潜孔泄洪闸弧形闸门防冰冻设计研究与应用

丁晓利 祁林攀

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司 陕西西安 710065）

摘 要：班多水电站自2011年5月3台机组全部投产发电以来，因当地冬季地域气温持续较低，导致电站每年冬季泄洪闸门后结冰严重。由于电站库容较小，机组全停时需开启泄洪闸泄水以保障水库运行安全。泄洪闸弧形闸门原设计无冬季运行要求，未设防冰冻设施，需采取经济合理的措施解决泄洪闸门后冰冻问题，从而消除电站冬季特殊情况不能及时泄流的安全隐患。班多水电站泄洪闸弧形闸门为潜孔，建成前埋件未预设加热装置，闸门下游为敞开式，受寒冷的冰冻天气影响大，防冰冻难度较大。针对其特殊情况，2014年冬季在班多水电站泄洪闸弧形闸门右孔研究并实施了“电加热+保温”的防冰冻试验，采用电热管对用保温棚封闭后的弧形闸门进行空间加热试验，试验阶段泄洪闸右孔保温棚内基本无结冰，成功解决了泄洪闸弧门冬季运行防冰冻的难题。

关键词：弧形闸门 防冰冻 潜孔 电加热 保温 防冰冻试验

班多水电站为黄河干流龙羊峡上游茨哈—羊曲河段的第二个梯级电站，上接茨哈峡水电站，下接羊曲水电站。班多水电站冬季结冰期为11月中旬到次年3月中旬，结冰期多年平均极端最低气温—20℃，库区冰盖厚度为600～700mm。电站自2011年5月3台机组全部投产发电以来，由于冬季地域气温持续较低，导致电站每年冬季水库及泄洪闸门后结冰。如电站冬季遇到线路故障无法送出，机组将被迫停机，加之电站库容较小，机组全停时需开启泄洪闸泄水以保障水库运行安全。

班多水电站泄洪闸共3孔，沿水流方向每孔设一道事故闸门和一道弧形工作闸门，弧形闸门孔口尺寸（宽×高）7m×13.3m，设计水头40m，半径21m，由4000kN/800kN液压启闭机启闭。冬季泄洪闸弧形闸门正常挡水时，门后顶、侧及底水封不同程度的存在一定漏水，致使弧门水封与门槽结合处出现结冰累积，从而无法正常启闭。泄洪闸弧形闸门为潜孔，原设计无冬季运行要求，且弧形闸门门后为敞开式，防冰冻难度较大，国内尚未发现类似工程实例。故需要研究经济合理的措施消除冬季泄洪闸门后的结冰，以解决电站冬季特殊情况不能及时泄流的安全隐患。

1 技术难点

班多水电站泄洪闸从2010—2013年每年冬季曾采取过各种防冰冻措施，如人工刨冰法、小太阳加热法、热水化冰法、蒸汽化冰法和加密提落闸门法等，投入人力、物力较大，但效果欠佳，未能有效解决泄洪闸门后冰冻问题。实际上，闸门防冰冻一直以来是困扰诸多严寒地区水电站运行人员的难题，而班多水电站泄洪闸弧形闸门防冰冻又有其特殊情况，需关注以下技术难点：

（1）泄洪闸弧形闸门为潜孔闸门，国内常规闸门防冰冻方法主要是针对表孔闸门。潜孔闸门防冰冻主要部位为闸门四周顶、侧及底水封下游与门槽结合处。闸门上游一般对应库区深层高于0℃水温，不存在防冰冻问题。潜孔闸门顶水封及转角处由于水头高、水封结合及安装偏差，容易形成较大的漏水量，是防冰冻的难点部位。

（2）班多电站泄洪闸弧形闸门孔口尺寸大，且下游门槽为敞开式，受冬季低温天气影响条件较大。闸门门后漏水在敞开的外界低温环境下极易结冰，采用融冰和加热措施时热损耗较大。

（3）对于弧门最直接有效的防冰冻方法，是在埋件中设置加热装置防止门叶与门槽之间冻结在一起。班多电站泄洪闸弧形闸门原设计无冬季运行要求，闸门埋件未预埋加热装置，现闸门已建成投运，埋件防冰冻改造难度较大。

