長距離渠道冬季輸水冰情分析及預防措施探討

楊宏欣

（新疆伊犁河流域開發(fā)建設管理局 新疆 烏魯木齊 830000）

新疆南岸干渠工程鞏留段渠道全長約59km，設有渠首樞紐閘、節(jié)制閘、交通橋、洪水渡槽等主要過水渠系建筑物32座，渠道水深5.7m～5.9m，設計輸水流量76m3/s，加大流量87m3/s。該工程自渠首樞紐閘引水，通過4#節(jié)制閘分水閘向下游電站輸水發(fā)電。在冬季運行期間，由于受寒冷氣溫的影響，渠道內會產生流冰、冰塞或冰壩等不同程度的冰凌冰害，造成渠道輸冰流速減小、過水能力降低，嚴重時可能漫堤、斷流等，從而影響渠道輸水發(fā)電的正常運行。因此，冬季輸水期間需加強觀測氣溫、水溫，分析研究冰情發(fā)展變化、冰害對安全輸水的影響，摸索避免冰害的預防措施，為今后的冬季輸水管理提供參考。

1 氣溫統(tǒng)計與分析

該工程自每年11月～來年3月進入冬季輸水運行，期間密切關注天氣變化和寒潮動態(tài)。根據2013年冬季運行觀察資料，期間日最高氣溫20℃，最低氣溫-28℃，日氣溫變化過程詳見圖1。

圖1 南岸干渠工程2013年度冬季運行期間各月最高、最低氣溫變化曲線

2 開展冰凌監(jiān)測

結合工程特點和冰凌監(jiān)測規(guī)范要求，在樁號 21+310、49+000、57+500等渠道彎道段處和10#、13#交通橋下游處設置冰凌監(jiān)測斷面，觀測氣溫、冰的疏密度、冰流量、冰凌產生的起始點、過水建筑物結冰情況及冰塞、冰壩等，選取樁號 21+310～22+310、36+335～37+635、48+100 ～49+000、56+995 ～57+500等連續(xù)彎段、41+930～42+430直線等典型渠段人工測量輸冰表面流速，逐步分析冰情、氣象資料和冰情的發(fā)展變化規(guī)律，使其用于指導冬季運行。

3 冰情分析及其危害

冬季，隨著氣溫的急劇下降，渠道內水體逐漸冷卻，水流開始結冰。根據冬季運行觀察資料，該工程渠道內受寒潮天氣影響將會出現(xiàn)岸冰、冰花、流冰、冰蓋、冰塞、冰壩等各類冰情。本工程采用冰水混合流動輸水方式運行，渠內產冰由電站引水渠末端排冰閘排出。

3.1 冰凌

由于氣溫、水溫的不同，渠道冰凌產生的起始點也不同。溫度越低，冰凌起始點越靠近渠道上游。當渠道水溫稍低于0℃時，渠道內開始產生冰凇或冰花。當氣溫連續(xù)兩三天低于-18℃時，樁號44+000～58+400渠段最早產生冰花；當氣溫持續(xù)保持-18℃～-10℃時，28+500～36+335渠段開始出現(xiàn)冰花；當氣溫持續(xù)下降至-25℃～-28℃時，樁號19+235渠段出現(xiàn)冰花。

冰花或冰淞在向下游流動的過程中形成流冰。隨著氣溫的不斷下降，渠道水溫越往下游越低，渠道產冰量逐漸增多，流冰趨勢由東向西。當氣溫不低于－15℃時，渠道不會產生冰塞，最大流冰量出現(xiàn)在強寒潮期間。渠道冰情始于渠道末端，隨著冰情加劇、嚴重，最后逐步向上游蔓延發(fā)展。

3.2 岸冰

岸冰主要是沿渠岸凍結的冰帶。渠道彎道段由于受離心力的作用產生緩流面，較渠道直線段易靠岸掛冰，以致雍冰阻水。根據冬季運行觀察資料，岸冰產生的位置、厚度、寬度與氣溫的關系具體見表1。

3.3 建筑物結冰

渠道沿線過水建筑物形式復雜多樣，尤其是渠道樁號20+000下游共有交通橋12座、節(jié)制閘3座、洪水渡槽2座等多種水工建筑物，其凸出部位如橋墩、閘墩等均可不同程度的產生阻流、減速、擋水、雍冰，是流冰阻塞的重點工程監(jiān)測位置。

當渠道水溫低于0℃時，自渠道樁號20+000下游的過水建筑物水面處開始結冰，越向下游結冰厚度越大。當最低氣溫在-20℃～-10℃時，結冰厚度最大可達50 cm，建筑物對流冰暢流帶來一定的障礙，嚴重時影響了輸冰和過流能力。渠首樞紐閘、1#～3#節(jié)制閘由于受低氣溫影響，閘門槽距水面1m范圍內積冰嚴重，導致閘門不能正常啟閉，存在安全隱患。

