干管沖水法防結冰對比試驗研究

胡云鶴

（豐滿大壩重建工程建設局，吉林省吉林市 132000）

干管沖水法防結冰對比試驗研究

胡云鶴

（豐滿大壩重建工程建設局，吉林省吉林市 132000）

為有效防止冰凍對豐滿新壩外保溫體系的破壞、提高壩面外保溫體系整體保溫效果及耐久性，設計并研制了單排沖水干管與雙排沖水干管兩套裝置，分別從單排沖水干管法與雙排沖水干管法兩個方案對豐滿老壩壩前防結冰試驗進行探討，對試驗的效果方面進行重點對比分析。試驗結果表明，單排沖水干管法與雙排沖水干管法兩個方案均可達到預期效果，但單排沖水干管法產生的表面流速和不凍水域范圍均大于雙排沖水管法，試驗效果較為明顯，列為首選方案，本次試驗結果可為類似工程提供參考借鑒。

防結冰；對比試驗；干管沖水法

0 引言

豐滿重建工程地處東北嚴寒地區，為減少壩體內外溫差及降低壩面溫度應力，防止碾壓混凝土重力壩危害性裂縫的產生［1］，組織開展了壩前防結冰對比試驗研究，進行防止壩前水面結冰的現場試驗，研究實現壩前全線防冰的技術，旨在防止冰凍對大壩外保溫體系的破壞、提高壩面外保溫體系整體保溫效果及耐久性。

1 試驗背景

1.1 氣溫特征

現場防冰試驗期間，對庫區大氣溫度進行逐日觀測，觀測結果見圖1。

本試驗年度凍結指數為1176.1℃·d，在55個年度系列中的出現頻率為79%，屬于較暖的年份；在最近20年中的出現頻率為52%，屬于中等冷暖年份。

圖1 2013～2014年度冬季氣溫過程線Fig.1 Winter temperature process lines from 2013 to 2014

1.2 庫區水位變化情況

試驗期間，庫水位基本逐日呈直線下降趨勢，庫區水位下降量為3.91m。單日水位降低最大值為0.09m，平均為0.045m/d。其中2014年1月和2014年2月水位下降較大，2月份高達1.51m。自2014年3月13日起，日平均氣溫達到穩定正溫，冬季積雪融化，水源補給，庫水位逐漸升高，單日水位增長約為0.02m左右，觀測結果見圖2。

圖2 2013～2014年冬季庫區水位變化過程Fig.2 Winter reservoir water level change process from 2013 to 2014

1.3 庫區水溫變化及其分布

進入冬季后，隨著氣溫的降低，水面的熱量損失增大，自水面以下水溫因失熱而降低，直至達到某一深度基本穩定。從圖3可見，冬季表層水溫的變化主要在3.0m深之內，而且基本上呈直線降低；3.0m深以下，水溫基本保持不變和緩慢增高。

圖3 冬季庫水水溫的垂直分布Fig.3 Vertical distribution of the reservoir water temperature in winter

2 試驗方案

水庫水溫及其分布和各種冰情現象都是熱力因素作用的結果，并取決于水氣界面上的熱量平衡條件［2］。當界面上的熱損失大于增熱量時，水面開始凍結以達到熱量的平衡。水泵沖水法就是借助較高溫度水的熱力和動力作用增熱達到防止水面結冰的目的［3］-［4］。其作用機理可歸結為：

（1）水泵將一定深度的相對較高溫度的水抽送到表層，提高表層水的溫度，防止冰晶形成。

（2）水泵將水通過沖水干管以相對較高速度噴射到表層，加大表層水體紊流作用，有效防止水面結冰。

水泵沖水法防水結冰系統主要包括潛水泵、沖水干管，以及連接和固定設備如浮筒、連接管、固定架等。本文主要進行了單排沖水干管和雙排沖水干管兩種布置方式的試驗研究［5］。

2.1 單排沖水干管法試驗裝置設計

（1）水泵。選用Qy40.12.2.2型充油式潛水泵，如圖4所示。水泵功率為2.2kW，其參數見表1。本試驗安裝兩臺水泵，其中一臺供作備用和輪換使用，以確保試驗裝置的正常工作和有利于延長水泵的使用壽命。為取得較高溫度的水，水泵的放置深度為水下5.0m。

表1 試驗用潛水泵參數Tab.1 Experiment with submersible pump parameters

（2）沖水干管。沖水干管采用直徑80mm的鋼管，總長18m。沖水干管上按等距80cm打直徑13mm的射水孔，共24個。沖水干管的水下放置深度約0.6m，與大壩壩面的距離為1.0m。

（3）浮筒。用凈空鐵皮桶作為吊住沖水干管的浮筒。綜合考慮水泵與排水干管的總重，及排水干管的受力特點，選用三只浮筒，分別加設在排水干管兩側和中間部位。

（4）輸水管。水泵與排水干管間連接的輸水管選用消防水帶，屬軟連接，既有利于安裝及搬運，又方便檢修；輸水管總長為5m。輸水管進口位于沖水管的中間。為確保輸水管不承受拉力，水泵與排水干管之間用直徑為5mm的鋼絲繩連接，鋼絲繩總長為4.5m。

