1 电站概况

呼和浩特抽水蓄能电站（以下简称“呼蓄电 站”）位于内蒙古呼和浩特市东北部大青山山脉哈 拉沁沟。电站安装4台单机容量为300 MW可逆式 水泵水轮机组。电站枢纽建筑物主要有上水库、水 道系统、地下厂房系统、下水库（包括拦沙库）、泄洪 排沙洞等^[1]。

上水库位于料木山主峰的东北侧，通过开挖和 填筑堆石坝的方式围筑成库，全库盆采用沥青混凝 土面板防渗。上水库于2013-08-08开始蓄水，截至 2013-11-25，已蓄至1907.3 m的高程，满足对初期 蓄水位的设计要求，蓄水量为950 000 m³，水面线周 长约为1.5 km。根据《DL/T 5208—2005抽水蓄能电 站设计导则》^[2]第8.2.5条的规定，在寒冷地区沥青混 凝土面板的初期蓄水宜避开冬季低温时段进行。 因电站所在地的气象条件和蓄水时间安排，要满足 首台机组调试的上水库初期蓄水总量要求，蓄水过 程已跨进冬季并在寒冷季节停顿，因此需要静水位 越冬。 2 气象条件统计

电站所处区域属于中温带季风亚干旱气候区， 具有冬长夏短、寒暑变化急剧的特征。冬季可长达 5个月，漫长而严寒。据呼和浩特市、武川县气象站 实测资料统计，该区域极端最低气温分别为-32.8 ℃ 和-37.0 ℃。1994年7月在上水库附近设立了专用 气象站，其海拔高程为1983 m。专用气象站采集到 的气象资料日期为1994-09—2000-10，观测项目有 气温、湿度、降水、蒸发、风、冻土和地温等。通过专 用气象站与武川县、呼和浩特市气象站各气象要素 建立相关关系，将短系列资料延长，并针对某些不 合理值进行修正；根据地理位置及高程相近等条 件，推算出上水库年平均气温1.1 ℃，年平均最高气 温19.9 ℃，年平均最低气温-21.0 ℃，极端最高气温 35.1 ℃，极端最低气温-41.8 ℃（见表 1）。

表 1(Table 1)

表 1 呼蓄电站上水库历年冬季各月气温平均值统计 ℃

表 1 呼蓄电站上水库历年冬季各月气温平均值统计 ℃

《DL/T 5082—1998 水工建筑物抗冰冻设计规 范》^[3]条文说明中指出：在北方地区，水库的进水塔 架、土石坝护坡、闸门和桩墩结构被冰破坏的事例 亦不少，因此对冰的破坏作用应给以足够重视。呼 蓄电站上水库区域冬季漫长且严寒、结冰严重，极 端情况下冰层厚度可达近1 m，其冰胀作用极具破 坏性。

根据呼蓄电站上水库2013年初期蓄水的实际 安排，上水库库盆范围内将形成冰盖。冰盖随温度 的降低而增厚、膨胀。在冰盖膨胀作用下，库盆护 坡将承受巨大静冰挤压，严重时，可能会引起沥青 混凝土面板开裂或失稳破坏。同时，冰盖在库坡上 形成后，在水位上升或下降时，冰盖会随着水位的 变化而抬升、降落，四周冰层因库坡限制作用，也可 能出现上述破坏现象。 4 结冰状况

2013-11-18，库盆内水面开始出现浮冰；12-02 库盆内水面形成冰盖，冰厚达22 cm，面板阳坡区开 始出现爬坡现象，面板与冰面脱开，局部有冰受膨 胀力挤压破坏和错动现象；2013-12-27，测得库盆 东北角冰盖厚度为43 cm，面板阳坡区冰面爬坡现 象明显，最大爬升高度约1 m，而阴坡区冰面则基本 没有爬坡现象，但是在距面板1~5 m区域有明显的 膨胀挤压错动现象，错动冰层厚度为20~30 cm； 2014-01-07西侧冰盖厚度为63 cm。

从现场冰面爬升和挤压错动现象分析，阳坡区 冰面爬升应是由于面板吸收太阳光热量，致使冰面 与面板接触面融化后，夜间结冰膨胀产生；阴坡区 全天吸收太阳光的热量有限，致使结冰膨胀到一定 程度后产生挤压错动。 5 破冰方案选择

通过对现场结冰过程和冻胀现象的观察，冰盖 随温度变化而膨胀的现象是存在的。为避免沥青 混凝土面板在冰的作用下发生破损，需要采取一定 的工程措施进行越冬防护。 5.1 方案的可行性分析

对于水库库盆冰盖的处理至今还没有成熟、有 效的工程措施。通过调研，有以下3种方案具有可 行性。

（1） 山西省西龙池抽水蓄能电站采用的是人 工破冰方式：每天沿环库周边1~1.5 m范围内人工 开凿50 cm左右的冰槽；冬季最冷时作业较为困难， 采取在阴坡区用10 cm厚聚苯保温板插入水下50 cm的缓冲措施。

