季节性冰冻河流航电枢纽工程防冻防冰问题研究

西部交通建设科技项目合同号：200432800043.季节性冰冻河流航电枢纽工程防冻防冰问题研究黑龙江省航务管理局黑龙江省航务勘察设计院二〇〇七年十二月目录1项目背景.........................................................12项目开展过程.....................................................23项目承担、参加单位...............................................34研究工作内容及实施方案...........................................35项目总体目标.....................................................46项目研究取得的成果...............................................57关键技术及创新点.................................................98依托工程及其与科研结合情况......................................109项目效益........................................................1110应用及推广前景.................................................131项目背景松花江是我国东北第一大内河，是连接黑龙江、乌苏里江、第二松花江和嫩江航运的纽带。上世纪九十年代以来，松花江干流天然来水量呈减少趋势，加之两岸工农业用水量不断增长、人类活动和自然因素影响，又无大型控制性航电枢纽，部分河段枯水期被迫断航，断航天数逐年增加，严重影响到航运事业的发展。1994年国家批复的《辽河、松花江流域水资源综合规划》提出了北水南调方案，提出2000年建设尼尔基水库，2010年建设哈达山水库，两水库向辽河调水65.67×108m3，为解决调水后松花江航运，在松花江干流上拟布设涝洲、大顶子山、依兰、悦来等低水头枢纽工程。松花江属季节性冰冻河流，每年11月下旬封江，翌年4月上旬开江，每年开封江前后有一个月左右的流冰期，封冻期140天左右，流冰与冰冻会给航电枢纽金属结构、建筑物、枢纽通航等带来许多不利的影响，直接影响到枢纽建设和通航期，甚至可能造成水电工程事故、建筑物损坏等，冰冻冰害问题已成为影响枢纽安全运行的亟待解决的世界性重大技术课题之一。《季节性冰冻河流航电枢纽工程防冻防冰问题研究》是2004年度西部交通建设科技项目。项目依托我国季节性冰冻河流建设的首座航电枢纽工程---松花江大顶子山航电枢纽工程，国内首次针对船闸防冰防冻、水库蓄冰处理、枢纽导冰、冰对船闸作用荷载等问题展开研究，以解决依托工程建设中存在的关键技术难题，确保工程建设顺利进行，并为类似工程实践提供技术参考和借鉴。1图1松花江干流航道发展规划图图2松花江大顶子山航电枢纽工程全景图2项目开展过程2004年2月，提交项目立项申请书。2004年10月，可行性研究报告通过了交通部西部交通建设科技项目管理中心组织的专家评审。同月，交通部科教司与黑龙江省航务管理局、黑龙江省航务勘察设计院签订《季节性冰冻河流航电枢纽工程防冻防冰问题研究任务书（合同）》。2005年1月，项目工作大纲通过黑龙江省交通厅组织的专家评审。项目研究过程中得到了交通部主管部门领导及专家的关心与重视，西部项目管理中心多次进行中间检查和具体指导。在项目领导小组的统一领导2下，全体研究单位团结一致，联合攻关，克服了时间紧、任务重、难度大等困难，至2007年6月，按期圆满完成了研究任务。2007年8月31日，项目通过黑龙江省交通厅组织的专题报告专家评审。