張靈真，韓鳳來，崔積家

（山東省水利勘測設(shè)計院，山東 濟南 250013）

濟南至引黃濟青明渠段工程是南水北調(diào)東線一期工程膠東干線西段工程的設(shè)計單元之一，位于山東省中部，膠東地區(qū)西部，地理坐標東經(jīng) 117°4′～118°7′、北緯 36°41′～37°7′之間。工程區(qū)域北鄰黃河，南依泰沂山脈，西起山東省濟南市歷城區(qū)，途經(jīng)章丘、鄒平、博興、高青、桓臺，東至山東省引黃濟青工程。冬季輸水是渠道的一個正常運行工況，當區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)負溫，因天氣過冷渠水出現(xiàn)冰凌，且冰情隨氣溫變化而變化，如果控制運行不得當，容易引發(fā)冰塞、甚至潰壩等冰害。 引黃濟青工程位于北緯 36°30′～37°30′，與濟南至引黃濟青明渠段工程同屬南溫帶氣候區(qū)，在其運行的15年中，有5年是在有冰蓋的情況下完成輸水的，有冰期輸水經(jīng)驗。明渠段工程設(shè)計過程中，充分消化吸收引黃濟青工程冰期輸水經(jīng)驗，對冰期輸水安全做了深入研究，并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。

1 冰害成因

工程建設(shè)區(qū)內(nèi)冬季氣溫較低，負溫持續(xù)時間較長。根據(jù)長系列氣溫、氣象資料分析，工程所在地區(qū)年內(nèi)極端最低溫度達-19.5℃，歷年最大凍深60 cm，多年平均凍結(jié)指數(shù)99～207.6℃·d，每年當日氣溫轉(zhuǎn)負一般始于11月下旬，終于次年2月下旬，最長達107 d。根據(jù)沿線氣溫系列推算，冰期的起始時間，最早為12月，最晚可推遲到1月上旬，消融結(jié)束時間一般在2月下旬，最晚在3月上旬。根據(jù)《山東省水文圖集》中的有關(guān)圖表，明渠段工程建設(shè)區(qū)內(nèi)多年平均開始封凍日期為12月23日，多年平均最后開河日期為2月3日，與引黃濟青工程統(tǒng)計分析資料一致。

隨著氣溫下降，水體通過水面與大氣交換熱量，當水溫降到0℃后，如果繼續(xù)保持低溫，則水面繼續(xù)向大氣消散熱量，發(fā)生水的過冷狀態(tài)，當水溫繼續(xù)降至約－0.05℃時，渠道內(nèi)將出現(xiàn)冰晶、冰絮。由于接近岸邊的水面熱量散失較強，岸邊水流流速較渠道中心小，所以最先開始結(jié)成岸冰。白天陽光充足時，岸冰脫落形成流冰。冰塊懸浮在水中，水體粘滯力增加，同等流量下水位增高，在建筑物前、渠道彎道及突變處，易堆積堵塞，抬高水位，冰塞嚴重時，可達到整個過流斷面基本不過流，易引發(fā)漫堤決口，甚至潰壩。當形成封凍冰蓋后，隨著冰層加厚，冰體對渠坡的襯砌體產(chǎn)生冰壓力和冰推力，造成襯砌體破壞或?qū)⒁r砌體推上渠坡。

2 冰蓋輸水控制因素

冰蓋下輸水方式是實現(xiàn)冰期安全輸水最適合的方式，該方式要求在輸水期應(yīng)保持一個相對穩(wěn)定的輸水流量。進入結(jié)冰期，渠道首先產(chǎn)生流冰，當超過渠道輸水最大挾冰能力時，流冰就要在渠道轉(zhuǎn)彎處及斷面突變處堆積形成冰蓋，并逐漸向上游推進。借助控制建筑物調(diào)控，可形成適宜產(chǎn)生冰蓋的水流條件，保證流冰不下潛，且不降低渠道輸水規(guī)模，形成穩(wěn)定的冰蓋流，隨著氣溫轉(zhuǎn)暖，冰蓋逐漸消融，冰蓋消融階段時間最短。

明渠段工程冰蓋下設(shè)計輸水流量為50 m3/s。

2.1 冰蓋形成的條件分析

由流冰轉(zhuǎn)為連續(xù)冰蓋一般應(yīng)具備3個條件：1）流冰的體積密度＞1.0，并持續(xù) 5～8 h；2）水流的流速小于約 0.3 m/s，延續(xù) 5～8 h；3）氣溫低于－8 ℃，延續(xù) 5～8 h。

