氣泡防冰技術在頭屯河水庫冰害治理工程中的應用

高柯 楊會平 刁彥斌 姜明松 張民 張樹臣

摘 要：水庫在運行過程中易受冰凍侵害的影響，庫區結冰產生的冰荷載會對各類水工建筑物造成不同程度的損壞。以新疆頭屯河水庫為對象，研究氣泡防冰新技術在水庫進水塔、交通橋橋墩、閘門井冰害治理工程中的作用機制，并對其應用效果進行了探討。結果表明：在整個冬季冰期運行過程中，氣泡防冰設備有效地消除了水庫進水塔、交通橋橋墩、閘門井周圍的結冰問題；該設備可在低溫環境中長時間穩定運行，減少庫區冬季水位、溫度變化帶來的不利影響，有效地消除冰荷載問題，為解決不同領域冰害問題提供了技術參考。

關鍵詞：氣泡防冰；水工建筑物；冰凍侵害；頭屯河水庫

中圖分類號：TV875? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引 言

冰是一種天然材料，其結構特性、強度特性、動力特性以及破壞形式均具有高度的復雜性，并且在外界條件的影響下其特性會不斷發生變化。溫度是引起冰的特性變化的重要因素之一，直觀表現在冰隨溫度的變化而產生的膨脹效應。在水凍結成冰的相變過程中體積會膨脹，但此時材料的強度很低，不會對結構產生明顯的影響。然而，冰在升溫過程中的膨脹卻是寒冷地區水工建筑物的設計和建造中必須考慮的因素之一，已有研究表明，冰蓋在升溫過程中的膨脹效應會對結構產生非常明顯的影響，甚至造成嚴重的危害[1]。

冰凍破壞常發生在混凝土建筑物，表現為混凝土強度降低，層狀脫落，表面疏松，影響建筑物的正常使用。冰凍破壞之所以會發生在混凝土建筑物上，是由于滲水孔隙存在于混凝土內部，孔隙中的水在結冰時體積會膨脹，膨脹產生壓力，作用在毛細管壁或孔隙上。同時，在凍結過程中，冷水還可能在孔隙中遷移，產生滲透壓力作用于混凝土管壁上。在混凝土凍結過程中出現的這兩種壓力，在融化過程中消失，形成周期性的凍融循環作用，在孔隙壁上產生微裂縫，并逐漸增多擴展，混凝土強度降低，表面開始剝落甚至整體破壞[2]。已發生的大量工程冰害災難，形式多種多樣，但歸納起來其破壞力主要是靜冰壓力、冰拔力以及冰爬作用。

本文根據頭屯河水庫庫區水工建筑物的結構特點，研究了冰層在環境溫度、水深變化、日照角度、風速風向等影響因素下對進水塔、交通橋橋墩、閘門井產生的作用機制?；跉庖簝上嗔骼碚撗邪l了適用于進水塔、交通橋橋墩、閘門井的氣泡防冰設備，以有效解決在連續極端溫度條件下庫區水工建筑物的冰害問題。

1 防冰害技術現狀

目前，解決冰凍害問題的常用技術方法有以下幾種方法[3-4]。

（1）人工除冰法。利用人工將水工建筑物及閘門周圍冰層刨除，使其免受冰荷載。該方法優點是成本低廉，前期基本無需投入，設備免維護，除冰范圍靈活可控；缺點是作業環境惡劣，存在較大人身安全隱患，目前較少采用。

（2）潛水泵除冰法。在水工建筑物及閘門周圍布置潛水泵，利用潛水泵擾動水體，防止其結冰并消除冰荷載。該方法優點是結構簡單，成本較低；但其缺點也非常鮮明，設備運行可靠性差，冬季更換與檢修困難、能耗高，運行工作量大，且潛水泵對水流擾動效果特點是放置在水位以下300～500 mm深度范圍內，冬季水位不斷降低，需要不斷調整潛水泵在水下放置深度，增加了現場運行工作量。

（3）電熱法。在水工建筑物及閘門周圍設置發熱元件，將電能轉化成熱能，將冰層融化。該方法優點是布置簡單，操作方便，局部融冰針對性強；缺點是能耗過高，大范圍應用不具有實用價值。

（4）泡沫板法。在水工建筑物表層粘貼泡沫板，用以緩解冰壓力對橋墩的作用力。該方法優點是成本較低；缺點是在實際運用中存在施工難度大，水下不能施工，粘接不牢固，在浮力作用下，泡沫板與水工建筑物脫離等，該方法的普遍運用受到制約，不能有效除冰。