（4）班多电站泄洪闸冬季气温低，闸门孔口大，不同部位高差大，工作环境差，防冰冻措施应避免室外和高空作业，选用经济合理，安装、运行和维护方便，相对低能耗的防冰冻方案。

2 方案研究

根据GB/T 50662—2011《水工建筑物抗冰冻设计规范》要求：①需要在冰冻期间操作的闸门，除其止水应尽量严密外，尚应采取保温或加热措施，使闸门与门槽不致冻结；②严寒地区的泄洪洞和排沙洞出口的工作闸门的闸门室和启闭机室，应采取采暖保温措施，且在闸门下游洞的出口处宜设置保温门或挂保温帘封闭；③在零度以下气温清除门叶上的结冰和门叶与门槽之间的结冰时，应采用加热化冰的方法除冰，不应采用人工打冰方法除冰或压力蒸汽化冰；④加热元件可采用电热缆、电热管等，并应配置具有温控和保护功能的控制柜或控制箱。

国内常用的闸门防冰冻方法中，人工机械破冰法可实施性差；热油法和热管法在埋件中使用多，且需铺设较复杂的管路，占用空间较大，对于班多泄洪闸已建成的情况不适用；压力空气吹泡法和压力射流法适用于表孔，班多泄洪闸为潜孔，同样不适用。结合泄洪闸防冰冻的经验和教训，除考虑采用一定的保温措施外，需在弧门门体部位研究其防冰冻方法，选择合适有效相对低能耗的防冰冻设施，确定合理的防冰冻保温方法和保温范围，解决闸门后顶、侧及底水封下游与门槽结合处冻结问题。通过研究和筛选我国东北、新疆和西藏寒冷地区闸门的防冰冻实例，结合历年防冰冻实践，针对班多泄洪闸弧形工作闸门的特殊情况，提出了“电加热+保温”的防冰冻方案。

2.1 电热法

电热法是在闸门门体和门槽埋件设置导电材料，利用导电材料通电发热来融冰，电热法一般均要求配置具有温控和保护功能的控制柜或控制箱。适合班多泄洪闸弧门的电热法有发热电缆法、电热管加热法和热板加热法，其优缺点见表1。

2.2 保温法

保温措施是弧门防冰冻必备的辅助措施，一方面可减缓闸门的结冰速度，另一方面可减少封闭空间的热量散失，保温措施可分层次设置。

（1）加热元件后保温。当采用加热元件对防冰冻部位进行针对性加热时，为减少电加热产生的热量散失，在加热元件后铺设苯板等导热系数小的材料，使加热产生的热量尽量保留在防冰冻部位。

（2）闸门后保温。利用弧门梁格为基础搭建封闭闸室保温棚，用棚布对整个闸室进行覆盖形成温室以减少热量散失，减小空间温度降低速度，从而达到防冰冻的目的。

保温棚设计成与泄洪闸弧形闸门连接为一体，在不影响闸门正常启闭的情况下，达到保温的目的。保温棚设计合适的空间和强度，既能保证一定的保温效果，又能避免泄洪时被水流破坏。

3 方案分析

3.1 功率计算

根据（GB/T 50662—2011）《水工建筑物抗冰冻设计规范》附录E，门叶电热法防冰冻应采用连续加热，其所需的总功率应包括通过门叶面板向过冷水中传热、通过门叶钢板向冷空气传热和通过保温板向冷空气传热所需的功率。

（1）考虑顶、侧及底止水漏水，闸门四周因漏水形成的过冷水带，通过门叶钢板向过冷水中传热所需的加热功率可按下列公式计算：

N ₁=K_sw(t_c—t_ws)A_w

=0.233×[6.0—(—0.1)]×2.6=3.7(kW)

A_w=7×0.03+7×0.068+2×15.58×0.06=2.6(m²)

式中 N₁——通过门叶钢板向过冷水中传热所需要的加热功率，kW；

K_sw——由门叶钢板向过冷水中的传热系数，K_sw=0.233kW/（m²·℃）；

t_c——门叶内部空气加热温度，t_c=0.3×|t_k|=0.3×20=60 （℃）；

t_k——设置地点的极端最低温度平均值，t_k=—20；

t_ws——过冷水温度，计算采用t_ws=—0.1℃；

A_w——门叶钢板与过冷水接触的面积，m²。

（2）如门后加热装置不考虑保温，则整个弧门面板直接向空气传热，通过门叶钢板向冷空气传热所需的加热功率可按下列公式计算：

N ₂=K_sa(t_c—t_k)A_a

=0.025×[6.0—(—20)]×109.1=70.9(kW)

