月，其中筹建期18个月，主体工程施工期45个月，工程完建期10个月。

2 试验方案

丰满水电站重建工程老坝坝前共设计了3种防结冰方案：

1）方案一：设置水泵冲水的方式以防止坝前湖面结冰。主要利用水泵、排水干管将湖面下层温度相对较高的水输送至表层，并充分利用水的射流，加大表层水与下层水体的对流作用，提高表层水体温度，同时伴有对水体的扰动作用，最终达到水不结冰的目的。

2）方案二：设置高压气体充气的方式以防坝前湖面结冰。利用空气压缩机、排气管等将高压空气排进水体，强对流作用提高了表层水的温度。表层水温度的提高与紊流作用相结合，实现水不结冰。

3）方案三：设置船只行走扰动水面的方式以防坝前湖面结冰。主要利用船只行走扰动表层水体，加速表层水的紊流作用，以达到水不结冰的目的。

结合丰满重建工程实际情况、环境特点，对以上3个试验方案通过经济性及实效性分析，提出适合于丰满重建工程的技术可行、经济合理及运行管理方便的防冰方案。

3 试验结果及分析

3.1 库区气象水文情况观测

库区气象水文情况，直接影响水库库面的热交换条件和失热量的大小，也就直接关系到防冰冻所需提供的热源和措施。因此，为达到防止水结冰的目的，观测与分析气象水文特征，确定合理的设计参数是极其必要的。

丰满库区历年最冷的冬季是1969—1970年度，冻结指数为1 783℃·d；最暖的冬季是2001—2002年度，冻结指数为949.4℃·d，二者相差将近1/2。最低月平均气温均出现在1月份，最低为-18.9℃，最高为-11.8℃。最低日平均气温为-30.7℃。

该试验年度最低月平均气温为-13.6℃，最低日平均气温为-21.4℃，极端最低气温-25.5℃，冻结指数为1 176.1℃·d，在55个年度系列中的出现频率为79%，属于较暖的年份。

3.2 方案一

水库水温及其分布和各种冰情现象都是热力因素作用的结果，并取决于水气界面上的热量平衡条件。当界面上的热损失大于增热量时，水面开始冻结以达到热量的平衡。水泵冲水法就是借助较高温度水的热力和动力作用增热达到防止水面结冰的目的。

3.2.1 系统设计

系统主要包括潜水泵、冲水干管，以及连接和固定设备如浮筒、连接管、固定架等，试验装置图见图1。

1）潜水泵：选用Qy40.12.2.2型充油式潜水泵，水泵功率为2.2 kW，出水孔径76 mm，流量40 m3/h，扬程12 m。预装2台水泵，其中1台供作备用和轮换使用，以确保试验装置的正常工作和有利于延长水泵的使用寿命。为取得较高温度的水，水泵的放置深度为水下5.0 m。

2）冲水干管：采用直径为80 mm钢管，总长18 m；冲水干管上按等距80 cm布置直径为13 mm的射水孔24个。冲水干管的水下放置深度约0.6 m，与大坝坝面的距离为1.0 m。

3）浮筒：浮筒为准500 mm×800 mm的净空铁皮桶，用作吊住冲水干管，其单筒水下可承担157 kg重物。综合考虑水泵与排水干管的总重，及排水干管的受力特点，选用3只浮筒，分别加设在排水干管两侧和中间部位。

4）输水管：水泵与排水干管间连接的输水管选用消防水带，属软连接，既有利于安装及搬运，又方便检修；输水管总长为5 m，输水管进口位于冲水管的中间。为确保输水管不承受拉力，水泵与排水干管用之间用准5 mm的钢丝绳连接，钢丝绳总长4.5 m。

5）逆水阀：排水干管与输水管间加设逆止阀，以防止水回流。

图1 单排冲水干管法试验装置示意图

3.2.2 系统运行效果

运行过程中明显可见射水孔部位有水柱喷出水面，最大喷出高度约10 cm，同时可见水面有明显的紊流作用，在试验年度最低温度下实测不冻水域宽9.73 m，长28.4 m，超出18 m冲水管长度约10.4 m。

