嚴寒地區長距離輸冰渠道跨溝倒虹吸的運用

譚新莉，孫紅麗，柳 輝，高紅濤

(1. 新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000；2. 中國電力建設集團成都勘測設計研究院有限公司，成都 610072)

以往嚴寒地區長距離輸冰渠道在進行跨溝建筑物選擇時，往往認為存在冬季輸冰淤堵及檢修排沙困難等缺陷，在方案比選時考慮會影響工程運行安全而不被推薦。但跨溝建筑物其他常采用的渡槽和高填方的形式也各自有利弊，尤其是處于高震地區，渡槽方案盡管投資小，但槽身保溫效果差, 存在冬季進口阻冰和槽身結冰等問題，抗震措施要求高，施工難度大；高填方方案施工有成熟的經驗，抗震性能較好，工期短，但填筑方量、邊坡防護及排洪建筑物工程量大，工程臨時及永久占地面積較大，投資高。若倒虹吸解決輸冰淤堵這一難題，因其抗震、耐久性及抗滲性能好，工程占地和投資少，其應用前景廣闊。

1 N工程跨溝建筑物的形式選擇

N工程區位于北疆高地震烈度(抗震設計烈度為Ⅷ度)的嚴寒地區，工程區最大溝位于渠道21～23 km處，溝谷相對高差為38～53 m，溝寬1.4 km。對于無法避開的跨度和高度都較大的沖溝，跨溝建筑物的形式選擇意義重大且又困難重重。根據工程總體布置，結合當地地形條件，反復研究跨溝輸水建筑物形式，經多方案比選論證，代表性的方案有：倒虹吸、短渡槽+填方渠道、梯形全填方渠道。各方案的優缺點如表1所示。

可研階段推薦的跨溝輸水建筑物采用梯形全填方渠道方案，之所以未采用倒虹吸方式，是因存在冬季冰塊進入倒虹吸的可能性，而目前對于冰塊進入倒虹吸后的運動規律很難掌握，更難加以控制，故防治倒虹吸發生冰塞的最有效最安全的做法依然是避免冰塊進入倒虹吸。后期經實地調研、反復論證、平衡利弊發現，考慮工程上游梯級電站已建成，冬季輸冰淤堵問題可能不嚴重，若能論證冰情對本工程不構成危害，即可采用倒虹吸方案，這樣能節約不少投資，且工程運行更加安全可靠，也更符合環保要求。

表1 跨溝輸水建筑物方案比較

2 冰情分析

2.1 冰情資料

調查上游水文站冰情資料統計發現，最早開始結冰日期為10月11日，開始流冰日期10月23日，開始封凍日期11月9日；最晚解冰日期3月26日，終止流冰日期4月13日，全部融冰日期4月13日；多年平均封凍天數34.4 d，最長封凍天數99 d，無封凍年數2 a。最大冰厚發生在2001年，最大河心冰厚為0.42 m，發生在2月3日，最大岸冰冰厚為0.76 m，發生在2月27日。工程所在河段內無冰壩、冰塞形成。極端最高氣溫37.9 ℃，極端最低氣溫-39.9 ℃，最冷月平均氣溫-11 ℃，最大積雪厚度58 cm，最大凍土深度82 cm，屬嚴寒地區。因渠道冬季運行，故渠道冬季的冰凌問題對嚴寒地區電站的安全運行至關重要。

2.2 北疆地區已建電站冬季運行情況調查及分析

現場調查與N工程有一定相似性的北疆地區已建引水式電站冬季運行情況，分析其冬季運行情況如下。

(1)2005年12月N工程附近其他河段冰塞封凍長約12 km，最大冰塞厚度達5 m。同一時段調查N工程上游的J水電站庫尾，發現其下游約30 km的河道內均沒有出現岸冰及流冰。說明上游若有已建水庫，將會大大減輕下游河道的冰害。一方面水庫蓄水攔截了上游河道的冰塊，避免了河道冰塊進入下游渠道；另一方面，水庫的蓄水運行可提高下泄水流的水溫，庫容越大，水深越深，下泄水流的水溫越高；據J水庫出庫水溫實測資料，冬季水溫基本在3～3.5 ℃，對于水電站而言，在尾水斷面下游水溫不低于0 ℃的距離范圍內均不會結冰。