2 氣泡防冰技術應用分析

2.1 工程概況

新疆頭屯河水庫位于烏魯木齊市及昌吉市以南，距離兩市均約40 km處的頭屯河中游，是一座以防洪、灌溉為主，結合城鎮生活供水、工業供水等綜合利用的中型水庫?？菟跒闈M足取水要求，將進水塔入水口高程設置在水庫較低位（如死水位附近），采用交通橋將進水塔與堤岸相連，以滿足安裝、運行、檢修等交通要求。進水塔塔架高48 m，塔架塔頂高程995.2 m，與大壩壩頂齊平。塔架基礎20 m × 16 m，塔內設有一座閘門井。交通橋主體通過四處橋墩支撐，每處橋墩間隔40 m。

2.2 冰害現狀

歷年來，頭屯河水庫庫區結冰嚴重，最低溫度出現在2018年1月份，達到-35℃左右（見表1）。結冰后產生的靜冰壓力、冰拔力等冰荷載對進水塔、交通橋橋墩、閘門井造成不同程度損壞。目前，頭屯河水庫冬季冰期運行過程中，通過人工破冰、電烤等方法消除冰荷載對進水塔、交通橋橋墩、閘門井的破壞，但效果欠佳。每年需要耗費大量的人力和物力，且作業環境惡劣，勞動強度大，效率低，冰上作業人員還存在一定人身安全隱患，不符合安全生產要求。針對上述情況，根據新疆頭屯河水庫項目現場工況及防冰需求，對以往工作基礎、國內類似工程經驗進行分析，開展消除冰害技術方案驗證性試驗，以有效解決冰荷載對交通橋橋墩、進水塔、閘門井造成的冰凍害難題，保障工程在冬季的安全運行。

受到冬季環境溫度影響，頭屯河水庫庫區水體會凍結成冰，且持續較長的低溫環境往往造成水體表面形成冰層，厚度可達2.0 m。在形成冰層的過程中，進水塔四周墻體表面、交通橋橋墩表面和閘門井四周墻體表面會凍結為一個整體，事故閘門在閘井門槽內也與冰凍結在一起，導致無法正常啟閉。最終冰層與其接觸的所有結構交界面完全粘合在一起，形成凍結力。

在冰封期，受溫度變化影響，冰層膨脹受到進水塔、交通橋橋墩、閘門井結構約束時，會對混凝土結構產生膨脹力。受溫度變化和外力（風力、水體流動力）影響，冰層會發生顯著位移，隨著冰層的拉伸開裂及擠壓破碎，冰層位移更為顯著。冰層移動雖然釋放了冰層內部所積蓄能量，但它所釋放的能量也間接以靜冰荷載的方式傳遞給了水工建筑物，而在水工建筑物設計時往往對這部分作用力預估不足，給結構帶來了巨大的安全隱患。

資料顯示，位于官廳水庫的媯水河大橋在1956年1月9日就曾因為冰蓋移動使該橋的第4、5、6、7、8、19號橋墩突然被冰擠斷，造成線路中斷長達9個月[5]。宋集屯水庫的進水塔、交通橋，也曾發生靜冰荷載造成的塔身傾斜、橋墩剪斷、橋面拱起等危害。臥牛河水庫進水塔、交通橋橋墩也曾被冰壓力剪斷，導致交通橋報廢[6]。1962年春季，黃河五開江形成的大塊冰排流經三道坎大橋時，對橋墩的擠壓使該橋振幅達2.0 cm以上，凌汛部門緊急使用炸藥爆破炸開大面積冰排以及冰排堆積的冰壩才保證了大橋的安全[7]。

為避免冰層移動給水工建筑物造成的危害，水利管理部門每年需要投入大量的財力、人力來保障水工建筑物的安全。

2.3氣泡防冰技術原理

汲取前人已有的防冰經驗，刁彥斌發明了水利水電工程防冰系統[8]；采用氣液兩相流理論，利用氣泡發生器（專利技術）[9]在水下發生符合形成流場要求的連續的氣泡群。氣泡群在初速度以及浮力作用下向上運動，帶動氣泡群周圍水體產生沿豎向流動，形成局部環流的流場。流場內流動的水不易生成結晶體（冰核），也不會破壞掉已生成的結晶體（冰核），沒有結晶體（冰核）的水即使在過冷狀態下也不會結冰。此方法保證流場區域范圍內不能形成冰層，從而消除了水工建筑物、閘門等的靜冰壓力、冰拔力以及冰爬等冰害對其造成的破壞，解決了高寒地區水工建筑物因受冰害影響而產生的嚴重安全隱患問題。