上述冰蓋形成條件能夠人為控制的就是降低輸水流速。在輸水流量不變的條件下，通過增大過流斷面可以降低流速。在輸水渠段中，可以通過下游控制建筑物來加大建筑物上游水深，減小輸水水面比降，以達到降低流速的目的。

2.2 控制建筑物布置

在冰蓋形成及消融過程中，利用輸水河沿線泵站、倒虹、涵閘前控制閘門壅高水位，對保證冰期輸水安全起到了至關(guān)重要的作用?？刂崎l門壅高水位，使局部成為非均勻流，流速變小，流冰堆積，按照冰蓋的形成條件，通過閘門控制形成的冰蓋早且厚，冰蓋的消融時間延長，冰期輸水時間也就更長。如不建閘控制閘上水位，在輸水時遇氣溫驟降，由于形成冰蓋水位壅高、槽蓄量增加、下泄量減少，會使下一渠段形成的冰蓋較低，不利用閘門加以控制，任其自然形成的冰蓋是一個上游高下游低的斜面，影響輸水和過流安全。融冰時不利用閘門控制，由于輸水渠較長，各地溫度不同，融冰時間早晚不一，上游融冰下泄量增加而下游尚有冰蓋，也易出險。因此，冰蓋形成及消融過程中利用各級涵閘及倒虹閘門適時控制水位是非常必要的。

一般來說，渠道比降越大，閘門間的間距就應(yīng)該越小，宜控制在8～10 km左右。明渠段工程，渠道上有控制閘門的建筑物共13座，間距在4.5～10.5 km之間。

2.3 冰期輸水能力控制指標分析

2.3.1 閘前（控制建筑物前）控制水深確定

有研究表明，水流弗洛德數(shù)Fr的大小決定了冰蓋的推進模式。大多數(shù)渠道當弗洛德數(shù)Fr＞0.08～0.12時，易發(fā)生冰塞。因此，閘前控制水深應(yīng)按照該斷面處的弗洛德數(shù)控制，使弗洛德數(shù)Fr降低到發(fā)生冰塞的臨界值Fk以下，據(jù)此求得冬季冰蓋下輸水條件下的設(shè)計水深。

2.3.2 綜合糙率確定

冰蓋糙率nb不是一成不變的，初始冰蓋的糙率較大，隨著水流沖刷，冰蓋底面的棱角逐漸變圓滑，糙率值逐漸變小。對于人工開挖渠道，在穩(wěn)定輸水的條件下，當平均流速在0.4～0.7 m/s時，冰蓋糙率一般在0.010～0.012之間，根據(jù)引黃濟青工程輸水觀測成果分析，取冰蓋對水流的糙率為0.011。

2.3.3 冰蓋下輸水水面線推算

冰蓋下輸水水面線的計算，采用恒定非均勻流的方法，渠道下游的閘上控制水深作為相鄰閘門渠段的起始水深，按設(shè)計輸水流量自下游向上游推算輸水水深，輸水水深應(yīng)滿足閘下、閘上斷面處的弗洛德數(shù)Fr小于臨界值Fk。

明渠段工程不同比降的閘上控制水深分別為4.2 m、3.9 m、3.8 m，計算成果見表1。

表1 不同比降渠段冰蓋下閘上控制水深計算成果

2.3.4 水流流速復(fù)核

水流流速影響渠道冰蓋的發(fā)展模式，結(jié)冰期內(nèi)渠道斷面的平均流速不超過0.6 m/s時，冰塊停滯在冰蓋前沿，冰面堆積到一定厚度后，逐漸向上游發(fā)展，并形成冰蓋。明渠段閘門控制渠段內(nèi)的平均流速均為0.6 m/s，滿足形成冰蓋的水流流速要求。

2.3.5 冰蓋下輸水能力復(fù)核

冰期輸水水面線推算時，濕周、水力半徑及糙率均考慮有冰情況下綜合因素。由表1可知，在渠道設(shè)計輸水流量下，水位雍高0.8～1.2 m，占設(shè)計輸水水深的27%～40%，過水斷面增加，水面比降變緩。因此，在設(shè)計條件下能夠滿足冬季冰蓋下輸水要求，并且上下游斷面的弗洛德數(shù)均小于形成冰蓋的臨界值。

