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水利水电工程钢闸门防冰冻设计 杨健

    闸门是水利水电工程建筑的重要组成部分之一,它的作用主要是封闭水利水电工程的孔口,并且根据需要对孔口进行开启或者关闭,从而实现对上下游水位的调节。钢闸门是现代水利水电工程中最广泛使用的一种闸门。由于闸门大多都安装在露天的场所,很多都是长时期浸泡在水中,承受着水流的冲击和压力,在冬天气温下降的时候,还会有冰冻的压力。这些恶劣的客观条件使得闸门的使用寿命远远低于建筑物的寿命,因此要延长闸门的使用寿命,就必须做好闸门的日常维护和防冻措施。
    1 冰冻对钢闸门产生的危害
    由于不同地区的环境和结冰情况的规律各不相同,因此冰冻伤害对闸门造成的危害也五花八门。冰冻对闸门的危害主要是指闸门的活动部分跟埋在水中的固定部分被冻结、水中形成的冰团、冰珠、冰块及冰棱等堵塞闸门,导致闸门结冰从而影响正常运行。不管是已经采取了防冻措施,还是尚未采取防冻措施的钢闸门,在运行过一段时间之后都会出现一定的磨损,当磨损出现之后,闸门就会处于超负荷运行状态,这使得闸门在冰冻的作用下容易发生弯曲变形,甚至会出现高强度的破坏,从而引发渗漏的现象。
    冰冻形成的冰盖会对露在水面的闸门产生一股巨大的推力,这股力量会使得闸门的门叶出现变形或者损坏。而引水渠道闸门如果与埋固件被冻死,会使得大量的冰块堆积形成堵塞,从而过水断面会减少,不能够满足引水需要。而潜孔工作闸门在整个冬季都会处于挡水的状态,门叶的迎水面会产生冰包,如果冰包和门叶、埋件冻在了一起,就会影响闸门的正常开启和关闭,从而影响到相关设备的正常使用,闸门不能及时开启或关闭,时间常了就会形成连底冻,堤坝就有可能会被冲毁,进而造成经济上的损失。
    2 我们现阶段防冰冻工程的技术现状
    现阶段在我国的西北、东北、华北等比较寒冷的地区以及西藏地区,防冰冻工程技术已经广泛应用到水利水电工程之中。就目前来看,我国的防冰冻技术可以分为六大类:破冰工程技术、排冰工程技术、化冰工程技术、输冰工程技术、导冰工程技术和蓄冰工程技术。在这六大技术当中,化冰工程技术多用于渠道和枢纽区运行闸门的去冰工作。其具体的操作方法有保温法、射流法、加热法和吹泡法等等。
    3 防冻工程技术在水利水电工程中的运用及分析研究
    闸门的冰冻问题一直是水利水电工程中困扰已久的当务之急,由于我国各地区气候差异较大,冬季河水结冰的情况也会因当年的气候情况各不相同,所以防冻工程技术措施该如何施行也会因为地区的差有所区别。跟其他季节相比,闸门在冬季的运行情况也是不尽相同的,这就要求水利水电工程在冬季的时候一定要注重防冰冻问题。从工程的设计开始,就应该充分考虑到当地的冰情规律、水文特征和气象信息等,再结合闸门在当地冬季时运行中所遇到的问题综合分析,采取相应的防冰冻工程技术,只有这样,防冻工作才能行之有效。
    3.1当闸门处于非运行工作状态时
    如果在冬季冰冻期的时候闸门不需要工作,闸门处于锁定的状态时,可以不用进行防冻工作,不过一般性的检查和维护工作还是要做的。
    3.2闸门处于拦蓄水工作状态
    (1)水利水电工程是露顶闸门的拦蓄水工况
    表1是位于新疆伊犁特克斯河流域巩留县的洽甫其海水利枢纽工程的一些相关数据,该工程采用的是表孔溢洪洞进口露顶闸门,防冰冻工程技术采用的是浮筒加热式露顶闸门化冰设备。
    从表1我们可以知道,在冬季最低气温的时候,形成的冰盖厚度可以达到660mm,根据冰推力公式我们可以计算出在这种情况下冰盖所承受的最大推力不会低于100t。这就要求在初步的设计中,要很好地解决在冬季挡蓄水工况时因巨大推力对冰盖的作用导致闸门变形的问题。运行单位在对闸门防冻工程技术进行研究和比较的同时,要以当地的气候特征为最主要的考虑因素。在我国,冬季风级大多数情况下会大于6级,在这样的天气情况下,水利水电工程中采用吹泡法的防冻工程技术来进行化冰是不切实际的。而因为冬季的时候水利水电工程一般都是处于蓄水状态,水库的水位会比平时高,加上水库的水原本就深,水下的情况也是复杂多变,这样就很难能够把水库的水抽取出来,如果采用增温法进行防冻,将达不到理想的效果。虽然在门叶的背水面采用加热的方法能够有效地融冰,但是这个方法必须要根据水位的变化来调整加热毯的高度,执行起来很麻烦,而且还会有漏电的危险。运行单位在考虑过多种方法之后,根据洽甫其海水库水位在冬季会逐渐下降的特点,自主开发了浮筒加热式露顶闸门化冰设备,经过几年的实验,浮筒两侧均有0.010m-0.030m的冰盖能够被化开,而且浮筒会根据水位的变化而变化,不会影响使用,化冰效果也很有效,这就有效地解决了冰盖的作用导致闸门变形的问题。
    (2)水利水电工程部分露顶闸门处于拦蓄水工况
