杜雷功，劉萬新

(中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

1 研究背景

根據(jù)氣象資料，海河流域在每年的11月份中旬進(jìn)入冬季，河流開始結(jié)冰，冰期在50～100 d，平均最大冰層厚度61 cm。處于河道中的水閘閘門，由于受到巨大冰壓力的作用，常常發(fā)生閘門傾斜、面板變形等現(xiàn)象，變形嚴(yán)重的會致使閘門不能開啟。有的閘門經(jīng)過多年的冰凍作用，如果養(yǎng)護(hù)不及時(shí)，閘門面板嚴(yán)重老化，甚至被銹穿，使水閘失去擋水功能。同時(shí)閘門和門槽會凍結(jié)在一起，如若不經(jīng)化冰強(qiáng)行提閘，則致使啟閉機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行，甚至?xí)l(fā)生鋼絲繩斷裂、機(jī)架橋混凝土裂縫、啟閉機(jī)損壞等事故。水閘受冰凍破壞，大大縮短了其使用壽命，嚴(yán)重威脅水閘安全。

冰壓力主要有靜冰壓力、動冰壓力、升降力及堆冰壓力4種，海河平原水閘閘門主要是受靜冰壓力的影響。為了使水閘閘門免遭靜冰壓力的破壞，結(jié)合海河流域的冰凍特點(diǎn)，在水閘閘門防冰凍設(shè)計(jì)中，要找到一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的方法，以延長水閘的使用壽命，使水閘的功能得到充分發(fā)揮。

2 海河流域河流冰凍特點(diǎn)

海河流域年平均氣溫由南往北、由平原向山地降低，溫度變化在0～14.5℃。極端最高氣溫一般出現(xiàn)在6，7月份，極端最低氣溫一般出現(xiàn)在1，2月份。海河流域越往北，河流開始結(jié)冰的日期越早，消冰解凍的日期越遲。海河平原位于山海關(guān)、薊縣、房山、滿城、邯鄲、焦作以南，以東到渤海，海拔在100 m以下，包含北京、天津、河北省及山東省等地的低海拔地區(qū)。

根據(jù)中國氣象局中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)資料數(shù)據(jù)［1］，分析海河流域代表性氣象站1971—2000年氣候特征值可見:海河流域平原區(qū)北京、天津及河北等地區(qū)在每年的12月及次年的1月、2月份的月平均氣溫在0～－10℃之間，屬于寒冷地區(qū)。北京氣象站全年月平均氣溫為12.3℃，月極端最高氣溫為41.9℃，月極端最低氣溫為－18.3℃，1月份月平均氣溫為－3.7℃;天津氣象站全年月平均氣溫為12.6℃，月極端最高氣溫為40.5℃，月極端最低氣溫為－17.8℃，1月份月平均氣溫為 －3.5℃;河北省樂亭氣象站全年月平均氣溫為10.6℃，月極端最高氣溫為37.9℃，月極端最低氣溫為－23.7℃，1月份月平均氣溫為－5.8℃。

據(jù)統(tǒng)計(jì)［2］，我國華北平原日平均氣溫低于0℃的為39～89 d，最低氣溫低于0℃的累積為67～122 d，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 華北平原代表站日低溫統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of daily low temperature at representative stations in north China plain

從表1可以看出，華北平原區(qū)域內(nèi)隨著緯度的增大，日平均氣溫≤0℃持續(xù)天數(shù)、日最低氣溫≤0℃的累積天數(shù)都具有明顯的增大趨勢。

通過對海河流域河流主要測站冰期觀測［3］，其特征值見表2。

表2 海河流域主要河流冰情特征表Table 2 Ice characteristics of main rivers in Haihe river basin

觀測資料顯示，海河流域主要河流最早的初冰期為11月初，最晚解冰期為4月初，平均最大冰厚為61 cm。

3 凍冰對水閘閘門的破壞形式

根據(jù)有關(guān)研究文獻(xiàn)，河流結(jié)冰后，凍冰對水閘閘門的破壞形式一般有靜冰壓力破壞、動冰壓力破壞、升降力破壞及堆冰壓力破壞4種。

3.1 靜冰壓力破壞

閘門受靜冰壓力作用而產(chǎn)生破壞。靜冰壓力是指水在結(jié)冰過程中體積會膨脹，當(dāng)受到閘門、岸邊或建筑物的約束而產(chǎn)生的力，也稱之為膨脹壓力。