A_a=7×15.58=109.1(m²)

式中 N₂——通过门叶钢板向冷空气传热所需要的加热功率，kW；

K_sa——由门叶钢板向冷空气的传热系数，K_sw=0.025kW/（m²·℃）；

A_a——门叶钢板与冷空气接触的面积，m²。

（3）如门后加热装置考虑保温，则整个弧门面板直接向门后保温板传热，通过门叶保温板向冷空气传热所需的加热功率可按下列公式计算：

N ₃=K_pa(t_c—t_k)A_p

=0.007×[6.0—(—20)]×109.1=199(kW)

A_p=7×15.58=109.1(m²)

式中 N₃——通过门叶保温板向冷空气传热所需要的加热功率，kW；

K_pa——由门叶钢板向冷空气的传热系数，K_sw=0.007kW/（m²·℃）；

（4）门叶内加热所需的总功率可按下式计算：

N=K(N₁+N₂+N₃)

式中 N——门叶内加热所需的总功率，kW；

K——安全系数，K=1.2。

不考虑门后加热装置保温时，门叶内加热所需的总功率为

N=K(N₁+N₂+N₃)=1.2×(3.7+70.9+0)=89.5(kW)

考虑门后加热装置保温时，门叶内加热所需的总功率为

N=K(N₁+N₂+N₃)=1.2×(3.7+0+19.9)=28.3(kW)

由以上计算可知，防冰冻考虑保温与否所需要的加热功率差别极大，因此保温是闸门防冰冻必备的辅助措施。另外，门叶内部空气加热温度、设置地点的极端最低温度平均值和传热系数是影响计算功率的重要因素。

3.2 方案设计

3.2.1 热板加热

班多泄洪闸弧形闸门热板加热装置包括止水加热装置和面板加热装置，止水加热装置可防止顶、侧及底水封与门槽结合处因少量漏水而产生结冰；面板加热装置通过加热四周止水附近的区格，一方面将热量流向止水附近加强融冰的效果，另一方面与门后的保温装置一起形成一个相对封闭的温室空间，减少外界寒冷气候的影响。

图1 止水加热装置热板设置图（单位：mm）

止水加热装置分顶止水、侧止水及底止水三部分，均在水封附近设置热板加热装置，达到止水橡皮与埋件不结冰的目的，具体设置位置见图1。

面板加热装置也分顶、侧及底止水三部分，具体布置和面板背后热板加热装置结构见图2。

图2 面板加热装置及背后热板加热装置图（单位：mm）

3.2.2 发热电缆加热

班多泄洪闸弧形闸门发热电缆加热装置，主要考虑在门叶后区格大面积铺设发热电缆，在关键部位埋设温度传感器，将动力电缆和控制电缆从支铰沿支臂通到闸门背后的发热电缆装置，实现发热电缆加热装置的控制，见图3。根据计算需要的功率，门叶背后除中间少部分区格外，其他区格全铺设发热电缆。

图3 面板后发热电缆加热装置图（单位：mm）

3.2.3 电热管加热

班多泄洪闸弧形闸门电热管加热装置，主要是在靠近顶、侧及底水封附近区格安装电加热管，再设置保温层、保护层等，通过电热管加热将热量集中在四周止水附近的区格，从而达到防冰冻的效果。

电热管加热法简单易行，成本低，局部加热效果明显，但单个加热管功率基数较大，因此主要在靠近顶、侧及底水封附近的主要区格设置电热管，再敷设石棉网隔反热，再敷设苯板保温，最后通过盖板保护加固，见图4。电热管之间采用并联连接，在关键部位埋设温度传感器，将动力电缆和控制电缆从支铰沿支臂通到闸门背后的电热管加热装置，实现加热装置的控制。