    因为冬季气温较低,大多数的渠道都会处于非正常运行的一种状态,只有少数渠道在冬季的时候会一直保持运行。如果冬季里需要进行引水发电或者输水工作,那么就需要对处于拦蓄水工况的闸门采取必要的防冰冻工程技术措施,避免闸门出现冰冻造成无法使用的情况出现。以新疆伊犁南岸干渠为例,他的渠道露顶闸门就具有鲜明的特点。南岸干渠的渠道纵坡比是8000:1的比例,他的环境气候跟洽甫其海比较相似,水流的速度比较慢,冬季的时候需要给雅玛渡水电站输水进行发电。冬季气温较低,长时间处于挡水工作的露顶闸门在低温天气容易形成连底冻,当冰膨胀的时候,会对门叶产生巨大的作用力,这种情况会造成门叶的永久变形,对门叶造成破坏,从而会影响闸门的使用寿命。针对这种工况的防冻工程措施可以采取加热法,但是三种不同的加热法的应用也有着各自的优缺点。如果采用热空气加热或者热水加热的防冰冻工程技术措施对闸门进行加热,虽然可以解决冰冻的问题,但是因为渠道过长,闸门也比较多,这样的方法投资会非常大,不符合经济效益;如果换成发热电缆和热油法,相对来说就比较好施行一些,而且更容易把门叶上的冰融化掉,与之前的加热方法比较来看,这样的方法投资较少,也比较经济适用。
    (3)潜孔闸门在冬季处于挡蓄水工况
    通常情况下,在潜孔闸门的上方都会有封闭的闸房,他的泄水口是跟外部环境相通的,主要作用是汛期泄洪和排沙。还是以海中孔进口弧形工作闸门作为例子。闸门设在有压洞的进口处,因为闸门的背水面与洞口有一段较长的距离,在洞内没有穿堂风,所以洞里面有着天然的保温作用。同时闸门在冬季的时候会处于水下50m-70m深处,闸门的门叶与底层的水温会产生热量交换,如果闸门的温度保持在-0.01℃以上,就不会出现结冰的状态,也就不需要采取闸门防冰冻技术来进行防冻工作。如果潜孔闸门是设置在压洞的出口,门叶的背面是与外界相通的,那么在一定条件下,门叶的迎水面会容易产生冰包。这种情况下就需要运行单位用保温帘来减少洞内外的空气对流,从而起到防冻效果。对于潜孔闸门是设在渠道之上的,由于渠道的水深一般不会超过10m,所以当闸门在冬季处于拦蓄水工况的时候,闸门洞或者闸门的迎水面都比较容易会形成连底冻。要想避免连底冻的产生,运行单位就必须要采取一定的防冰冻工程技术措施了。可用的防冰冻工程技术措施有很多种,电热空气和热水法、发热电缆法与热油法都可用使用,不过要是综合考虑到实际操作性和经济性,还是发热热电缆法与热油法的投资比较小,更加符合经济效益。
    (4)水利水电工程中闸门处于需要随时启闭工况
    一般来说,水利水电工程的修建都是为了保证下游居民和工厂的生活、生产用水或者是用电需要。为了控制水库的水位和给生产、生活提供保障,渠道和枢纽工程的闸门需要经常性地开启或者关闭,通过局部的启闭来控制下泄流量,从而满足工作需求。在我国的东北和西北地区,冬季气温都会比较寒冷,所以不管是露顶闸门或者潜孔闸门,为了保证闸门可以随时正常运作,在冰冻期都需要防冰冻工程技术措施对闸门进行有效的冰冻防护。因为闸门需要根据实际工作需要不断进行开启和关闭,所以在这种情况下用发热热电缆法和热油法来作为闸门的防冰冻工程技术措施是最为有效的办法。这种办法还可以在门叶和门槽的埋件上敷设发热电缆或者是热油管,跟闸门一起进行加热,完全可以保障闸门在整个冬季冰冻期都能随时正常启闭,正常运行工作。
    结语:我国北方地区的闸坝经常会因为水面结冰而对闸门产生冰压力,使得闸门荷载变大。对于在冬季严寒条件下还要运行的闸门,门槽冻结将会严重影响到其正常运行。为此,需要采取一定的防冰冻工程技术措施对闸门进行防冻保护。除此之外,还要做好闸门的维护工作,只有做好维护工作,才能保证闸门安全正常的运行,延长闸门的使用寿命,从而发挥水利水工程的效益。在维护闸门工作的同时,还要注意闸门上的防冰冻工程技术措施是否完好,是否能够满足闸门在冰冻期的工作需要,对这些措施要定期检查、及时更换,同时还需要研究更好更经济适用的防冰冻工程技术措施,来替换现行的方法。科技在进步,相信在水利水电工程钢闸门防冰冻设计上会出现更多更好的工程技术措施以供我们选择。
    
    参考文献
    [1]蔡建国,杨铁荣.水利水电工程钢闸门防冰冻设计[J].海河水利.2000,12(1):212-250.
    [2]李祥波.寒冷地区闸门防冰冻工程技术的研究[J].山西建筑.2011,5(26):555-563.
    [3]陈焰炯,石江琳.引水式水电站水工建筑物防冰冻设计分析.[J].江淮水利科技. 2014,23(01) :252-269.
    
    作者简介
    杨健(1984-),汉,山东省济宁市,男,工程师,本科,水利水电工程金属结构设计。

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