南水北調中線渠道建筑物排冰閘攔冰索設計

孫 斌

（河北省水利水電第二勘測設計研究院 河北石家莊 050021）

南水北調中線渠道建筑物排冰閘攔冰索設計

孫 斌

（河北省水利水電第二勘測設計研究院 河北石家莊 050021）

南水北調中線總干渠邯邢段設計全年輸水，冰期運行時需要采取適當的控冰措施。本段渠道建筑物設計采用攔冰索控冰。攔冰索是一種浮式控冰結構，類似于懸索結構。南水北調中線邯邢段渠道渡槽排冰閘攔冰索還存在流量較大、布置角度與總干渠中心線斜交等問題，這些都為設計、計算帶來一定的難度。目前對攔冰索的設計標準尚未統一。本文通過具體的工程設計，給出了攔冰索的構造，并提出了渡槽排冰閘前攔冰索的平面布置原則、荷載分析方法，并介紹了基于懸鏈線理論的渡槽排冰閘攔冰索受力分析方法、攔冰索固定端設計方法、運行管理設計等，為同類工程的設計提供一定的參考和借鑒。

控冰結構 淹沒度 拖曳力 靜水壓力 懸鏈線理論 固定端 安全長度

南水北調中線工程總干渠邯邢段總長171.726km，起點為冀豫交界處的漳河北岸，穿越邯鄲、邢臺兩市，終點為邢石交界的東瀆村。

該地區屬暖溫帶大陸性季風氣候，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨。年平均氣溫12.8℃，極端最低氣溫-19.9℃，極端最高氣溫42.5℃，沿線冬春季盛行西北風，西北冷空氣侵襲勢力強，影響范圍大，侵襲過后，48h內氣溫一般下降10℃以上，侵襲間隔一般為3～8天，每月強冷空氣出現1～2次，多年平均風速1.9 m/ s，最大風速15～20m/s，多為北風或西北風。根據中線總干渠沿程各個典型氣象站統計：每年當日氣溫轉負一般始于12月上旬，終于翌年2月下旬，多年平均110～128天。最冷月為一月份，平均氣溫為-2.7～4.9℃，其中低于-5℃出現的天數占該月的百分比，邯鄲段為10%左右，邢臺段為25%左右。最低極端溫度達到了-20～-23.4℃。

根據南水北調中線總干渠總體規劃，總干渠及沿線建筑物需要常年輸水。冬季溫度較低時采用冰蓋輸水模式。春季天氣轉暖，冰蓋逐漸消融，從而在渠道內產生大量的冰花、冰凌、碎冰、冰塊，需要采取措施阻止浮冰進入建筑物，以免堵塞河道和危害建筑物安全。

本渠段共五座河渠交叉渡槽，其中滏陽河渡槽、洺河渡槽、汦河渡槽、午河渡槽四座設排冰閘，冰期運行時對上游來的碎冰采取攔排結合的措施：一定范圍內的碎冰，用攔冰索攔下即可；如果攔下的碎冰超過限定的范圍，則啟動排冰閘排冰。

邯邢段河渠交叉渡槽排冰閘攔冰索設計有如下顯著特點：

（1）渠道流量比京石段大，邯邢段總干渠流量為235～220m3/s。

（2）渠道寬，上口寬50m左右，底寬超過20m。

（3）為結合排冰閘排冰，攔冰索布置角度與總干渠中心線斜交。

（4）布置上及固定措施要綜合考慮排冰閘進口的布置

1 排冰閘攔冰索的組成和平面布置

攔冰索是典型的浮式控冰結構，通常由一

系列的原木或者鐵制浮筒用鋼索或鐵鏈串在一起組成，并用錨固端將兩端固定在兩岸。原木或者浮筒之間留一定的自由距離，以便在水面靈活擺動和彎曲。固定端附近也留一定長度的自由段，以適應水位的變化。原木或者浮筒尺寸要根據適宜的淹沒度選擇，以達到較好的攔冰效果。一般無荷載作用時淹沒度不超過0.7。

攔冰索長度滿需足受力和運行要求，既不能太短造成自身張力和錨固端拉力過大，也不能太長不利于排冰閘排冰。

固定端設置在渠道邊坡水面以上，便于安裝和檢修，并有利于渠道防滲。

對于南水北調中線邯邢段渡槽排冰閘攔冰索的布置，兩固定點連線和總干渠中心線成一定適宜的角度，并且排冰閘側的固定端要和排冰閘的進口距離適宜，以便于排冰閘排冰。一般以30°為宜，見圖1。

圖1 午河渡槽排冰閘攔冰索平面布置圖

2 排冰閘攔冰索荷載分析

計算攔冰索的荷載時應該結合工程渠道布置考慮攔冰索前有一定長度的冰蓋。對于直線渠道僅僅考慮攔冰索上游4～5倍河寬的區域，此范圍以外的冰荷載認為由河岸承受；對于彎曲渠道，可根據攔冰索上游直線段渠道的長度，考慮適當小一些的范圍。