關(guān)于靜冰壓力的研究，國外從20世紀(jì)20年代已經(jīng)開始，提出了不少靜冰壓力的計(jì)算方法。冰層膨脹壓力的大小主要與冰層狀態(tài)、周邊約束條件、冰層長度及冰層厚度等因素有關(guān)。

一些國家根據(jù)試驗(yàn)采用靜冰壓力值，例如加拿大對于大壩和其它剛性建筑物，采用冰壓力值為149～223 kN/m;20世紀(jì)初至50年代，在美國、加拿大、瑞典和挪威4個(gè)國家實(shí)測17個(gè)工程的冰壓力大小，在冰表面附近冰壓力有150～750 kN/m，沿著冰層向下，壓力有所減小;東北勘測設(shè)計(jì)院科研所根據(jù)對東北4省區(qū)5座水庫的觀測，也提出了以氣溫、冰厚等為參數(shù)的靜冰壓力計(jì)算公式。

不同國家對靜冰壓力做了規(guī)定或提出了計(jì)算公式，可以看出對于閘門這樣的薄壁結(jié)構(gòu)，如果考慮冰壓力，其荷載相當(dāng)大。又由于靜冰壓力荷載幾乎是以線荷載作用在閘門頂部，其作用點(diǎn)一般取冰面以下1/3冰厚處，如將此荷載作為設(shè)計(jì)荷載，則閘門的用鋼量將成倍增加。因此，在鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范中，應(yīng)采取措施使“閘門不得承受靜冰壓力”［4］。

3.2 動冰壓力破壞

閘門受到動冰壓力而破壞。動冰壓力是指河道中漂浮的冰層或冰塊，在風(fēng)力或水流推力作用下對閘門的撞擊力。撞擊力的大小決定于冰層或冰塊在撞擊瞬間的有效動能。此外，冰的強(qiáng)度(Rc)也是影響撞擊破壞的重要因素。冰的強(qiáng)度隨著氣溫的降低而增加，當(dāng)氣溫在0～－30℃變化時(shí)，冰的強(qiáng)度一般在0.45 ～3.50 MPa。流冰期冰的強(qiáng)度一般為0.3 MPa。

3.3 升降力破壞

閘門受到冰層升降產(chǎn)生的升降力而破壞。升降力是指冰層與閘門前緣凍結(jié)在一起，當(dāng)水位升高或下降時(shí)，冰層對閘門的上抬或下曳力。這種力主要取決于冰層的彎曲或剪力強(qiáng)度，與水位的變化速度也有關(guān)。冰的抗彎強(qiáng)度一般取為其抗壓強(qiáng)度(Rc)的 0.75倍。

3.4 堆冰壓力破壞

堆冰壓力是指上游來冰(或冰花)在風(fēng)力作用下，松散的碎冰塊堆積在閘門前緣而產(chǎn)生的堆冰壓力。這種壓力主要取決于堆冰厚度，其作用力特點(diǎn)類似于土壓力。

4 水閘閘門冰凍破壞實(shí)例

海河流域在上個(gè)世紀(jì)修建的水閘基本沒有采取防冰凍的措施，閘門及門槽在冰壓力作用下破損情況相當(dāng)普遍，造成閘門及埋件銹蝕嚴(yán)重。鋼閘門在河道冰壓力的長期作用下，閘門變形日趨嚴(yán)重，尤其是閘門面板與冰層接觸部位老化更加嚴(yán)重，有的閘門面板甚至被銹穿，造成閘門漏水。有的鋼閘門止水凍壞，造成止水不嚴(yán)，使水閘失去了擋水功能。

1963年冬季，海河防潮閘閘門因破冰不及時(shí)，致使閘門與門槽凍結(jié)在一起。當(dāng)時(shí)未經(jīng)化冰強(qiáng)行提閘，致使起吊鋼絲繩被拉斷，閘輪拉碎，閘門與門槽均損壞。

1959年1月永定河官廳水庫下游出現(xiàn)冰壩潰決，當(dāng)時(shí)北京三家店攔河閘閘門被冰凍死，無法開閘泄冰，當(dāng)大量冰塊涌入時(shí)，致使大量冰塊堆積在閘前，甚至翻過閘門。在巨大的冰壓力作用下，閘門產(chǎn)生了明顯的變形，影響閘門啟閉的靈活性。