表1 岸冰產生的位置、厚度、寬度與氣溫的關系

3.4 冰情冰害對安全輸水的影響

當渠道流冰量大于過冰能力時，渠道局部出現(xiàn)冰塞、冰壩或冰蓋，若未及時排除，則造成嚴重的冰壩阻水，上游水位壅高，過流能力減少，水面流速迅速下降，冰凌無法正常下輸，并迅速向上蔓延，致使冰凌越聚越多，最終可能導致渠道堵塞、渠道被迫停水。

4 冰害防治措施

4.1 具有足夠的輸冰流速和排冰流量

為防止渠道流冰量大于過冰能力導致渠道局部出現(xiàn)冰塞、冰壩，渠道在冰水混合流動輸水方式下盡量大流量輸水，引水流量要考慮保持一定的輸冰流速和排冰流量。正常情況下，渠道水面流速不小于1.2m/s，當日最低氣溫高于-20℃時，渠道產冰基本自然輸冰排出；當氣溫持續(xù)降低、渠道內出現(xiàn)冰塞冰壩等雍高水位現(xiàn)象時，需進一步加大輸冰流量，使水面流速滿足渠內輸冰需求。當日最低氣溫低至約-30℃時，渠道最大產冰量可達8m3/s～10m3/s，相應的排冰流量為35m3/s～40m3/s，上游冰凌需及時完全排除。此時渠道應進行低水頭運行，排冰流量滿足電站排冰閘前無大量冰凌淤積，必要時排冰為主，發(fā)電為輔。

4.2 制定可行的排冰方案

為防止渠道冰情冰害造成重大影響或損失，在冬季運行前需結合工程實際制定可行的排冰方案。當渠道冰塞、冰壩或冰蓋較為嚴重時，可采取開關節(jié)制閘壅高、驟降渠道水位，加大排冰流量和流速的方式，實現(xiàn)渠道疏通，排除冰凌。

當渠道工程冬季運行被迫停止后恢復輸水前，渠底結有大量凍冰，可采取各節(jié)制閘間分段融冰排冰。先實行小流量，低速水流使得渠底冰層緩慢漂浮至水面，適時加大流量，使得冰凌聚積在節(jié)制閘前，壅高水位并保持一定的時間間隔，達到融冰效果后，向下游繼續(xù)小流量通水并保持一定的流速，上游冰凌保留在節(jié)制閘前，結合融冰情況和兩節(jié)制閘區(qū)間距離確定上游冰凌排冰時間，依此類推。

4.3 做好冰情巡視監(jiān)測

在冬季運行期間，需做好渠道冰情巡視監(jiān)測工作。加強水閘工程、過水建筑物及渠道彎道段冰情巡檢排查工作，重點巡視渠首樞紐閘、1#～4#節(jié)制閘閘門槽積冰，8#～18#交通橋和3#、4#排洪渡槽墩臺結冰和流冰淤堵，渠道彎道段如樁號 48+100～49+000、56+995～57+500岸冰發(fā)展情況等，結合氣溫變化動態(tài)調整冰情重點監(jiān)視部位、頻率和要求，及時發(fā)現(xiàn)工程工況、水情、冰情等異常現(xiàn)象，發(fā)生險情時應及時啟動應急搶險預案，將冰害損失降至最低，確保工程安全和輸水安全。

4.4 機械與人工排冰

當8#～18#交通橋（尤其是橋底面板與水面的凈空間距較小的9#、14#交通橋）橋墩或3#、4#排洪渡槽墩臺、節(jié)制閘閘后三角區(qū)、渠道的連續(xù)彎道段（包括樁號 32+000～37+500、47+000～49+000、49+500～55+000段）及攔冰索等易結冰且易堵塞部位縮窄輸冰斷面影響正常排冰，運行管理人員應結合天氣變化和產冰情況采用人工鏟冰、噴燈除冰方式并配合長臂挖掘機及時輸冰和排冰，防止因冰塞、冰壩減小輸冰流速、降低干渠輸冰能力，確保渠道輸水暢通。

4.5 防止閘門封凍

為防止閘門槽積冰、時刻保證閘門正常啟閉，采取以下措施：一是人為改善渠首樞紐閘閘門運行環(huán)境，使閘門處于閘室封閉狀態(tài)，與室外形成兩種不同的溫度環(huán)境。二是在渠首樞紐閘、1#～4#節(jié)制閘閘門槽內增設防凍措施，嘗試在各節(jié)制閘閘門槽內埋設電加熱管、加熱電纜等加熱系統(tǒng)，并在冬季運行前完成調試。三是根據氣溫下降變化調整人工啟閉閘門頻次。

5 結語

該工程歷經了兩個冬季輸水發(fā)電期，雖然對氣象、冰情進行了觀測和研究，淺顯分析了冰情及其發(fā)展規(guī)律和冰情冰害對安全輸水的影響，運行管理中也采取了多種防冰害措施，取得了一定的成效。但冬季運行渠道冰情隨氣溫、水溫、輸水調度方案等因素影響而變化，復雜多變，還需進一步開展冰情專項觀測、水溫觀測等內容，進一步分析冰情變化規(guī)律和進行冰害預測，使其指導冬季運行。陜西水利

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