3.2.3 系统运行机制

为研究不同运行机制对防冰效果的影响，寻求经济有效的水泵运行方案，进行了全天运行、间歇运行和停机3种运行方式的试验，见表1。

3.3 方案二

高压气体充气法是利用空气压缩机、排气管等将高压空气注进水体，通过排气干管排出的高压气泡将温度较高的水冲到冰层底面或水面，实现融冰或水面不结冰的目的。

3.3.1 系统设计

系统和装置主要包括空气压缩机、输气管及辅助的安装设备如浮筒、固定设备等。

1）空气压缩机：采用CYV7-6.7/8型空气压缩机，参数为容积流6.7 m3/min、排气压力0.8 MPa、轴功率41 kW、转速1 100 r/min。

2）排气干管：直径准80 mm钢管，总长12 m。等距1 m打准13 mm排气孔，共13个；排气干管的放置深度为1.5 m，距离坝面1.0 m。

3）浮筒：准500 mm×800 mm净空铁皮桶，其单筒水下可承担157 kg重物。综合考虑水泵与排水干管的总重，及排水干管的受力特点，选用2只浮筒加设在排气干管两端，其与水下排气管距离约1.5 m。

表1 水泵冲水法试验装置运行制度试验表

4）输气管：选用准25.4 mm橡胶高压管，总长40 m。

3.3.2 系统运行效果

运行过程中明显可见表层水紊流作用明显，在试验年度最低温度下实测不冻水域宽度为15.5 m，长30 m，不冻区域远大于12 m排气管长度。

3.3.3 系统运行机制

空气压缩机功率较大，转速较高，长时间连续工作导致电机过热，易损坏。根据库区温度及冰层厚度变化情况，高压空气法的运行方式分2种形式，即双次运行和单次运行，运行机制见表2。

表2 高压气体充气法试验装置运行机制试验表

3.4 方案三试验研究

船只行走法防水结冰主要是利用船只往返行走扰动表层水，提高水的紊流作用，实现水面不结冰的目的。

3.4.1 系统设计

系统和装置主要包括破冰船、动力装置、自动控制装置及限位装置。

1）船只：通过自行设计、加工完成，长约4 m。

2）动力装置：动力源为电机，其功率1.1 kW，最高转速3 000 r/min。

3）自动控制装置：由控制箱和行程开关组成。

3.4.2 系统运行效果

试验装置启动时，表层水受船底叶片的高速转动和船只行走的双重作用，紊流作用明显。但随着温度降低，船体及水面逐渐结冰，最终导致船只无法行走。

4 实效性对比分析

1）方案一：优点，试验装置设计、加工和安装简单，对库区无任何污染，在确保用电安全的前提下，实现智能控制，节省人力资源；缺点，长期运行水泵易坏，需要维修更换。

2）方案二：优点，试验装置作用效果及防结冰范围较大；缺点，高压气体压力较大，存在不安全因素，机器运行过程中少量油污进入库区，污染水源，不适合长时间连续工作，需安排专人全天候在岗，耗费人力资源。

5 结 论

1）气温特征及其高低直接影响水库库面的热交换条件和失热量的大小，也就直接关系到防冰冻所需提供的热源和措施。因此，在采取热力防冰冻措施时，应该分析所在地的气温特征，以确定合理的设计参数。

2）该试验条件下，水泵冲水法和高压气体充气法在坝前形成的不冻水域最小宽度分别达到10.7 m和15.5 m，均能有效满足和超出防止冰层对坝体作用的要求。因此可以进一步优化各项参数，进而达到动力不变的条件下，在满足不冻水域宽度要求的同时增大其不冻长度。

3）该试验条件下，船只行走扰动法效果差。当水面结冰较厚时，船只无法行走，试验设备被冻结，不能有效防止水面结冰。

4）试验发现，射流（排气）孔的射流作用将形成水面上半径达5.0 m左右喇叭状的影响区，并在水面上形成涌浪和横向流速，扩大了不冻水域的范围。射流（排气）管的放置深度不宜过深，以提高出水流速。

5）为节省运行成本，防冰试验装置的运行方式宜根据气温适时调整。

6）据初步估算，该年度试验高压空气防结冰方案成本约为水泵冲水方案的2倍。通过实效性和经济性对比分析，水泵冲水法优于高压气体充气法防结冰方案。

［1］李祥波.寒冷地区闸门防冰冻工程技术的研究［J］.山西建筑，2011，37（26）：226—227.

［2］牟明，马东，刘阳东.浮桶式浪涌破冰装置在高寒地区水电站的应用［J］.黑龙江电力，2011，33（4）：310—312

［3］GB/T 50662-2011，水工建筑物抗冰冻设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2011. [收稿日期] 2016-07-04

TV131.6；TV521

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