（5）逆水閥。排水干管與輸水管間加設逆止閥，以防止水回流（見圖4）。

圖4 單排沖水干管法試驗裝置示意圖Fig.4 Single-rowed main pipeline flushing method test device

2.2 雙排沖水干管法試驗裝置設計

雙排沖水干管法所用的水泵、沖水干管、浮筒及其他部件與單排沖水干管法一致，雙排沖水干管法所用的管長均為9.0m，管間的間距為1m，射水孔的間距和孔徑均與單排沖水干管法相同。靠近壩面的沖水干管與壩面的距離亦為1.0m，如圖5所示。

圖5 雙排沖水干管法試驗裝置示意圖Fig.5 Double-rowed water main diagram method test device

3 試驗裝置運行效果分析

3.1 單排沖水干管法運行效果

（1）單排沖水干管法形成的不凍水域。

本方案試驗裝置安裝完成后，于2013年1月3日進行試運行。運行過程中明顯可見各個射水孔部位有水柱噴出水面，最大噴出高度約10cm，同時還可見水面有明顯的紊流作用，隨著氣溫的逐步降低，至2014年1月9日，壩前部分水域形成冰層。此時，開始啟動試驗裝置，24h連續運行。由于此時的冰層較薄，隨著試驗裝置的運行，壩前的冰層即很快融化。

隨著氣溫的進一步降低，至2014年1月14日，庫區冰蓋已基本全部形成，冰層逐漸增厚。這時試驗裝置仍然采取24h連續運行，但由于氣溫處于本年度的最低時期，水面失熱量增大，因而不凍水域的范圍較結冰初期有所縮小。2014年1月28日實測不凍水域寬度為9.73m，長度為28.4m，超出18m沖水管長度約10.4m。

（2）單排沖水干管法對水溫和表面流速的作用。

表層水的紊流作用和水溫的提高是形成不凍水域的根本原因。當冰層進入穩定期，為研究單排沖水干管法運行過程中形成的表層水溫和流速狀態，進行了冰層穩定期間的表層水溫和流速的測量。

1）水溫及其沿深度分布。

水溫測量采用電阻溫度計，測點間距為0.5m，最大測量深度10m。

從圖6可見：

a.受潛水泵抽取的較高溫度水的混合作用，表層水溫明顯提高。表層1.0m范圍內雖受外界氣溫作用較大，但水溫仍然達1.0～2.0℃，1.0m深以下則保持在2.0℃，基本接近水泵抽水深度的水溫。

b.結冰區表層下面的水溫及其分布比結冰前稍有降低，但基本相同。水深3.0m以下則與不凍區基本一致，保持在2.0℃左右。這也進一步說明，凍結外界氣溫對水溫的影響深度主要在3.0m深之內。

c.根據抽水情況下的水溫沿深度分布，可以認為，潛水泵的放置深度大于2.0m后即可達到上述的水溫狀態。

2）表面水流速及其分布。

從圖7可見，受沖水管射流孔出水的高速水流作用，除前述的射流中心產生噴出水面的水柱外，還在寬度方向產生橫向水流。射流中心最大流速0.2m/s，并隨寬度的增加逐漸降低，距離沖水管8.0m處的流速降低至0.05m/s。這種流速的分布與前述不凍水域的寬度基本相應。由于受流速儀測量范圍的限制，未能測得8.0m寬度以外更低的流速，但可根據前述不凍水域的寬度和圖8認為，零流速的位置距沖水管約9.7m，再加上沖水管至壩面1.0m的距離，不凍水域的總寬度為10.7m。由此可見，在本年度最冷期間本試驗方案所產生的射流作用能夠在壩前形成近11.0m的不凍水域，滿足所需的防冰要求。

圖7 單排沖水干管法的表面水流速沿寬度分布Fig.7 Surface water flow velocity distribution along the width of single-rowed main pipeline flushing method

3.2 雙排沖水干管法運行效果

（1）雙排沖水干管法運行狀態形成的不凍水域。

2013年1月3日進行了試運行。當設備啟動后，可見表層水紊流作用明顯。2014年1月9日，壩前部分水域冰層初步形成，試驗裝置開始24h連續運行。由于結冰初期冰層較薄，加之雙排沖水干管法平行兩排射流孔增大了射流作用，壩前的薄冰很快融化，形成的不凍水域也比單排沖水干管法形成的寬度大。庫區進入封凍期后，冰層較厚，水面失熱量增大，不凍水域的范圍縮小。2014年1月28日，實測不凍水域寬度為8.2m，長度為15.5m，較沖水管長度（9m）長6.5m。