（2） 黑龙江省引嫩工程红旗泡水库护岸越冬 防护也采取破冰开槽的方式，并对开凿楔形槽进行 了改进，诱导隆起的冰层沿着斜面向上滑动，也起 到了防护作用^[4]。

（3） 吉林省某水电站的闸门前采用水泵连接 水管的方式来扰动水面，迫使水管周围底层温水和 表层冰水持续交换，达到局部不结冰的效果。

结合上述3种方案，若采用西龙池抽水蓄能电 站的人工凿槽方案，呼蓄电站上水库人工破冰需投 入40—50人，且呼蓄电站工程区比西龙池气候严 寒，遇风雪等不良天气施工更为困难，施工人员、工 器具落水等风险性较高；若采用红旗泡水库的防护 方案增加缓冲区，可适当减少破冰次数，但挤压错 动后水面上升，冰面重新结为一体，膨胀力释放效 果不一定理想；采用水泵扰动水面的方式，在国内 类似抽水蓄能电站应用尚无成熟先例。 5.2 水泵扰水除冰试验

呼蓄电站为避免上水库面冰盖对沥青混凝土 面板造成破坏，进行了水泵扰水除冰试验，以验证 水泵扰水效果。

（1） 2013-12-02，在距库岸较远的位置装设1 台功率为1 kW的水泵，放置在水下1 m；接3.5 m花 管（由外径50 mm钢管改造而成），花管位于冰面以 下。经过24 h的扰动后，发现花管两侧各40 cm范 围内冰已融开（冰厚约22 cm），水泵除冰效果显著。

（2） 2013-12-09，沿库岸再次布置水泵，将花 管延长至30 m，效果同样明显，影响范围为花管两 侧各1 m。

在试验初步成功的基础上，决定采用水泵抽水 扰动除冰的方案：选用功率0.75 kW、扬程26 m的水 泵接30 m花管，环库四周布置除冰。 6 施工方案 6.1 施工程序

除冰施工的主要程序为：

周边冰盖切缝→破冰凿孔→安装水泵扰水→ 安装扰水设施→扰水化冰。 6.2 冰盖切缝

使用油动切割机沿冰盖边缘线内约4 m切缝， 切缝长度以30 m为1个单元依次进行操作，切缝深 度为30 cm左右（切缝过深将使切割机遇水无法工 作）。 6.3 破冰凿孔

在切完30 m后，从最先切缝部位开始凿冰。人 工采用铁钎、铁锤等工具在冰面上开凿50 cm×50 cm方孔，方孔间距约为3 m，并将孔内冰碴清理出 来。 6.4 安装水泵扰水

凿孔完成后，在孔内装设大功率（1.5 kW和2.2 kW）的水泵扰水，加快冰的融化。扰水结束后，水泵 移至下一扰水区域进行扰水化冰。 6.5 安装扰水设施

用水泵扰水后，库盆面板和冰盖之间形成2 m 宽的水槽。将水槽内浮冰清理后，安装功率0.75 kW、扬程26 m的水泵和1套喷水管。喷水管由花管 连接而成，长约30 m；花管采用外径50 mm钢管，按 间距60 cm凿孔。水泵贴库坡安装，花管位于水面 下30~50 cm。 6.6 电路布置

根据扰水设施布置（见图 1）方案，安装3条电缆 线路，电缆1从空压机房变压器处引出至上坝路与 环库路交点，然后沿环库公路北侧直至闸门井平 台；电缆2从修理厂变压器处引出至上坝路与环库 路交点，然后沿环库公路东侧直至主坝中部。电缆 3从空压机房变压器处引出沿706台公路方向至闸 门井平台，然后沿环库公路西侧直至主坝中部；每 条线路上间隔200 m安装1个配电箱（共3个），每个 配电箱控制6套扰水设施。每个控制柜内安装6个 空气开关，每个空气开关控制1套扰水设施。

图 1(Figure 1)

图 1 扰水设施布置示意图

所有水泵、配电箱、喷水设施和电缆等均由周 边绳索网络（见图 2）固定。绳索网络由环形绳索和 若干纵向绳索组成，环形绳索沿水库周围布置于冰 面以上2~3 m，由纵向绳索固定。纵向绳索间距30~ 40 m，一端固定于环库路灯埋管或者地锚，另一端与 环形绳索连接。

图 2(Figure 2)

图 2 绳索网络布置图

设备安装过程中，所有工器具和临近冰面开放 端作业的工作人员均系挂安全绳。 7 结论及建议

从呼蓄电站上水库破冰设施安装和运行过程 来看，采取水泵扰水除冰措施，达到了冰盖与库盆 面板分离的防护效果（见图 3），减少了人员的投入， 降低了风险。针对该措施，提出以下建议。

图 3(Figure 3)

图 3 破冰效果

（1） 水泵安装工作宜尽早进行，最好能在结冰 之前或刚有浮冰时安装，以减少人工破冰工作量； 如果错过此时机，建议在冰盖厚度达到30 cm以上 时再进行安装，并设专项防护措施。不应在冰盖较 薄时安装水泵，因为冰的承载力有限，此时安装风 险较大。在没有形成整体冰盖或冰面没有爬坡之 前，无需启动水泵扰水。

（2） 布置破冰设施时，建议在不同方向设置 3—5个冰面与库盆面板连接点（每个连接点长为 40~50 m）固定冰盖，防止风吹动冰盖撞击破冰设 施。

（3） 水泵运行过程中，必须对水泵运行状况进 行看护，在水泵发生故障时及时进行故障排除，保 证水泵的正常运行。

鉴于本次呼蓄电站上水库库盆冰盖水泵扰水 除冰措施仅经过1个冬季的试验，尚不成熟和完善， 因此该措施仅供参考。