2007年11月23日，项目通过西部交通建设科技项目管理中心组织的专家验收鉴定，研究成果总体上达到国际先进水平。3项目承担、参加单位项目承担单位：黑龙江省航务管理局黑龙江省航务勘察设计院项目参加单位：天津大学建筑工程学院交通部天津水运工程科学研究所黑龙江省寒地建筑科学研究院研究中，充分发挥建设、管理、科研、生产、设计单位联合攻关优势和研究人员的潜能，充分利用先进的仪器设备、研究手段，各单位做到团结合作，紧密配合。4研究工作内容及实施方案4.1研究工作内容专题一：冰冻河流枢纽船闸防冰措施的研究主要研究内容：①船闸防冰措施研究；②船闸越冬问题研究。专题二：冰冻河流枢纽水库蓄冰处理及导冰技术研究主要研究内容：①枢纽库区蓄冰规律及库区浮冰堆、冰塞成因分析；②枢纽导冰技术研究。3专题三：冰对船闸作用荷载的研究主要研究内容：①研究河段冰的相关力学参数的确定；②冰对船闸引航道导堤堤头作用荷载研究；③冰的膨胀力对船闸闸室的影响研究。4.2实施方案1、技术路线本项目研究紧密围绕依托工程开展研究工作，采用国内外调研、资料整理与分析、理论探讨、原型观测和实验、数学模型计算、物理模型试验研究以及总结提高相结合的技术路线。2、实施方案(1)国内外调研、收集资料；(2)闸门防冻防冰试验、引航道破冰排冰实验及船闸无水越冬试验，研究船闸防冰措施；(3)断面测量、静冰、动冰观测、破冰、导冰实验，研究库区蓄冰处理及枢纽导冰技术；(4)原型冰观测、堤头及桥墩冰荷载试验、闸室数模试验等手段相互验证，研究船闸闸室、堤头冰作用荷载；(5)科研、生产、设计、管理、建设单位联合攻关，充分利用先进仪器设备、研究手段。5项目总体目标（1）本项目在冰冻河流枢纽船闸防冰措施、枢纽水库蓄冰处理及导冰技术方面取得具有创新性的成果，总体达到国际先进水平。（2）研究成果为大顶子山航电枢纽的建设提供可靠的技术支持和保障，初步确定大顶子山航电枢纽船闸闸门防冰措施、闸室和引航道的排冰措施、水库蓄冰处理及导冰技术方案。通过这些措施的实施，在枢纽正常运转期内累计可减少经济损失4000余万元。4（3）研究成果将应用于松花江干流其他枢纽的前期工作和设计中，可节省前期工作量和投资，提高设计效率；（4）在本项目研究过程中，所取得成果及总结的经验将为其他类似冰冻河流的航运开发建设提供技术储备，为航运事业的可持续发展奠定良好基础。（5）本项目部分成果填补了我国在该领域的研究空白，缩短了与其他国家的差距，同时进一步丰富了冰工程理论，为冰问题的研究提供重要的基础理论和数据。6项目研究取得的成果6.1主要研究成果专题一：试验验证气泡喷射装置、潜水泵射流等挠动水面防冻法及电热管加热、电热管外挂法在不同条件下的防冰效果、优缺点、影响因素分析；提出船闸闸室无水越冬和有水越冬方案；提出船闸有水越冬时，开江期闸室及引航道可利用破冰船、人工或机械方法破冰，再利用船舶航行将浮冰带走或其他特殊设备进行排冰。图3气幕法防浮冰试验5图4电热管加热法防冰试验图5气幕法、水泵射流法联合运用防冰试验专题二：封冻期库区断面测量，分析冰花受力及下潜条件，揭示冰盖初步成因、库区蓄冰形成规律；提出水库正常年份时对开封江影响的时间；分析预测枢纽正常运行后年份，封江流冰期间，一是抓住有利时机，通过水库调度适当加大或减少下泄水量，使水面产生较大的浮动，以推迟封冻时间，二是适当控制下泄流量，使泄流平稳，争取“平封”；封冻期间可利用水库调度尽量降低蓄水位，减小水库水面面积和蓄冰量；通过开江期库区现场破冰实验、流动及静浮冰块观测，分析提出为减小封冻对通航保证率的影响，库区破冰合理方式、破冰适宜范围、时机、冰块破碎尺寸等；进行现场排冰实验，提出枢纽正常年份开启舌瓣门排冰，特殊情况下利用泄洪闸导冰的初步方案。6图6库区爆破破冰实验图7库区破冰船破冰实验图8枢纽导冰实验7图9枢纽泄洪闸导冰实验专题三：通过现场冰力学试验，测试分析开、封江期低温冰的弯曲强度、弹性模量、单轴抗压强度等参数。