長距離明渠冰期輸水分析與研究

丁瑩瑩

（南水北調東線山東干線有限責任公司，山東濟南250014）

長距離明渠冰期輸水分析與研究

丁瑩瑩

（南水北調東線山東干線有限責任公司，山東濟南250014）

我國多個調水工程存在或面臨冬季輸水問題，高緯度寒冷地區的渠道在冬季結冰是一種普遍現象。冰蓋和冰塞會導致渠道的水流阻力增加，致使上游水位上漲，影響正常的輸水運行。若對冰清、水情控制不當，容易發生冰塞、冰壩等冰害，嚴重時可能造成水流漫溢、供水中斷、建筑物損壞等危害。保證冰期輸水安全是渠道輸水有待解決的問題。

冰期；輸水；渠道；長距離；冰蓋

長距離冬季輸水的調度運行要做到“水位穩定，流量均衡，持續不斷”，保證冰蓋的穩定性是渠道冬季安全輸水的前提條件。在渠道的冰期運行過程中，如果控制不當，閘門、曲率半徑小的彎道等局部建筑物容易發生冰塞、冰壩等事故，大量的冰塊堆積也可造成橋梁、控制閘等建筑物的毀損及渠道襯砌板的破壞。由于渠道沿線長，跨度大，一旦某處產生冰塞、冰壩等輸水事故，將面臨全線停水的嚴重事故。

1　冰期輸水的特點

長距離輸水明渠在冬季會出現結冰現象，渠道中冰的出現會改變原有水流條件，同時水流條件也會影響渠道的冰情狀態和冰蓋發展模式。

1）冰期輸水時要求控制渠段水位（或蓄水量）的變化速度要小，以防冰蓋被漲破或塌落。在冰期目標水位控制的前提下，水位上浮不應超過10 cm，下浮不應超過5 cm。

2）要求最低控制水位（或蓄水量）較正常時期高。因為結冰以后，輸水斷面積較正常時期減少，過水能力減小，容易產生冰塞、冰壩，造成嚴重的后果。

3）冰蓋下輸水渠道的過流能力較非冰期輸水小。

4）在冰蓋形成期，部分水體逐漸形成冰，水量減小，而在融化期，冰又轉化為水，水量增大，如果在約束條件中不做相應的改動，就有可能在冰蓋形成期渠道水位過低，造成冰塞，而在消融期造成漫堤或冰壩。

2　冰蓋形成前的輸水控制措施

1）根據氣溫情況、中長期天氣預報，采用控制閘門的方法逐漸將明渠段水位抬升至冰期運行水位。

2）不增加渠首引水流量時，較典型方法是從下游到上游逐級控制閘門抬高水位。

3）進入冰期運行后，應加強觀測，結合當前氣溫、中長期天氣預報，估算抬高水位所需的時間，提前進行控制。應注意預留的抬升水位所需時間不宜過短，否則寒流到來后，來不及抬高水位，則可能產生冰塞事故，也為整個冰期輸水埋下隱患。

3　冰蓋形成期的輸水控制

1）控制流量變化，避免水位、流量急劇變化。由于水流在波動過程中難以形成連續冰蓋，因此在冰蓋形成期應盡可能保持水位、流量穩定，有利于盡快形成連續冰蓋。

2）注重撈草。在北方春、冬季節，許多雜草、雜物被風吹入渠道，漂浮在水面，需要及時將雜物通過清污機清除。特別注意不能用開閘放“草”的方式將閘前蓄滯的雜草放入下一渠段，造成下游倒虹吸、暗涵進口堵塞。

3）冰屑自產自銷。冰期輸水時，如果閘前堆積了大量冰塊、冰草混合物或已經形成冰蓋，這時如將閘門打開使冰塊或冰草混合物流向閘下，則容易造成閘下游，特別是橋梁、彎道處的冰塞。因此一般提倡自產自銷或在不影響過流情況下，將冰塊或冰草混合物阻擋在閘前，盡快形成連續冰蓋。

4）冰蓋隨氣溫變化反復形成和消融。冰蓋隨氣溫變化容易反復形成和消融，部分渠段甚至會白天冰蓋消融，晚上重新形成冰蓋。不管天氣如何變化，應盡可能保證渠道水位、流量穩定。一般情況下，盡量避免隨意降低水位，以免寒流突然襲擊，造成冰塞事故。

4　冰蓋期的輸水控制

1）高水位運行，穩定水位和流量，嚴格控制水位大幅變化，防止冰蓋破裂。

2）水位大幅下降后冰蓋成為懸臂板，容易將襯砌板拖動或移位，造成襯砌板破壞。因此應嚴格控制水位變幅，減小冰蓋對襯砌板的破壞。

3）冰蓋期氣溫較低時，應經常活動閘門，防止閘門與門槽凍結。有條件的閘門可以采用電加熱、擾動水流、熱水融冰等方法防止閘門被凍結。

4）運行中應盡量避免隨意改變水位，確需改變的，應緩和流量變化過程，嚴格控制在低水位迅速加大或減小流量，否則容易形成冰塞、冰壩事故。

5）嚴禁低水位停水。當水位過低停水后，水面線恢復到零流量水面線，閘下（渠段上游端）水位下降速度最快，過水斷面最小。停水后會形成新的冰蓋，當重新恢復通水時，閘下（渠段上游端）由于過水能力過小而形成冰塞。

5　融冰期的輸水控制

春季融冰期，一旦冰蓋解凍，水量會迅速釋放，形成一個流量“小高峰”，在水流動力的作用下，冰塊隨水流向下游漂浮，在彎道、寬淺處堆積形成冰塞，造成上游水位迅速上漲，危及渠道的安全與正常使用。

1）融冰期釆用闡前常水位的運行方式。

2）融冰期渠道應保持運行流量穩定，實現當地融冰。

3）融冰期渠道自上游向下游開河，可適當加大開河渠段流量；全線融冰后，渠系的輸水流量過渡到明渠正常的輸水流量狀態。

4）明渠段輸水流量增大的幅度和速率需要由仿真平臺驗證后才能具體操作，以保證渠系安全運行。

5）調節過程中避免冰塞、冰現的發生。

6　冰期停水要求

1）一般情況下，應盡量避免在冰期停水。若確需停水的，需制定相應的冰期停水方案。

2）正常停水控制指在冰期輸水結束，需要停水的情況，停水時間充裕。較典型的方法是從下游到上游逐級關閉閘門停水。若連續若干閘門閘前水位均滿足停水水位要求，也可采用同步調節閘門的方式或其它控制方法關閉閘門。

（1）關閉節制閘閘門時應分多次，避免一次關閉閘門造成閘前、閘后水位變幅過大導致冰蓋破裂。

（2）每次控制流量級差應控制在合理范圍以內，時間間隔不宜過短。

（3）緊急停水可從上游到下游逐級或同步關閉閘門停水。

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（責任編輯遲明春）

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2016-03-31

丁瑩瑩（1980—），女，工程師