回龍山水庫溢流壩設(shè)有13扇12 m×8.4 m弧形閘門，由于該閘門未采取防冰凍措施，檢查發(fā)現(xiàn)2號閘門向上抬高近3 cm，造成庫水下泄。門的左上角向下游傾斜達(dá)7.7 cm，造成水封與軌道脫離，閘門梁、板等嚴(yán)重變形，閘門開啟及檢修困難。

因此，要重視水閘閘門的冰凍問題。雖然海河流域平原區(qū)水閘在冬季啟閉的機(jī)率不多，但對于冬季有啟閉要求的閘門，如果不采取措施防止凍結(jié)，將會造成閘門不能正常開啟，甚至發(fā)生啟閉機(jī)設(shè)備破壞事故，故必須更加重視這些閘門的防冰凍問題。

5 水閘閘門防冰措施

為了防止水閘鋼閘門凍結(jié)和在閘門前形成冰蓋，影響閘門啟閉或產(chǎn)生較大冰壓力，致使閘門啟閉機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行，就必須采取有效的預(yù)防措施。防冰及防冰凍的方法要根據(jù)閘門布置形式、運(yùn)行工況，以及水溫、氣溫和冰清確定。

首先，閘門在制造時(shí)，應(yīng)選擇具有強(qiáng)度高、可焊性好、沖擊韌性高和脆性轉(zhuǎn)變溫度低等性能的鋼材。在最低氣溫條件下，閘門止水材料應(yīng)保證其物理力學(xué)性能。閘門主輪和弧門支鉸的潤滑劑選用低溫潤滑脂或低溫自潤滑軸承。液壓啟閉機(jī)其液壓油的凝固點(diǎn)應(yīng)低于當(dāng)?shù)厝兆畹蜌鉁?0℃。金屬結(jié)構(gòu)防腐材料選用低溫漆或金屬熱噴涂保護(hù)，封閉漆應(yīng)具有良好的耐低溫性能。

其次，應(yīng)選擇適宜的方法防止閘門前水體凍結(jié)，在閘門前冰蓋上應(yīng)保持有一條不結(jié)冰的水域或條帶水縫。形成不結(jié)冰水域的方法有冰蓋開槽法、壓力水射流法、壓縮空氣吹泡法及保溫板法等。

5.1 冰蓋開槽法

為了防止閘門前水結(jié)冰，在閘門前形成一道不結(jié)冰的溝，溝的寬度一般為0.5～1.5 m即可。過去對于防凍線不長及冰層厚度不大的閘門前沿，多采取人工破冰，或加一道多孔隙性的墊料，以緩沖其冰壓力，有的采取定期澆蒸汽、熱水的方法。機(jī)械開槽可以提高開槽的速度，但仍需人工將碎冰撈出，還需定期循環(huán)作業(yè)，以保持水槽內(nèi)結(jié)冰厚度不大于1 cm。開槽法必須在閘門前冰蓋厚度達(dá)到可以承受雙人冰上作業(yè)時(shí)才能實(shí)施，這種人工方法既不安全，防冰效果又不好，已經(jīng)逐步被其它方法取代。

5.2 壓力水射流法

射流法的原理是將水下溫度相對較高的水通過潛水泵和管路釋放在閘門前，加上放出的水流攪動水體，會在閘門前形成一條不結(jié)冰的區(qū)域。

射流法防冰凍所提供的水溫應(yīng)大于0.4℃，潛水泵的流量可根據(jù)《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL211—2006)中附錄F提供的公式選擇，其揚(yáng)程應(yīng)大于2倍潛水泵放置水深。水中射水管的直徑應(yīng)與潛水泵出口尺寸配套，射水孔直徑一般在3～12 mm，孔距0.50 ～1.0 m，其面積和等于或略小于射水管的面積，射水管一般安裝在水下200～500 mm范圍內(nèi)。此種方法稱為水下射流法。還有將射水管安裝于水面以上的稱為水上射流，又稱噴淋式。

獨(dú)流減河進(jìn)洪閘就是應(yīng)用水下射流法預(yù)防閘門前水結(jié)冰的，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置型式見圖1。進(jìn)洪閘由南、北2閘組成，北閘13孔，閘室總寬度137.9 m;南閘27孔，閘室總寬度287.7 m，每座水閘各設(shè)2套防冰裝置。潛水泵購置4臺，2臺備用，型號為80QW30－15－3，揚(yáng)程為 15 m，流量為 30 m3/h，電機(jī)功率為3 kW。射水管為DN65鍍鋅鋼管，射水孔直徑5 mm，間距為500 mm。安裝時(shí)先將射水管放置在閘底上，此時(shí)固定卷揚(yáng)機(jī)為下極限位置。固定卷揚(yáng)機(jī)安裝在左右岸控制樓內(nèi)，做調(diào)節(jié)射水管入水深度之用。卷揚(yáng)機(jī)為JJMW1型10 kN慢動卷揚(yáng)機(jī)，揚(yáng)程10 m，平均繩速低于4.5 m/min。鋼絲繩鍍鋅，通過省力滑輪組與主鋼絲繩相連。