(2)對與N工程同處于一條河上的冰情進行調查， 2008年1月的平均氣溫為近30年來最低，日最低氣溫低于-20 ℃的天數大于15 d，持續一個星期氣溫在零下27 ℃后，最上游渠首閘門凍住了，冰厚達80 cm。上游第一級電站冰塊尺寸直徑達2.5 m，厚達0.5～0.6 cm。上游第二級電站渠道內冰塊寬約60～70 cm，最厚的地方約30 cm。由此可看出：梯級電站越位居上游，冰塊厚度越大，冰情越嚴重；電站的建立可以大大緩解減輕冰情，下游電站冰的主要來源均為渠道自身產生的冰為主。

(3)對N工程附近其他河段電站引水渠道2個月實地測量，距電站下游15 km處河段冬季水溫在0～0.3 ℃之間，水庫下游15 km以內沒有冰凌問題，近30 km以內沒有封凍現象。說明此嚴寒地區渠道水溫由3.0 ℃降至0 ℃的距離為15 km，約每5 km水溫降低1 ℃。

水體溫度變化與水體蓄積熱量，進出水量、水溫及水深有關。對于梯級電站處于下游的發電引水渠，渠道水溫主要受當地氣溫和上游梯級電站出庫水溫度控制。水溫降低速率比升高慢，因升溫與太陽短波輻射有直接關系[1]，當水深較小時，太陽短波貫穿整個水深，會使水溫迅速升高；而水體散熱是水面與大氣之間的對流，蒸發是主要因素。蒸發與風速有關，當氣溫低于水溫時，水溫會沿程減小，據京密引水渠經驗一般每10 km水溫降低1 ℃，在嚴寒地區會縮短，大約每5 km水溫降低1 ℃；南水北調經驗[2]：初始水溫為1 ℃，降至0 ℃所流經的平均距離為451 km；在最惡劣的氣候條件下，明渠初始溫度僅0.2 ℃，水溫降至 0 ℃時最短距離有40 km。零溫斷面長度即指當渠道初始水溫高于0°時，降至0°所需要的距離。零溫斷面長度的長短與明渠初始溫度、氣溫、低溫持續時間及明渠流量有關，初始溫度越高、氣溫越高、低溫時間越短、明渠流量越大，零溫斷面長度越長，反之越短。

2.3 冰情計算

(1)零溫斷面位置的計算。根據規范[3],采用熱平衡分析法估算，計算公式如下：

(1)

式中：L0為出庫斷面(如水電站尾水斷面)至零溫斷面的距離；Q為水庫下泄日平均流量，m3/s；C為水的熱容量，MJ/(t·℃)；γ為水的容重，t/m3；ts為出庫水溫，℃。

J水庫出庫冬季水溫3～3.5 ℃，渠道冬季90%保證率下引水流量為25 m3/s，45%保證率下最小發電引水流量為15.6 m3/s，流量越大計算的零溫斷面長度越長，根據不同的工況計算的零溫斷面長度最短為22.26 km，比渠道總長度31 km要短，位于沖溝之前，說明在渠道的尾部段可能產生岸冰，但倒虹吸前基本沒有冰。

(2)不封凍距離的計算。根據規范[3]，采用經驗公式(2)估算：

Lf=14.5 (qts)1.228+8.5

(2)

式中：Lf為水電站下游最小不封凍距離，km；q為1月最小旬平均出庫單寬流量，m3/(s·m)；ts為與最小旬平均出庫單寬流量相應時段的平均出庫水溫，℃。

1月最小旬平均單寬流量q取1.88 m3/s；與最小旬平均出庫單寬流量相應時段的平均出庫水溫ts取3 ℃，計算出本工程下游不封凍長度約為129.5 km。

(3)渠道產冰量計算。根據規范[3],采用熱平衡分析法估算，計算公式如下：

(3)

式中：Qf為計算河段日產冰量(密實體)，m3/d；β為河段敞露度；l為計算河段長度，m；B為計算河段平均水面寬，m；∑S為冬季一晝夜單位水面熱損失，MJ/(m2·d)；335為結冰潛熱，MJ/t；γi為結晶冰容重，一般近似地取0.917 g/cm3。

本工程區域全年太陽總輻射量為136 kcal/cm2，冬季太陽月總輻射量約為4.39 kcal/cm2，轉換為5.92 MJ/(m2·d)。計算的岸冰最大產冰量為160.3 萬m3，折算成冬季的冰流量約0.2 m3/s，冰流量較小對工程影響不大。

