孙冬艳

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

1 工程概况

西朱庄生态蓄水工程地处山西省应县县城西北5.5 km的西朱庄村北1.0 km的桑干河干流上，闸址位于西朱庄大桥下游200 m处。工程建设主要内容为拦河闸1座，长300 m，其中河道左侧拦河闸长222 m，高2.0 m，右侧拦河闸长78 m，高2.0 m；生态护岸约0.5 km；管理站1处，建筑面积约300 m2。工程等别为Ⅴ等，主要建筑物级别为5级。项目实施完成将形成景观湿地41.3万m2，蓄水量23.2万m3，工程施工总工期为12个月。

2 防冰的必要性

冰层达到一定厚度时，会对闸门造成严重的危害。冰冻对闸门的危害情形主要有：一是冰层与闸门牢固冻结情况下，若遇气温升高，冰层膨胀变形，对闸门产生压力；水位的升降对冰层与闸门的冻结体，产生上抬力或下拉力。都将导致闸门和闸墩超载，超荷载运行会导致闸门变形与破损。二是冰盖静压力超过闸门最大承载力，闸门被压坏。三是闸门两侧边缘与门槽及门轴被冻结，导致闸门无法正常运行。

西朱庄生态蓄水工程所处的桑干河流域，地处内陆高原，属北温带较干燥的大陆性气候，受季风影响强烈，并具有山区气候特征。根据《山西省水文计算手册》西朱庄水文站1960～2008年冰情统计表查知，该站最早结冰日期10月27日，最晚冰融日期4月5日；封冻最早11月8日，最晚12月8日；实际封冻天数上半年最少32 d，最多85 d，下半年最少24 d，最多54 d；工程区域最大冰厚1.28 m，极端最低气温-31.9℃，最大冻土深为1.57 m。

《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL 74-2013）3.1.8条规定，闸门不得承受冰的静压力。为保证西朱庄生态蓄水工程拦河闸结冰期的安全正常运行，需在闸门前后设置防冰系统。

3 防冰技术方案比选

3.1 防冰方法

3.1.1 人工破冰、机械破冰

人工破冰法。工人使用钢钎、冰铲和十字镐等破冰工具在闸门前凿出不结冰带，在结冰厚度达到危险厚度之前再次刨开，防止闸门被挤压破坏的方法。人工破冰需定期进行，一般每天刨开一次，针对出现极寒天气的情况，则需要每天进行2～3次的刨开。这种方法破冰率高，受客观因素影响小且费用较低，但工作条件艰苦，且工人施工的危险系数高，不适应安全生产和自动化运行的要求。此方法适用于冰冻层不厚、工作范围较小、工作量较小的情况，不适用于本工程，不予采纳。

机械破冰法。当冰层较薄时，利用破冰机械冲撞结冰带，在闸门前形成一条通道，然后定期进行破冰，确保通道水体始终处于液体状态，从而有效防止冰层挤压闸门的方法。该方法运行费用较低，能有效破冰，但机械操作人员非常辛苦，并且存在操作员落水的可能，从长远发展来看，这种方法是要被取缔的。因此本工程不予采纳。

3.1.2 气泡防冰

空压机喷出的压缩气体在水库及蓄水区深处形成温水流，使表面冰层溶化，同时防止形成新冰层的方法。气泡防冰系统一般由两台空压机、两个贮气罐、管网及控制元件等组成，一次性投资及运行费用较高。

以往的吹气单元原理简单、吹气单元运行可靠性差，出气量不均匀，无法有效除冰，管道布置也比较复杂，每年拆装吹气单元费时费工，工作存在人身安全隐患，只有少数电厂水库在延续使用。

新型免维护气泡发生器，可以在水下发生符合形成流场要求的连续的气泡群，气泡群在初速度及浮力作用下向上运动，带动气泡群周围水体产生沿竖向流动，形成局部环流的流场，流场内流动的水破坏并阻止生成结晶体（冰核），没有结晶体（冰核）的水即使在过冷状态下也不会结冰，从而使流场范围内的水面不结冰。

气泡防冰系统设备布置灵活、防冰效果显著、能耗低（约为0.05 kW/m）。空压机及系统主要设备均采用一工一备模式，水下防冰工作装置免维护，整套设备工作可靠性高，减轻了运行维护工作量，可以实现自动运行和远程监控。水下防冰工作装置，布置方式多样，可以固定在闸底板混凝土中，也可以布置在门体上，不需要在孔口上方架设固定梁，整体美观；自密封性能好,污物一般无法进入，工作的可靠度高；可随环境温度变化调节输出功率，节能效果好；具有背压，可使多个子单元同时工作时保持均匀流畅。

根据《水利发展研究》2016年12期，高志远、刁彦斌的《寒冷地区闸门防冰方法研究及其应用》文章中阐述，白俄罗斯维捷布斯克水电站和我国吉林松原哈达山水利枢纽工程均采用了气泡防冰技术，并取得了良好的防冰效果。使用气泡防冰技术后，两个工程的闸门面板前部约有1.50 m（上、下游方向）的不冻区域，消除了静冰压力对闸门的挤压作用。同时，闸门两侧边缘与门槽及门轴结合部位也完全消除了结冰状况，为冬季开启闸门创造了条件。

3.1.3 水泵扰动法

通过潜水泵把底层温度较高的水抽到水面上，并使用管道在水体表面进行喷射扰动，使闸门周边表层水的温度升高，从而防止结冰。这种方法设备和操作都比较简单，不足是当水位变化时必须及时调整水泵入水深度，一旦调整不及时水面就会结冰。另外能耗高，一般能耗为0.4～0.8 kW/m。

3.1.4 电加热法

通过电加热装置对闸门附近水域表层水体加热，进而实现防冻的目的。这种方法的缺点主要是电加热装置通电后水下绝缘的难度比较大，而如果绝缘失效，会导致系统短路，从而损毁装置甚至发生事故；另外电加热装置的安装也比较复杂，电加热法能耗高，一般能耗为4 kW/m左右，本工程不予采纳。

3.2 运行费用分析

因人工破冰、机械破冰以及电加热法存在诸多缺点，故本工程不考虑采用。气泡防冰能耗约0.05 kW/m，水泵扰动法按最小能耗0.4 kW/m计，设备运行期按90 d计算。气泡防冰电能消耗为3.1968万kW·h，水泵扰动法电能消耗为25.5744万kW·h。若电费单价按0.675元计算，则水泵扰动法运行费用为17.2627万元，气泡防冰法运行费用为2.1578万元，水泵搅动法多支出15.1049万元。

通过对以上几种方法进行比较，西朱庄生态蓄水工程拦河闸设计为底横轴转动翻板闸门，为保护闸门在冬季不被冻冰压力破坏，设计选用配套新型免维护气泡发生器的气泡防冰系统。在拦河闸上游设置1套气泡防冰系统，对底横轴转动翻板闸门上游进行防冰。

根据工程设计内容，拦河闸左右侧总长度300 m，采用一端供气方式，左岸设一座空压机站房，站房占地约40 m2，房高不低于3.5 m。空压机及其他附属设备包括供暖等总功率为200 kW。

4 结论

气泡防冰系统在工程可靠性、布置方式、节省能耗、节约运营成本等方面均优于其他几种防冰方式，因此本工程最终选用配套新型免维护气泡发生器的气泡防冰系统。气泡防冰工程在其他一些水利枢纽工程中已经取得了良好的效果，希望本文的比较可为类似的防冰工程提供一定参考。