濟(jì)南至引黃濟(jì)青明渠段冰期輸水安全研究

張靈真，韓鳳來，崔積家

（山東省水利勘測設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250013）

濟(jì)南至引黃濟(jì)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(jì)單元之一，位于山東省中部，膠東地區(qū)西部，地理坐標(biāo)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(jì)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(jì)青工程。冬季輸水是渠道的一個(gè)正常運(yùn)行工況，當(dāng)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)負(fù)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(yùn)行不得當(dāng)，容易引發(fā)冰塞、甚至潰壩等冰害。 引黃濟(jì)青工程位于北緯 36°30′～37°30′，與濟(jì)南至引黃濟(jì)青明渠段工程同屬南溫帶氣候區(qū)，在其運(yùn)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(yàn)。明渠段工程設(shè)計(jì)過程中，充分消化吸收引黃濟(jì)青工程冰期輸水經(jīng)驗(yàn)，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(fù)溫持續(xù)時(shí)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(dá)-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(dāng)日氣溫轉(zhuǎn)負(fù)一般始于11月下旬，終于次年2月下旬，最長達(dá)107 d。根據(jù)沿線氣溫系列推算，冰期的起始時(shí)間，最早為12月，最晚可推遲到1月上旬，消融結(jié)束時(shí)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(jì)青工程統(tǒng)計(jì)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(dāng)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(dāng)水溫繼續(xù)降至約－0.05℃時(shí)，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(qiáng)，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(shí)，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(yán)重時(shí)，可達(dá)到整個(gè)過流斷面基本不過流，易引發(fā)漫堤決口，甚至潰壩。當(dāng)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(shí)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(gè)相對穩(wěn)定的輸水流量。進(jìn)入結(jié)冰期，渠道首先產(chǎn)生流冰，當(dāng)超過渠道輸水最大挾冰能力時(shí)，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(jìn)。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(shí)間最短。

明渠段工程冰蓋下設(shè)計(jì)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(gè)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(dá)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(shí)間延長，冰期輸水時(shí)間也就更長。如不建閘控制閘上水位，在輸水時(shí)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(huì)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(gè)上游高下游低的斜面，影響輸水和過流安全。融冰時(shí)不利用閘門控制，由于輸水渠較長，各地溫度不同，融冰時(shí)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(xiǎn)。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(shí)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(biāo)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(jìn)模式。大多數(shù)渠道當(dāng)弗洛德數(shù)Fr＞0.08～0.12時(shí)，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(jì)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(dāng)平均流速在0.4～0.7 m/s時(shí)，冰蓋糙率一般在0.010～0.012之間，根據(jù)引黃濟(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算成果見表1。

表1 不同比降渠段冰蓋下閘上控制水深計(jì)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(shí)，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(shí)，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(jì)輸水流量下，水位雍高0.8～1.2 m，占設(shè)計(jì)輸水水深的27%～40%，過水?dāng)嗝嬖黾?，水面比降變緩。因此，在設(shè)計(jì)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(jì)青工程實(shí)際觀測資料表明，在設(shè)計(jì)流量下，有冰蓋時(shí)，水位雍高20%～40%，在設(shè)計(jì)水位，有冰蓋時(shí)，渠道的輸水能力減少了約1/3。這與明渠段工程計(jì)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(shí)，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(gè)因素。渠道設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jǐn)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(jì)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(yùn)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(dòng)化調(diào)度運(yùn)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(yùn)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(fù)荷（個(gè)別段甚至超負(fù)荷）運(yùn)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(dòng)，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(jì)水位運(yùn)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(jìn)口閘門上游水位，嚴(yán)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(shí)，由于水位低，水體蓄熱少，其結(jié)冰厚度要為正常輸水時(shí)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(jìn)而形成冰塞。6）輸水期停水后再恢復(fù)輸水時(shí)，應(yīng)注意在適當(dāng)時(shí)機(jī)逐段將水位壅起再輸水，輸水時(shí)應(yīng)使流量慢慢由小到大，以免造成冰塞。停水時(shí)也應(yīng)慢慢進(jìn)行，以免水位驟降，使冰蓋坍塌，或揚(yáng)壓力破壞渠道襯砌。

3.3 應(yīng)急處理措施

在發(fā)生險(xiǎn)情時(shí)，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(jī)械，為出現(xiàn)重大險(xiǎn)情時(shí)做好棄冰準(zhǔn)備；2）開啟險(xiǎn)情地段的退水閘，向當(dāng)?shù)睾印吓疟鶞p險(xiǎn)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(jì)中的一個(gè)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(jī)理，將工程措施與調(diào)度運(yùn)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(yùn)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(yán)重。在冰期輸水安全的課題研究中，只有經(jīng)原型觀察試驗(yàn)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。