3 長距離冬季運行渠道運行方式選擇

河渠冰凌的生消過程比較復雜[4]，主要受熱力學因素、河渠形態、水力控制條件等制約，其中冰情的發展與氣溫變化有非常大聯系。隨著冬季氣溫的急劇下降，渠道內水體冷卻，水流開始結冰。若水流流速較大，紊動的混摻作用使水流的失熱現象幾乎在整個水體中進行，所以不僅在水面形成薄冰和岸冰，在水體內、底面也會形成海綿狀多孔隙的水內冰。此時若氣溫還在不斷下降，渠道產冰量會逐漸增多，流冰密度增大，在斷面縮窄處、倒虹吸進口、彎道、橋墩等建筑物處會發生卡堵。在流動中，冰、水隨溫度的變化而相互轉換：水溫升高時冰融化成水，含冰量減少；水溫降低時水又凝結成冰，含冰量增多。當冰蓋及冰花阻塞過流斷面，使濕周加大、過流能力減小，造成上游壅水，一旦下游渠道不能使冰塊通過，就會形成冰壩，使上游水位驟然抬高，以致形成凌峰，可能造成下游凌汛災害。尤其是跨溝建筑物選擇倒虹吸形式的冬季運行渠道，通常倒虹吸管道斷面會小于渠道斷面，尤其是大流量輸水渠道，因布置需要往往采用多根倒虹吸管道，因而單個倒虹吸斷面相對渠道斷面大大束窄，一旦遭遇冰害，在倒虹吸入口處易形成冰塞，冰塞會加劇渠道過水斷面的減小，導致水位迅速抬高，嚴重時可能造成渠水漫溢、破壞渠堤，冰害發生速度快，破壞程度也更嚴重。

由此冬季運行的北方輸水渠道一般都無法避免冰凌問題。南水北調、京密引水，引黃濟青、引黃濟津等北方地區長距離調水工程，這些工程的倒虹吸多處于寒冷地區，為避免遭遇冰害，渠道冬季輸水多采用結冰蓋運行，即通過控制水流條件，降低水流流速，在水面形成連續穩定的冰蓋，以水在冰蓋下流動的方式輸水。倒虹吸進水口在穩定冰蓋下，穩定運行期不會有冰塊進入倒虹吸，開河期通常采用攔截排冰的工程措施阻攔浮冰潛入倒虹吸進水口。利用冰蓋保溫作用是一種簡單而有效的措施，既可減小輸水干渠明渠段的過流斷面尺寸[5]，不用建中間調節水庫和揚水站，又能免去冬季揚水的動力費用，節省較多的工程投資，具有較大的經濟效益，故寒冷地區的輸水渠道經常采用。

盡管形成連續冰蓋后，冬季運行中的許多困難都會消除。但是冰蓋的形成使河道中的水力現象發生改變，引起流動阻力的增加、河道過流能力下降及能量損失增加，而水電站引水渠道水流水頭損失的增加直接導致發電量的減少；冰蓋的形成還給河道的冬季管理及運行帶來一系列新問題：如上游泄放流量調整、下游河道的水質管理、洪水控制及供水等，若封凍河道中流量劇烈增加，還將引起冰蓋破碎形成冰塞、冰壩。

考慮N工程為徑流式電站，采用引水式開發，由于攔河引水樞紐至尾水渠退水口之間有灌區灌溉用水和生態用水的要求，故攔河引水樞紐斷面來水流量扣除電站范圍內大河灌溉用水和生態環境用水后，大于電站設計引水流量時，按設計引水流量引水發電，其余水量從原河道下泄；小于電站設計引水流量時，按可引水流量引水發電。因工程任務主要是水力發電，由此決定只要有水就發電的運行方式，也決定了渠道冬季按可引水流量引水發電的運行模式。因冬季引水流量不是固定值，導致渠道內水深值變幅較大，遠遠大于結冰蓋運行的要求，即輸水渠道水位變幅允許值不宜超過20～50 cm；另外考慮結冰蓋運行使水頭損失增加從而導致發電量減少，故N工程引水渠道按輸冰運行設計，即提高水流流速，以冰水混合兩相流方式輸水。根據設計規范[6]第8.3.9條規定，輸冰渠道設計流速不得小于1.1 m/s。一般情況下，流速大于1 m/s，河道不易封凍，但可能產生冰花；當流速達到1.2 m/s時， 渠道岸冰即停止發展。因此N工程設計最小流速不低于1.2 m/s，以控制渠道岸冰的發展。