圖1 獨(dú)流減河進(jìn)洪閘防冰凍裝置Fig.1 Anti-freezing device for the incoming flood sluice of the Duliujian river

橫鋼管布置距離閘門大于3.0 m，入水深度經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)最終確定為30 cm左右，以達(dá)到水泡直徑最大、化冰效果最好的目標(biāo)。入水鋼管左右各有一根鋼絲繩與閘墩頂部的滑輪相連，滑輪的轉(zhuǎn)動可以調(diào)節(jié)橫管的入水深度，滑輪由固定卷揚(yáng)機(jī)帶動。等到不需要射流防冰的季節(jié)到來時(shí)，將橫管提出水面，以不影響水閘的過流。潛水泵的動力電纜引自控制樓，接入自動控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)水泵的遠(yuǎn)程開啟。水泵開啟方式為分組、自動、間斷射流，這些均可通過遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)，而無需人現(xiàn)場操作，實(shí)現(xiàn)了自動化。

此套射流防冰系統(tǒng)在2008年獨(dú)流減河進(jìn)洪閘除險(xiǎn)加固工程實(shí)施后投入使用，其具有施工簡單、耗電量較小;后期維修養(yǎng)護(hù)工作量小，節(jié)省人工及養(yǎng)護(hù)費(fèi)用;射流使用的水源直接取自河道，無需單獨(dú)鋪設(shè)供水管路等優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)行效果良好。

5.3 壓縮空氣吹泡法

壓縮空氣吹泡法的原理是通過深入水中的管路釋放壓縮空氣，利用氣泡驅(qū)動溫度較高的水流射向水表面或冰蓋，形成強(qiáng)烈的紊動水流，使水面冰層融化或抑制結(jié)冰。

壓縮空氣吹泡法防冰系統(tǒng)包括空氣壓縮機(jī)、供氣管、擴(kuò)散管等設(shè)備，要合理選擇以上設(shè)備的型號及材料，以使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最佳的運(yùn)行效果。

壓縮空氣吹泡法防冰系統(tǒng)消耗氣流量一般取0.03 m3/(m·min)，壓力取0.6 MPa。噴嘴淹沒在水下2～5 m，孔徑3 mm。

壓縮空氣吹泡法防冰系統(tǒng)一般將2臺壓縮機(jī)并聯(lián)，互為備用。吹氣嘴距離閘門的距離應(yīng)大于3.0 m，否則會使閘門附近水體含氧量增加，造成閘門的腐蝕速度加快。

西河閘樞紐的節(jié)制閘共6孔，閘室總寬度72.5 m，該閘就是應(yīng)用此法預(yù)防閘門前水結(jié)冰的。其管路的布設(shè)如圖2所示，空壓機(jī)布置在右岸控制樓內(nèi)，型號為SA－22A，共設(shè)2臺。此外還設(shè)置一臺SPE130型移動式空壓機(jī)，為系統(tǒng)備用。供氣總管布置在上下游檢修門槽部位，共2條。

圖2 西河閘節(jié)制閘防冰凍裝置Fig.2 Anti-freezing device for the regulating sluice of the Xihe sluice

系統(tǒng)安裝后要保證膠管處于松弛狀態(tài)，吹氣管等的重量由鋼絲繩承擔(dān)。水位變化時(shí)，可通過拉伸鋼絲繩控制吹氣嘴的入水深度，保證水花最大。吹氣管留有備用吹氣嘴，吹氣嘴口用自行車內(nèi)胎加工成的密封圈密封。每年系統(tǒng)投入運(yùn)行前應(yīng)對各管路進(jìn)行檢修及打壓試驗(yàn)，在結(jié)冰期結(jié)束后，將膠管及其以下部分拆下保存。