引黃濟青工程實際觀測資料表明，在設(shè)計流量下，有冰蓋時，水位雍高20%～40%，在設(shè)計水位，有冰蓋時，渠道的輸水能力減少了約1/3。這與明渠段工程計算成果相吻合。

2.3.6 襯砌高度的復(fù)核

相同流量下，冰蓋輸水和流冰輸水時，水位抬高，渠道的襯砌高程應(yīng)考慮冰期水位壅高和冰蓋厚度兩個因素。渠道設(shè)計輸水水深3.0 m，1/10 000渠段的閘上控制水深最高高出設(shè)計輸水水深1.2 m，工程區(qū)域內(nèi)的冰蓋厚度一般在20～30 cm，因此明渠段工程的襯砌超高不小于4.5 m。

3 冰害防治措施

3.1 工程措施

1）渠道的設(shè)計斷面、襯砌高度應(yīng)滿足冰期輸水要求，防止壅冰外溢或不滿足輸水規(guī)模；2）合理布置節(jié)制閘或控制建筑物，有利于冰蓋的形成和穩(wěn)定；3）跨渠橋梁梁底與冬季輸水冰蓋間凈空滿足規(guī)范要求；4）彎道處，渠道的轉(zhuǎn)彎半徑宜大于10倍的水面寬度，謹防冰塊堆積堵塞；5）閘前及控制建筑物前設(shè)攔冰鎖，防止冰塞；6）閘門設(shè)計滿足冰期輸水水位要求，并配備加熱除冰措施，保證冰期啟閉正常，便于運行控制；7）渠道沿渠縱方向的襯砌體分縫要避開冰蓋區(qū)，防止因分縫造成襯砌體抵抗冰蓋外力的能力變?nèi)酰?）建立自動化調(diào)度運行管理系統(tǒng)，為統(tǒng)一調(diào)度和指揮提供信息支持。

3.2 調(diào)度方案

冰期輸水的調(diào)度運用，要做到“統(tǒng)一調(diào)度，水位高穩(wěn)、流量均衡、持續(xù)不斷、控制閘門”。1）輸水渠在冰期一般處于高水位、滿負荷（個別段甚至超負荷）運行，因此，必須做到全線統(tǒng)一調(diào)度。2）各控制建筑物之間的輸水流量要匹配，避免輸水渠水位、流量波動，影響冰期輸水，造成棄水或出現(xiàn)安全事故。3）輸水渠形成冰蓋后，水位壅高0.8～1.2 m，因此，控制建筑物閘上水位必須保持高于設(shè)計水位運行，以免控制建筑物前形成較低的冰蓋影響過流。4）冬季冰期輸水應(yīng)控制渠道沿途水閘、倒虹進口閘門上游水位，嚴格控制渠道內(nèi)流速及水位變化幅度。5）輸水渠低水位停水時，由于水位低，水體蓄熱少，其結(jié)冰厚度要為正常輸水時的2～3倍。低水位停水后，再恢復(fù)輸水，由于來水使靜水形成的冰蓋破壞，產(chǎn)生大量流冰，進而形成冰塞。6）輸水期停水后再恢復(fù)輸水時，應(yīng)注意在適當時機逐段將水位壅起再輸水，輸水時應(yīng)使流量慢慢由小到大，以免造成冰塞。停水時也應(yīng)慢慢進行，以免水位驟降，使冰蓋坍塌，或揚壓力破壞渠道襯砌。

3.3 應(yīng)急處理措施

在發(fā)生險情時，可采用以下措施應(yīng)對：1）渠道沿線管理處、所配備一定數(shù)量的破冰、撈冰機械，為出現(xiàn)重大險情時做好棄冰準備；2）開啟險情地段的退水閘，向當?shù)睾?、溝排冰減險和冰凌存儲。

4 結(jié)論

1）薄板混凝土襯砌渠道冰期輸水安全一直是南水北調(diào)設(shè)計中的一個難題，造成冰害的原因是多方面的，單一措施難以保證輸水安全，只有充分了解冰期輸水機理，將工程措施與調(diào)度運行相結(jié)合，信息化技術(shù)與常用技術(shù)相結(jié)合，并做好應(yīng)急預(yù)案工作，才能為安全運行提供保障。

2）冰情地域差異很大，隨著緯度增加，結(jié)冰期越來越長，冰害也更為嚴重。在冰期輸水安全的課題研究中，只有經(jīng)原型觀察試驗中提取數(shù)據(jù)，綜合分析，歸納總結(jié)，才能不斷提高理論水平和技術(shù)能力。