2.4 氣泡防冰技術的應用

氣泡防冰技術是近年來出現的冰害治理新技術、新方法，是基于氣液兩相流理論，結合頭屯河水庫進水塔、交通橋橋墩、閘門井的結構特點，研發的防冰（消除冰荷載）新技術。主要設備包括氣源系統、升降機構、水下防冰工作裝置、供氣管路系統。進水塔、交通橋典型布置如圖1所示。

2.4.1 氣源系統

利用橋頭現有的空站房作為氣源系統設備間。設備間存放有空壓機、儲氣罐、過濾器、干燥機、集控平衡閥組、電氣控制柜等設備?？諌簷C采用“一用一備”設計，通過控制信號實現遠程操作與監控，并將防冰動態信號傳送至智能終端設備。系統中各設備通過可編程控制器PLC自動啟?？刂?，自動化程度高，運維工作量小，不僅能夠達到節能減排，降低運行能耗的目的，而且還能夠保證水下防冰工作裝置均勻一致地連續釋放充足的氣泡群，最終保證整套系統的智能化穩定運行。經過系統處理的氣源，在冬季-40℃的條件下保證室外供氣管路無懼結露問題。

2.4.2 升降機構

升降機構布置在每個交通橋橋墩正上方兩側護欄上，每側護欄布置兩臺升降機構（跨距根據水下防冰工作裝置長度適當調整），通過焊接與護欄連接固定。通過操作絞盤調整水下防冰工作裝置的置放深度。每組水下防冰工作裝置配備兩臺升降機構。升降機構可以在需要升降水下防冰工作裝置的工況下自由操作，方便檢修與其它運行需要，而且該機構可在交通橋平臺上操作，安全方便，可操作性高。

2.4.3 水下防冰工作裝置

水下防冰工作裝置布置在進水塔外側四周及橋墩兩側，通過供氣管路系統輸送氣體。其中進水塔每面圍墻設置一組，每個橋墩沿交通橋方向在其兩側各設置一組，每組距離防冰區域建筑物間距約為2～3 m，每組均可獨立工作。利用升降機構將其置放深度調整到合理水深位置，當水位變化時，該裝置無需調整。水下防冰工作裝置可以放置于任意深度，最低可以放置在死水位以下，滿足極端枯水位條件下冬季運行要求，冬季運行時無需調節該裝置在水中的深度，減輕操作人員工作強度。該裝置還具有清淤、自潔、耗氣量小等功能特點。

2.4.4 供氣管路系統

供氣管路系統分為兩部分，第一部分為主供氣管路，采用無縫鋼管材質，布置在交通橋護欄上，并沿護欄敷設至每組水下防冰工作裝置處，利用管夾連接固定。第二部分為分供氣管路，從主供氣管路在每組水下防冰工作裝置處分支，并通過螺栓固定在升降機構上。由于水下防冰工作裝置有上升與下降的功能需求，因此供氣管路選擇具備耐高壓、耐高低溫特性的橡膠軟管，軟管通過自動卷管器進行收縮與拉伸，以保證與水下防冰工作裝置上升或下降時同步收放。供氣管路系統由多條供氣管路組成，每條管路對應一組水下防冰工作裝置，保證每組水下防冰工作裝置分別獨立工作，而且分供氣管路低溫條件下具有可伸縮性，增加了供氣管路系統的可靠性。

氣泡防冰技術在頭屯河水庫進水塔、交通橋橋墩、閘門井的成功應用，有效地消除凍融、靜冰壓力、冰拔力對水工建筑物的破壞（見圖2），解決了高寒地區水工建筑物因受冰害影響而產生的嚴重安全隱患問題，具備工作效率高、運行能耗低、布置靈活、環境友好且無污染的特點，有效地保障了水庫在寒冷復雜條件下最基本的使用任務。

2.5 氣泡防冰技術特征及關鍵點

綜合分析氣泡防冰技術在頭屯河水庫的實際應用效果，總結其特征如下：①運行最低環境溫度可為-40℃；②能夠有效消除水工建筑物防冰區域內的冰荷載及凍融問題；③設備布置靈活，適用于不同水工建筑物結構；④適用于不同水位變幅工況；⑤采用集控閥組，通過對多點進行壓力、流量調節，能夠產生高效、節能、環保的社會效益。

