斯木塔斯水電站大壩面板及止水除冰方法探索

王嘉寧

摘要：大壩面板及止水是面板堆石壩重要的防滲體，為庫區大壩安全蓄水提供保障。新疆昭蘇冬季結冰期長，斯木塔斯庫區最深冰層達0.7m以上。如果不采取除冰措施，冬季庫區水位變化，會對大壩面板及止水造成破壞，降低面板及止水防滲能力，對大壩安全運行造成嚴重影響。因此，冬季必須在結冰的大壩面板及止水前采取除冰措施，避免面板及止水損壞。

關鍵詞：水電站;大壩面板;除冰;止水帶;

1項目概況

斯木塔斯水電站的開發任務單一，主要為發電。水電站建成后在系統中的作用是向伊犁電網供電，冬季在系統中承擔調峰作用，夏季在基荷工作，向電網輸送季節性電能。

斯木塔斯水電站以上流域面積2364km2，壩址處多年平均流量45.66m3/s，多年平均徑流量為14.41×108m3。斯木塔斯水電站裝機容量110MW，年發電量3.165億m3，保證出力10.8MW。

2主壩特征參數

1.壩軸線方向與河流大致正交。擋水建筑物采用混凝土面板堆石壩，最大壩高101.00m，壩頂寬10m，壩長147.80m，上游壩坡采用1：1.6。壩頂上游側設防浪墻，墻頂高出壩面1.2m，防浪墻采用“L”形結構，墻高3.70m，墻底高程1932.0m，高于正常蓄水位2.0m。墻體上游迎水面為垂直面，墻體厚度0.5m，底板厚度0.5m，寬度3.5m。

2.面板結構縫表層止水結構

主壩混凝土面板結構縫在其頂部設“V”型槽口，槽口內埋設PVC棒，填充GB、GBW填料，上部鋪設三元乙丙橡膠板，兩側采用不銹扁鋼壓緊，用螺栓固定。其中1895高程以下采用膨脹螺栓，1895高程以上采用沉頭螺栓。

結構圖如下：

3運行期觀察數據

根據斯木塔斯水電站調度運營情況記錄表顯示自2017年12月1日～2018年3月26日期間，入庫平均流量由12m?/s逐步降至7.0m?/s，最高水位出現在2017年12月15日，水位為1929.30m。

根據運營記錄顯示，2017年12月15日～2018年3月26日，冬季一臺小機組發電運行，機組發電（負荷為0.7萬kW），水位由1929.30m逐步降至1926.36m，歷時101天，日平均氣溫為-12.07℃，冰層厚度55～70cm，水位下降高度為2.94m，水位平均下降速度為0.0291m/d。

水位下降過程中巡視檢查發現大壩水位下降區間表層止水均有不同程度損壞，大壩右岸靠近山體部分15#、16#面板部分表止水破損較嚴重。分析主要原因為右岸靠山體側為陰面，冰層厚達70cm，冰面下降對止水橡皮破壞較強。

4除冰方法探索

斯木塔斯水庫每年11月底開始結冰，次年4月初冰層開始消融，結冰期為5個月，其中冰層最厚達70cm。在庫水位下降過程中，庫冰不能和面板及時脫離，從而造成較大的拖曳力作用于面板上。此外，由于冰面和面板表層止水橡膠板相粘接，在與面板連接的冰層發生傾覆時，往往會將和其粘連的表止水橡膠板撕扯掉，造成面板裂縫和部分表層止水的損壞。為保證大壩面板及止水完好，安全運行，結合電站實際情況，研究探索出以下幾種破冰方法，具體如下：

4.1人工破冰法

人工破冰就是使用冰鎬、冰鉆、鋼釬、漏勺等工器具將結冰層打開，達到冰層與面板止水表面分離，形成不結冰帶。優點：保證率高，受環境影響較少。缺點：工作環境艱苦、具有一定的風險性、勞動強度大、工作效率低。

4.2水泵擾動融冰法

采用潛水泵抽取庫區冰層下一定深層溫度的水，融化水面結冰，水面保持涌動達到清除水面結冰的目的。優點：成本低、易維護、易操作、效率高、可重復使用。缺點：管路長、泵體重、作業面大。

4.3機船破冰法

在水庫水面結冰初期，未產生破壞大壩面板的冰拉力、冰壓力時，將機船開至庫區迎水面結冰區，利用機船的推力將冰層撞開，并要保持形成不結冰帶，達到破冰的要求。優點：效率高、受到外界環境的影響很小。缺點：費用高、受水域和水工建筑物的制約、巡更值班頻繁、安全風險大。

4.4氣泡融冰法

用空壓機、輸氣管、電氣控制等設備，向庫區冰層下輸入空氣，通過水下設備裝置產生無數個微小氣泡，水泡浮出水面后爆裂，擾動水面形成涌態，達到融冰不結冰的目的。優點：無污染、融冰范圍穩定、自動化程度高。缺點：管線長、布點多、安裝及維護困難、投資成本高。

4.5射流曝氣融冰法

利用潛水泵產生的水流經過噴嘴形成高速水流，在噴嘴周圍形成負壓吸入空氣，經混合室與水流混合，在喇叭形的擴散管內產生水汽混合流，高速噴射而出，夾帶許多氣泡的水流在較大面積和深度的水域渦旋攪拌，達到融冰的目的。優點：水氣混合率高、無需管路、擾動范圍大、投資成本低、節能環保。缺點：融冰范圍無規則。

4.6槽盒隔離法

槽盒隔離法是指在止水橡皮表面增設一副鋼制槽盒，使得冰層與止水橡皮相隔離的方法，防止降水位時巨大的冰塊對止水橡皮發生擠壓和碰撞，該方法原理比較簡單，屬于外部保護措施，可配合其他方法一起使用。

鑒于幾種融冰方法的比較分析，射流曝氣法融冰投資成本低、融冰范圍大、低噪音、無污染、而且在安裝和維護上不受水面變幅的影響，完善自動化控制，實施遠方監控，便于庫區安全運行管理。

5射流曝氣融冰法介紹

射流式潛水曝氣機由浮箱、潛水電泵、進氣管、電控系統與噴射器組成，從而使水體攪動與空氣吸入同時進行，既可獲得較高的空氣吸收率，又具有葉輪無堵塞的優點。強有力的單向液流，造成有效的對流循環，且電機負荷隨水位的變化很小，安裝簡單。

利用潛水泵產生的水流經過噴嘴形成高速水流，在噴嘴周圍形成負壓吸入空氣，經混合室與水流混合，在喇叭形的擴散管內產生水氣混合流，高速噴射而出，夾帶許多起泡的水流在較大面積和深度的水域內渦旋攪拌，完成曝氣，并且其軸功率不隨潛水深度的變化而變化，進氣量可以調節。正因為如此，射流式曝氣機可以在水位變化較大的庫區融冰進行探索和應用。

探索研究結論：

根據冬季觀察及試驗數據分析，射流曝氣除冰法在斯木塔斯水電站水庫試驗中，在-15℃實際表明該設備運行時的有效防冰區域為15m-25m，在極寒天氣-30℃，有效防冰區域能夠達到10m-15m，且成本較低，耗電量小，可實現自動定位、自動控制，并能適應不同的水位變幅。通過試驗，主壩面板止水前6-10米范圍內無結冰現象，除冰面積達1400㎡，保障了斯木塔斯水電站大壩面板止水不受損，解決了冰凍對大壩面板及止水構成的安全風險。

參考文獻

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