此套射流系統(tǒng)在2004年西河閘樞紐的節(jié)制閘除險(xiǎn)加固工程實(shí)施后投入使用，其具有施工簡單、防冰效果良好的優(yōu)點(diǎn)，但該系統(tǒng)與壓力水射流系統(tǒng)相比，其耗電量較大，后期維修保養(yǎng)費(fèi)用也較高。

5.4 保溫板法

此法是將聚苯乙烯塑泡沫鋪在閘門前面，板間應(yīng)緊密連接，不留有縫隙。每塊板的寬度及厚度，根據(jù)結(jié)冰最大厚度及施工要求經(jīng)過計(jì)算確定，其導(dǎo)熱系數(shù)一般小于0.03 W/(m·℃)。一般選用的硬質(zhì)聚苯乙烯泡沫板的寬度為150～300 cm，厚度10～15 cm。

聚苯乙烯泡沫板保溫法在黑龍江省黑河市臥牛河水庫的進(jìn)水塔防冰上成功應(yīng)用。當(dāng)進(jìn)水塔的周圍水體結(jié)冰厚度達(dá)到10～15 cm時(shí)，緊貼塔的四周冰面上鋪設(shè)寬度300 cm、厚度15 cm的硬質(zhì)泡沫板，板間連接緊密，不留縫隙，周圍用模板固定防止位移。經(jīng)過3個(gè)冰期的觀察，當(dāng)?shù)刈畹蜌鉁卦?－32.4～－38.9℃，最大冰厚89～120 cm時(shí)，實(shí)測板下最小結(jié)冰厚度0～5 cm，中間部位板下水體基本不凍結(jié)，保溫效果良好。

天津市潮白新河寧車沽防潮閘共23孔，閘室總寬度199.1 m，該閘也采用此法預(yù)防閘門前水體結(jié)冰。在冬季觀察，在閘門前形成一道不冰凍的區(qū)域，閘門可自由啟閉。

此法的缺點(diǎn)是，在冬季到來前需人工安裝保溫板，冬季過后還需人工拆除。安裝時(shí)，施工工作人員需駕船到閘門前面或是當(dāng)閘門前冰蓋厚度達(dá)到可以承受雙人冰上作業(yè)時(shí)才能實(shí)施，安裝質(zhì)量受人為因素影響較大，且不安全，不能實(shí)現(xiàn)自動化操作。

6 結(jié)語

本文通過對海河流域幾座水閘閘門采取的防冰措施比較，為預(yù)防閘門遭受靜冰壓力破壞及閘門與門槽凍結(jié)在一起，需在閘門前形成一道不結(jié)冰區(qū)域。在此方面，壓力水射流法優(yōu)勢明顯，建議在流域內(nèi)其它水閘工程中推廣使用。其主要優(yōu)點(diǎn)如下:

(1)射流系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，施工簡單，后期維修養(yǎng)護(hù)工作量小，耗電量較小。

(2)射流所用水源可直接取自河道，不用單獨(dú)鋪設(shè)供水管路;閘門及埋件無需額外考慮防腐措施。

(3)射流系統(tǒng)中潛水泵的開啟可在遠(yuǎn)程控制，其操作可在集中控制室完成，節(jié)省人工費(fèi)用。

［1］中國氣象局.中國地面氣候標(biāo)準(zhǔn)值月值數(shù)據(jù)集(1971－2000年)［DB/OL］.(2005－04－25)［2012－07－27］.http://www.cma.gov.cn/.(China Meteorological Administration.Data of Monthly Standard Value of Ground Climate in China from 1971 to 2000［DB/OL］.(2005－04－25)［2012 － 07 － 27］.http://www.cma.gov.cn/.(in Chinese))

［2］蔡 琳，陳贊延，張鎖成，等.中國江河冰凌［M］.鄭州:黃河水利出版社，2008.(CAI Lin ，CHEN Zan-yan，ZHANG Suo-cheng，et al.River Ice in China［M］.Zhengzhou:Yellow River Water Conservancy Press，2008.(in Chinese))

［3］馬喜祥，白世錄，袁學(xué)安，等.中國河流冰清［M］.鄭州:黃河水利出版社，2009.(MA Xi-xiang，BAI Shi-lu，YUAN Xue-an，et al.River Ice Situation in China［M］.Zhengzhou:Yellow River Water Conservancy Press，2009.(in Chinese))

［4］SL 211—2006，水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國水利水電出版社，2007.(SL 211—2006，Code for Design of Hydraulic Structures Against Ice and Freezing Action［S］.Beijing:China Water Power Press，2007.(in Chinese))