通过堤头冰荷载模拟试验，验证不同的流冰径厚比值、冰流速等限制条件下，直立、斜坡结构物冰的破坏形式和受力；分析评价国内外冰荷载计算公式及松花江公路大桥冰压力计算方法；建立数学模型，运用有限元方法计算闸室冰温度膨胀力，对比、验证公式的合理性。图10现场冰样采集、测试6.2提交主要科研成果报告1、《季节性冰冻河流航电枢纽工程防冻防冰问题研究总报告》；2、《季节性冰冻河流航电枢纽工程防冻防冰问题研究工作报告》；3、《冰冻河流枢纽船闸防冰措施研究报告》；4、《冰冻河流枢纽水库蓄冰处、理及导冰技术研究报告》；85、《冰对船闸作用荷载研究报告》。此外，还有调研、观测、试验、实验、查新等成果、报告。6.3人才培养情况通过项目研究，锻炼了科技队伍，提高了业务水平、综合素质，为西部开发和国家建设培养了人才。项目研究期间，1人申报教授级高级工程师，1人考取硕士研究生。7关键技术及创新点7.1关键技术1、国内首次利用模型现场模拟了闸门在不同气候和水流条件下各种防冰方式的防冰效果，提出闸门在开、封江及封冻期间的防冰技术。2、提出开江期间闸室及引航道的排冰措施及船闸越冬初步方案，并首次应用于依托工程。3、分析枢纽库区冰塞形成机理，弄清了水库蓄冰规律和蓄冰处理的主要方式，提出了减少冰冻对库区通航影响的有效措施。4、提出枢纽导冰方案，利用依托工程验证了特殊情况下运用泄洪闸导冰的效果。5、建立闸室冰盖有限元数学模型，并首次在依托工程船闸闸室冰盖荷载计算中使用，提出了对闸室墙的冰压力进行合理估算的公式。6、建立船闸引航道导堤堤头冰荷载物模试验，验证了垂直和斜面两种结构下各种工况组合情况下的冰荷载。7.2项目研究创新点1、冰冻河流枢纽船闸的防冰措施研究难点：目前国内尚无标准、成熟技术。国外技术较成熟，但均针对特定河流而言。本项目根据松花江、依托工程的特性，国内首次研究船闸闸门防冰技术，无疑是一次重大突破。9创新点：（1）提出季节性冰冻河流枢纽船闸闸门在开、封江运行及封冻期的防冰技术，闸门防冰冻可采用气幕法或水泵射流法，检修门槽防冰可采用循环导热油或防冻液加热法。（2）首次提出船闸闸室及引航道排冰措施，开江时采用破冰船或其他方式先破碎冰盖，再利用船舶往复航行带走浮冰或采取专用设备将浮冰清除；采用蒸汽和热水射流或特殊机械清除闸室浮式系船柱、闸墙或狭窄区域的冻冰。2、冰冻河流枢纽水库蓄冰处理及导冰技术研究难点：国内首次、无成功经验，技术难度大，需要不断摸索和探究。创新点：（1）揭示了枢纽水库蓄冰规律，弄清了水库蓄冰处理的主要方式，提出了通过采取有效措施可减少库区冰冻对通航的影响。研究表明，建库后若不采取蓄冰处理措施，通航期要减少10天以上，通航保证率也会降低。本专题探讨了通过水库运行方式以减少库区蓄冰量、降低对通航期的影响，通过实船跟踪和现场试验，分析库区破冰的时机、范围，在研究方法和技术途径上有所创新。（2）提出了枢纽导冰技术方案，即利用爆破或破冰船将库区上游一定范围的冰盖或大冰排先破碎，再经舌瓣门或泄洪闸排出，特殊年份枢纽需大量排冰时，可利用泄洪闸导冰。8依托工程及其与科研结合情况大顶子山航电枢纽工程位于松花江干流中游、滨州桥下航道里程70km处，控制流域面积43.21×104km2，是一座以航运、发电和改善哈尔滨市水环境为主，兼具交通、水产养殖和旅游等综合利用功能的低水头10航电枢纽工程。由船闸、泄水闸、河床式水电站、混凝土过渡坝段、土坝及坝上公路等组成。水库总库容16.97×108m3，装机总容量66MW；正常蓄水位116.0m，相应库容9.0亿m3，死水位115.0m，死库容6.0亿m3。建设千吨级船闸一座，有效长度180m，有效宽度28m，门槛水深3.5m。总投资28.8亿元。枢纽建成后可改善航道里程128km，对于改善哈尔滨江段的通航、两岸交通、发展库区旅游业、渔业、解决农田灌溉等意义重大。2004年9月开工建设，计划2008年竣工。依托工程为项目研究数据资料采集、现场试验、实验提供了条件，研究成果及时投入应用，二者紧密结合，协调一致。9项目效益9.1经济效益（1）通过开展本项目研究，揭示了季节性冰冻