浅谈南水北调天津干线西黑山进口闸闸后防冰冻措施比选及效果

浅谈南水北调天津干线西黑山进口闸闸后防冰冻措施比选及效果

董婧怡

南水北调中线干线工程建设管理局天津300393

摘要：长距离渠道输水工程中，各闸站部位防冰冻措施是冰期输水运行过程中的重点难点。应综合考虑调度运行措施、管理措施和工程措施等，建立科学合理的水量调度方案、结合冰情监测数据、运行管理日报等，确定综合的防冰冻应急方案。根据防冰冻技术研究结合本闸站的实际实施情况，本文对南水北调天津干线输水闸室闸门以及长距离输水渠道的防冰冻技术措施进行了分析比对，并对一个完整冬季输水期的运行效果进行了阐述，以供类似工程参考。

关键字：闸站；防冰冻；措施；效果

一、冰冻冰塞概况

南水北调天津干线西黑山进口闸枢纽工程闸后消力池及渐变段均为开敞式矩型槽结构，起止桩号为XW0+170.5~XW0+222，总长51.5m。渐变段后为已加盖矩型槽。

2016年1月中下旬，华北地区遭遇30年一遇低气温天气，气象资料显示徐水区气温达-19℃。由于西黑山进口闸处于山区风口位置，周围环境估计达到-20℃～-25℃。极寒天气情况下，1月22日夜至1月23日凌晨，西黑山进口闸构筑物周围形成冰塞；闸后两侧挡墙及闸墩下部冰层积累，造成过水断面减小，影响过闸流量；闸站监控系统显示文村北调节池瞬时流量大幅减少，对天津干线正常输水运行构成威胁。

二、设计的比选

（一）设计方案

方案一、开敞段加装保温板

参照现有工程已加盖区域的冬季运行效果，本方案在闸后消力池及渐变段顶部增加盖板防护。经对钢化玻璃、混凝土板等不同材质进行比较，结合下段矩型槽已建护槽盖板，拟采用高性能的工程塑料聚碳酸酯为材料的耐力板。具有轻、透、隔音效果，且强度高、耐撞击性强、易于加工，可根据现场实际需要做成拱形或弯曲面等多种式样。

本方案适宜用纯白色拱形0.6cm厚耐力板，骨架材料为镀锌钢桁架。其典型横断面见图3.1。

图3.1设置保温防护措施典型横断面图

方案二、设置防冻涂料

此方案即在进口闸闸后的混凝土底板、墩墙及闸门下游侧嵌入刷涂防冰雪材料的钢板，根据下游水深情况，钢板顶高程为64.5m。

防冰雪涂料主要由交替排列的多嵌段无机-有机互穿网络聚合物（IPN）基料和经过表面改性处理的高活性纳米防冰雪填加剂组成，广泛应用于飞行器，船舶等需防冰雪结构。该涂料通过所含物质组合下的相互作用和协同效应，使涂层具有超低表面能、超低摩擦系数、耐腐蚀性高，与基体结合力大，减阻防结蜡等综合性能。防冰雪材料涂在固体表面之后，在需要保护的材料表面形成干涂膜，使冰晶与结构表面之间处于不润湿状态，从而极大的减小对冰晶的吸附力，达到防止结冰的目的。

方案三、调整进口闸运行孔数

冰冻现象发生时，闸后水深较浅，为0.25m左右，天津干线为小流量三孔运行，闸门开度在0.30m左右，是造成发生冰冻问题的因素之一。

因此，将进口闸由3孔运行改为中孔单孔运行以增加闸后水深，达到防止发生冰冻现象。在总干渠不同水位条件下，对西黑山进口闸小流量单孔运行时的流量开度及下游水深进行了计算，输水流量为15m3/s时，闸门开度在0.9m左右，闸后水深在0.70m左右，大于最大结冰厚度0.6m。

（二）设计的比选

为保障冬季输水安全，实际解决进口闸闸后发生冰冻问题，宜根据冬季输水流量、气象条件等选用综合性措施，可优先选用施工时不受输水流量限制且兼具美观性的方案一，即增加保温防护方案；其次，在天津干线结冰期小流量输水期间，可以在闸墩及底板上镶嵌具有防止冰雪凝结作用的涂层方案；再次，在冬季小流量输水时可考虑减少运行孔数、加大闸后水深的运行方式。在工程运行上，冬季小流量输水期间，应根据天气、温度的变化，加强现场巡视，在特殊情况下及时采取人工除冰或融冰措施。

综上所述，西黑山进口闸闸后防冰冻项目最终选定方案一进行施工。

三、施工方案

1、施工流程：

搭设施工平台→安全措施防护→骨架加工制作→耐力板安装→工作面移交

2、具体施工过程

因现场消力池渐变段跨度大，最宽处为9m，且供水流量近40m3/s，为了保证施工安全，确保不出现安全事故，我们考虑在距离消力池起始断面4.15m处设检修桥，检修桥两侧设高1.20m的不锈钢栏杆，在闸后发生冰冻情况时可兼做工作平台。整个消力池部分搭设安全防护网，人员安装施工时必须佩带安全绳，设专人负责安全监督。为便于工程维护检修，在检修桥进出口设置了平台，作为盖板进出口与闸室左右两侧路面的连接段。

四、措施效果

西黑山进口闸从2016年11月15日至2017年3月15日冬季输水期间未出现结冰状况。日平均输水量为118.51万m3，日平均流量为13.72m3/s。为准确测量封闭保温后室内外温度，在闸前后多个部位放置温度计，闸站值班人员每班观测温差。闸后封闭后，室内外温差10度以上，且始终处于零度以上，达到了保温效果。

闸后封闭措施实施后，冬季与非冬季输水期间闸站值班人员投入情况基本相同，实行“五班两倒”，24小时不断岗，监控环境更有利。

后期维护费用非常低，能较长时间的保持现状。

参考文献：

[1]《钢结构施工及验收规范》(GB50205-96)