作用于攔冰索上的荷載有水流對冰蓋的拖曳力、風對冰蓋的拖曳力、冰蓋自重在平行渠底方向的分力以及因冰蓋的阻水上下游產生一定的水位差產生的靜水壓力。具體計算方法如下：

（1）水流對冰蓋拖曳力（kN/m）。

γm為水的重度（kN/m3）；

Ri為考慮冰影響的水力半徑（m）；

J為均勻流水面坡降；

B為渠道水面寬度（m）；

（2）風對冰蓋拖曳力（kN/m）。

順風取“+”值，逆風取“-”值

式中，ξ為拖曳力系數，變化在（1.7～2.2）×10-3之間；

aρ為空氣的密度，取1200g/m3；

U為10m高處的平均風速（m/s）

（3）冰重產生壓力（分力）（kN/m）

式中，iγ為冰的重度，取9.17kN/m3；

h為冰層厚度（m）

（4）冰與岸邊的剪切力

此荷載缺少野外觀測資料。但通過定性分析認為此荷載對攔冰索的受力是有利的，故在攔冰索設計時可以忽略并且是偏于安全的。

（5）靜水壓力（水流壓力）

式中，q靜水為上游水位壅高產生的靜水壓力（kN）；

wγ為水的重度（m3/s）；

h上為上游水位壅高值

此荷載僅在冰蓋形成初期比較顯著，可以考驗適當的水頭差形成的壓力，不宜過大。偏安全考慮，建議考慮20cm上下游水頭差產生的水流壓力。

對以上幾種荷載進行適當的組合，計算出作用在攔冰索上的均布荷載，從而進一步對攔冰索進行受力分析。

3 攔冰索受力計算計算理論

攔冰索為兩端分別固定于A、B兩點的一根柔軟的（不承受彎矩作用）繩索，可以考慮為荷載沿索長均勻分布，其工作狀態下的形狀為“懸鏈線”。而懸鏈線的線長計算、弧垂、水平張力、固定點張力、最底點和固定端的距離、傾斜角等目前已經有成熟的理論計算。

根據懸鏈線理論，對于兩端固定的懸鏈線，

將分布荷載、懸鏈線的索長、懸鏈線的安裝角度β作為已知條件可以計算出懸索的水平張力，也即懸索最低點的張力。將懸索最低點的張力分別代人公式即可計算得到懸索最低點到固定點的水平距離、固定點的張力、最大弧垂、固定點到懸鏈線最低點的垂直距離、固定點拉力的作用方向等，見圖2。

懸鏈線方程中有雙曲函數，為便于計算，可以簡化為斜拋物線函數進行計算。其計算公式如下所示：

（1）根據懸鏈線力學理論，在索長L已知的情況下，懸索的水平張力為

式中，T0—懸索最低點的水平張力（也即懸索最低點的張力） ；

q為均布荷載值（kN/m）；

L為懸索長(m);

l為冰面寬度；

式中，OAl為懸索最低點到固定點A的水平距離（m）；

OBl為懸索最低點到固定點A的水平距離（m）；

（3）兩固定點拉力

式中，TA為懸索A點張力（kN）；

TB為懸索B點張力（kN）；

（4）最大弧垂

式中，mf為懸索最大弧垂（m）；

（5）懸索固定點到懸索大弧垂處垂直距離

式中，OAy為懸索固定點A到懸索最低點間垂直距離（m）；

yOB為懸索固定點B到懸索最低點間垂直距離（m）；

（6）固定端懸傾斜角

（7）曲線方程

經過以上過程的計算，根據計算出的攔冰索最大拉力選取合適的繩索；根據計算出的兩固定點拉力、拉力方向進行兩岸固定端的設計；根據計算出的攔冰索曲線坐標確定攔冰索設計工作狀態下的形狀，修改布置角度和攔冰索的長度直至符合設計目的。

南水北調中線工程邯邢段午河渡槽排冰閘攔冰索，根據具體條件計算出攔冰索最大張力值為53.406kN，所選取攔冰索鋼絲繩的抗拉強度為166kN。

4 攔冰索固定端設計

攔冰索兩岸固定端應結合具體情況，采用灌注短樁、地錨方案等，或結合建筑物進口翼墻進行布置。對于填方渠道，宜采用地錨方案，對于挖方渠道，宜采用灌注短樁。若排冰閘進口翼墻可提供足夠的錨固力，可以直接將攔冰索固定在進口翼墻上。無論哪種方案，能夠給攔冰索提供足夠的錨固力。

在灌注短樁、地錨或進口翼墻上預埋無縫鋼管作為攔冰索的錨固端。

錨固端的設計還要與渠道襯砌方案結合，滿足渠坡防滲要求。可采用壓板固定式接頭與渠坡土工膜連接，或直接采用埋入式接頭，把土工膜埋入錨墩混凝土中一定長度以延長滲徑等。

考慮到水位變化的可能性、動冰撞擊力等不確定因素，對錨固端的設計宜取適當大的安全系數，不應小于3。從而既有一定的安全裕度，又不至于工程量過大而導致不經濟。

5 排冰閘攔冰索運用

攔冰索設計時應根據受力分析結果確定攔冰索允許攔的上游來冰的安全長度。運行時需注意監測上游來冰情況。若攔冰索前攔下的碎冰的長度達到這一安全長度，則應及時排冰，從而最大限度的保證攔冰索和錨固端的安全，確保渠道正常運行。

6 結論

都必須在滿足自身穩定的同時

（1）攔冰索結構形式簡單，運行方便、安全、經濟，適宜在南水北調中線工程中運用。

（2）利用懸鏈線公式可以進行攔冰索的內力計算和結構設計。

（3）攔冰索的固定端設計要與渠道具體情況、排冰閘進口布置、渠坡防滲措施相結合。

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10.3969/j.issn.1672-2469.2014.12.011

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孫斌（1983年—），男，工程師。