氣泡防冰技術的關鍵點包括：①采用氣液兩相流理論研發出水下防冰工作裝置；②冬季水位發生變化時，水下防冰工作裝置可自動適應水位變幅工作；③系統根據環境溫度等影響因素變化進行自動分析，實現了變頻輸出防治效果；④平均運行能耗低，維護工作量小，環境友好、無污染；⑤消除了冬季低溫環境下庫區涉水建筑物冰害問題。

3 結束語

根據防冰理論和防冰實踐，提出了針對水庫進水塔、交通橋橋墩、閘門井等水工建筑物的防冰新技術、新方法。該技術方法在頭屯河水庫冰害治理工程中得到成功應用，消除了進水塔、交通橋橋墩的冰荷載以及進水塔閘門井內冰層，保證了閘門正常啟閉運行。氣泡防冰技術體系切實解決了工程實踐中的冰害問題，推進了水利水電工程科技成果在開發、轉化、推廣中的示范作用，增強了水利水電工程防冰工程的現代化、智能化建設?；诒Φ亩鄻有?、復雜性，今后應對該技術的適應性進行深入研究，擴大防冰技術應用范圍，解決不同領域的冰害問題。

參考文獻：

[1] 呂愛東，王志興，王柏慧，等. 水工擋水建筑物防冰措施的分析[J]. 黑龍江水利科技，2008，36（5）：76-77.

[2] 楊剛. 淺談水工建筑的冰凍破壞及防治[J]. 中國水運（下半月），2012，12（3）：148-149.

[3] 劉駿霓，路建國，高佳佳，等. 水工混凝土冰凍害機理及抗凍性能研究進展[J]. 長江科學院院報，2023，40（3）：158-165.

[4] 劉登海. 電加熱融冰法在新疆某水庫閘門防凍中的應用[J]. 水利水電技術，2014，45（6）：96-97.

[5] 向道明，陳文進. 京包線媯水河大橋冰作用力計算[J]. 鐵道建筑，1998（6）：21-23.

[6] 張云飛. 寒區水庫橋墩靜冰荷載研究[D].大連：大連理工大學，2021.

[7] 郭威. 水庫橋墩冰荷載效應與防護措施[J]. 中國鐵路，2022（5）：138-144.

[8] 刁彥斌. 水利水電工程防冰系統：中國，CN207891854U[P]，2018-09-21.

[9] 刁彥斌，吳軍，賈云飛，等. 防冰吹氣單元及具有該單元的氣泡發生器：中國，ZL 2022 2 2273412.5[P]，2022-12-02.

Application of Air Bubble Anti-icing Technology to Ice Damage Control Project of Toutun River Reservoir

GAO Ke1，YANG Huiping1，DIAO Yanbin2，JIANG Mingsong2，ZHANG Min 3，ZHANG Shuchen3

（1. Water Management Center of Xinjiang Toutun River Basin Administration，Xinjiang 831100，China；2. Changchun Huapu Datong Anti-icing Engineering Technology Co.，Ltd.，Changchun 130000，China；3. Songyuan Hada Mountain Water Conservancy Project Management Service Center，Songyuan 138000）

Abstract：Due to the vulnerability to freezing during operation，hydraulic structures are prone to suffer from different degrees of damage caused by the ice load generated by icing in the reservoir storage area. With a focus on Toutun River Reservoir in Xinjiang，we examine the mechanism of the air bubble anti-icing technology in controlling ice damage in reservoir intake towers，traffic bridge abutments，and gate well. We also discuss the effectiveness of its application. The findings manifest that the air bubble anti-icing equipment effectively eliminates icing problems around reservoir intake towers，traffic bridge abutments，and gate wells throughout the winter ice operation. The equipment can operate stably in low-temperature environment for a long time，while reducing the adverse impacts of water level and temperature changes in the reservoir area in winter. Moreover，it effectively eliminates the ice loading problem and provides a technical reference for solving ice damage problems in different fields.

Key words：air bubble anti-icing；hydraulic structure；ice damage；Tou Tun River Reservoir

收稿日期：2023-09-12

基金項目：2022年度新疆維吾爾自治區水利發展資金

作者簡介：高 柯，男，高級工程師，主要從事水利水電工程建設與運行管理。E-mail：832319@qq.com