（2）雙排沖水干管法對水溫和表面流速的作用。

1）水溫及其沿深度的分布。

從圖8可見，不凍區水體溫度與結冰區水體溫度皆隨深度的增加而有所升高。水深小于3m時，溫度變化較大，其中不凍的試驗區由于受潛水泵抽取的較高溫度水的混合作用，深1.0m以下仍保持在2.0℃左右；凍結區冰層底面以下的水溫則與結冰初期相似，僅稍有降低。深度3～8.5m范圍內水溫基本保持在2.1℃；水深大于8.5m時，水溫有所增長，但幅度很小。雙排沖水管法和單排沖水管法對水溫的作用差別不大。

圖8 雙排沖水干管法水溫沿深度分布Fig.8 Water temperature distribution along the depth of double-rowed main pipeline flushing method

2）表面水流速及其分布。

由圖9可知，表面水的流速隨寬度的增加逐漸降低。距離沖水干管8.0m處的流速值近乎為0.0m/s，這與前述本試驗方案形成的不凍水域寬度距離沖水管8.2m相一致。

圖9 雙排沖水干管法表面水流速沿寬度分布Fig.9 Surface water flow velocity distribution along the width of double-rowed main pipeline flushing method

比較上述單排沖水管法的表面流速及其分布可見，兩者的分布規律基本相同，但雙排沖水干管法的表面水流速比單排沖水干管法較小，相差最大約0.06m/s，致使其形成的不凍水域的寬度減小。再加上雙排管的長度比單排管短一半，在同樣功率下形成的不凍水域長度較單排管法短12.9m，因此雙排管法與單排管法相比不具有優越性。

3.3 試驗裝置運行方式試驗

為研究不同運行制度對防冰效果的影響，尋求經濟有效的水泵運行方案，進行了三個時段，全天運行、間歇運行和停機三種運行方式的試驗。試驗結果見表2。

表2 水泵沖水法試驗裝置運行試驗參數Tab.2 Blunt water pump test device to run test parameters

2014年1月13日至2月27日，水泵沖水法全天運行，共計41天。運行期間的日平均溫度最低為–21.0℃，平均為–13.1℃。

2014年2月28日至3月10日歷時11天采取間歇運行方式。自18∶30至次日早8∶30共14h開機運行，早8∶30至傍晚18∶30共10h停機，即水泵夜間運行，白天溫度升高，停止運行。這期間日平均氣溫最低值為–9.8℃，平均值為–7.4℃。從試驗過程中可見，白天停機后，受外界負氣溫的作用，水表面形成一薄冰層，但在再次啟動水泵運行后5min內，薄冰層即逐漸解體，直至全部融化，如圖10所示。

圖10 水泵沖水法間歇運行期情況Fig.10 Blunt water pump intermittent operation period

2014年3月11日日平均氣溫為–2.5℃，此時開始停機。觀察發現，當日平均氣溫高于–3℃時，白天氣溫高于零度，夜間負溫時水表層結冰，白天溫度升高后自動解凍。且此時段，庫區冰層逐漸融化，進入解凍期。由此可以認為，當日平均氣溫達到–3.0℃左右時防冰裝置即可停止運行。

4 結論

（1）水泵沖水法試驗裝置簡單，易于加工、安裝，且效果較為明顯。無論是單排沖水干管法還是雙排沖水干管法均能明顯提高表層水溫，使深1.0m以下的水溫始終保持在2.0℃左右；但從試驗數據來看，單排沖水干管法產生的無論是表面流速還是不凍水域范圍均大于雙排沖水干管法。因此，在今后的試驗和使用中均應優先采用單排沖水干管法。

（2）受水溫提高特別是表面流速的作用，壩前形成寬闊的不凍水域。單排管和雙排管法形成的不凍水域寬度分布為10.7m和9.2m，長度分別為28m和15.5m。由此說明，水泵沖水法完全可以超出所需的防冰要求。

（3）水泵沖水法試驗裝置的運行方式宜根據氣溫適時調整。當日平均溫度低于–10℃左右時可全天運行或適當的間歇運行，當日平均溫度在–10～–3℃之間時可采取間歇運行，當日平均氣溫高于–3℃左右時即可停止運行。

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胡云鶴（1985—），男，工學碩士，工程師，主要研究方向：水利水電建設管理。E-mail：yunhe-hu@sgxy.sgcc.com.cn

Comparison of Experimental Research of Main Pipeline Flushing Anti-icing Method

HU Yunhe
（Feng Man Dam Reconstruction and Project Construction Bureau，Jilin 132000，China）

This paper to analyze the experimental of anti-acing of front of Feng Man Old Dam from single-rowed main pipeline flushing method and double-rowed main pipeline flushing method respectively, especially focus on the correlation analysis of the experimental effect.According to the experiment, either one would do the trick.But no matter the surface velocity or the range of the unfrozen water, single-rowed main pipeline flushing method is better than double-rowed main pipeline flushing method.As the results of such experiments, single-rowed main pipeline flushing method is preferred.The research results can provide a reference for similar projects.

Anti-icing; Comparative test; Pipeline flush method

TV34

A 學科代碼：570.2510

10.3969/j.issn.2096-093X.2016.05.014