图4 面板背后电热管加热装置

3.2.4 热板止水加热+门后发热电缆加热（或门后电热管加热）

由于热板发热元件造价偏高，综合热板和发热电缆（或电热管）的优点，将热板止水加热和发热电缆（或电热管）相结合，用于班多泄洪闸弧形闸门防冰冻，达到节省投资的目的。

班多泄洪闸弧形闸门防冰冻，各种电热法方案及估价见表2。通过对各种方案和报价比较，班多泄洪闸弧门防冰冻推荐采用发热电缆法、电热管法和热板法，保温法推荐采用发热元件苯板保温和门后保温棚保温。电加热装置在外界气温低于设定温度时启动并连续加热，在高于设定温度时可间断加热或暂停加热，再通过配套的苯板保温及保温棚，将产生的热量保留在防冰冻需要的空间范围内，维持空间温度不低于设定值，从而达到防冰冻的目的。

4 试验

2014年12月对班多水电站泄洪闸弧门右孔进行了闸门后电加热和保温棚保温试验。电加热采用电热管，保温棚是以弧形闸门梁格和支臂为基础搭设并与弧形闸门一体运动，在不影响弧形闸门正常启闭的前提下，对整个闸门门后空间进行封闭保温。电热管设置在保温棚底部，对保温棚进行空间加热试验。试验分为两个阶段，第一阶段为电加热和保温同时进行，测试电加热装置和保温棚的综合防冰冻效果；第二阶段为关闭电加热装置，测试保温棚单独作用的防冰冻效果。考虑到电加热功率计算偏于保守、能耗问题等，试验投入的功率仅为4.5kW。经过两阶段的试验，取得了丰富的数据和资料，验证了“电加热+保温”方案的合理性，达到了预期的试验目的。

（1）“电加热+保温法”第一阶段试验，图5为试验测得的保温棚内外温度数据，在最低温度-14.5℃环境条件下，泄洪闸弧形闸门门后保温棚内温度维持在冰点左右，基本无结冰，即 “电加热+保温法”可以解决泄洪闸冰冻问题。

图5 2014年冬季试验保温棚内外温度变化图

（2）保温棚经无水和动水提落门试验，试验后检查完好，能够和闸门一起整体运动，即利用弧门梁格为基础搭建的封闭闸室保温棚，不影响原闸门的正常启闭。

（3）第二阶段试验关闭加热装置以后，保温棚内结冰情况开始加重，底坎处尤其严重。“保温法”效果虽然显著，但“电加热”必不可少。

5 结论

（1）针对班多水电站泄洪闸弧形工作闸门已建泄洪潜孔敞开式的特殊情况提出的“电加热+保温”的防冰冻方案，安全可靠、技术先进、经济合理，能够确保弧门在冬季的正常启闭。

（2）保温措施是弧门防冰冻必备的辅助措施，合理的保温措施能够有效降低封闭空间的热量散失速度，减缓闸门的结冰速度。利用弧门梁格为基础搭建的封闭闸室保温棚和闸门一体运动，既不影响闸门的正常启闭，又达到了显著的保温效果。

（3）闸门漏水量是影响冰冻问题的一个关键因素，实施防冰冻方案前对闸门水封进行彻底检修或更换以减小漏水量。

（4）考虑环境温度随时间的波动性及门叶电热法是采用连续加热，GB/T 50662—2011《水工建筑物抗冰冻设计规范》附录门叶电热法计算公式中极端最低温度平均值较为保守，建议根据冬季日平均温度的最低值参考取值。另外，考虑结冰点和试验数据，门叶内部空气加热温度在0℃左右时即能保证基本无结冰，达到闸门正常启闭的目的，因此按0～1℃取值更为合理。

（5）电加热设计可根据试验结果与理论设计的偏差，采用合适的加热装置功率配置，再考虑根据不同室外环境温度实现加热系统自动化控制，环境温度低时多投入功率，环境温度高时少投入功率或停止加热，从而达到节能的目的。

（6）闸门防冰冻目前在国内电站运行过程中仍是一个比较普遍和棘手的问题。本文所述防冰冻方案是针对班多水电站泄洪闸弧形工作闸门已建泄洪潜孔敞开式的特殊情况制定的，其他情况建议设计时在闸门埋件中设置加热装置化冰。

参考文献

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