根據冰情計算結果分析，盡管地處嚴寒地區，因渠道從上游J水電站尾水取水，渠道起點源頭的初始水溫高，渠道在一定范圍內不存在冰凌問題，不易封凍結冰。在這一段渠道內設置倒虹吸，倒虹吸不會發生冰塞現象，冬季運行是安全可靠的。計算的零溫斷面長度最短為22.26 km，N溝位于零溫斷面上游側，且最大產冰計算量折算成冬季的冰流量約0.2 m3/s，占渠道冬季最小流量的0.8%，均說明冰對本工程渠道冬季運行影響不大，具備跨溝建筑物采用倒虹吸的條件。

4 極寒天氣的應對措施

由于氣溫與冰情關系緊密，對于平常年份，冰對渠道運行不會構成危害，但對于冷冬年的嚴寒地區，實際運行時難以完全避免冰害的發生。渠道形態、水力、熱力等因素將共同決定冰害何時何地發生[7]，且各因素之間相互影響、依存與轉化，機理復雜。

北疆已建一輸冰渠道冬季運行時便出現如下情況；當氣溫達-20 ℃時，渠道樁號25 km處有冰絮冰凌產生，當地氣溫達-25 ℃時，于渠道樁號20 km處即產生冰絮冰凌。當地氣溫低于-27 ℃時，渠道內有冰塞現象。當地氣溫低于-30 ℃后，渠道以每12 h 8～10 km的速度開始堆冰，水位也開始壅高，由于39 km處最大水深已達5 m，為防止渠道漫頂，不得不停水。

上述工程冬季運行經驗說明，一旦形成冰花停滯阻冰，在氣溫-25 ℃以下若不加有效處理，將會很快發展蔓延，渠道以每12 h 10 km的速度堆冰，冰情惡化速度很快。故冬季輸冰運行的渠道首要任務必須保證行冰順暢，有冰塞時需及時排冰，避免冰災發生。以上工程冰情較N工程嚴重，但也充分顯示嚴寒地區當寒潮來臨時，若不經有效控制，冰塞、冰壩、閘門凍結等冰災發展速度很快，冰害嚴重。

為應對極端低溫的寒潮天氣(本工程極端最低氣溫-39.9 ℃)，防止渠道內結冰造成倒虹吸冰塞，確保工程運行安全，擬定以下應急搶險方案：①引水樞紐處冬季采取抬高水位至正常引水位運行，攔蓄天然河道的冰凌，形成近庫前冰蓋，減少入渠冰塊、冰凌數量。②倒虹吸進水室前布置回轉式攔污排冰機，將進口段前的大冰塊撈出后水沖至退水渠內排出。③適當提高倒虹吸上、下游水頭差，增大管內流速，降低淤堵的可能性。③加強工程區域內的氣候、天然河道和引水渠內冰凌的監測。如遇到特殊年份，冰凌特別嚴重時，需關閉節制閘門，打開退水閘，確保建筑物的安全運行。

倒虹吸工程易出現險情的部位主要是進口閘前，當浮冰較多時易形成冰塊疊加壅堵，使過水不暢，最終形成冰壩，此時最易出現險情。為此除以上應急搶險方案外，還需加強冬季輸水期間的巡視監測，觀測、記錄冰情，及時了解冰情的進展情況并采取應急方案；同時，成立冰期輸水工程搶險隊伍，負責冰情出現險情時及時搶護，避免冰情趨于嚴重，確保觀測安全及輸水的順利進行。

5 結 語

N工程跨溝建筑物采用倒虹吸方案可節省投資8 037 萬元，經濟效益顯著。工程建成運行4 a，至今未發生冰害?？偨Y本工程的設計經驗如下：

(1)本工程的成功實踐，填補了嚴寒地區長距離輸冰渠道跨溝建筑物采用倒虹吸的空白，為新疆、東北等嚴寒地區處于下游梯級電站輸冰運行的引水渠，在零溫斷面長度范圍內設置倒虹吸的安全運行提供依據。

(2)引水渠若處于下游梯級電站，可考慮渠道初始水溫受上游梯級電站出水溫度的影響作用，一般情況下水電站冬季出庫水溫基本在3 ℃左右，寒冷地區經驗一般每10 km水溫降低1 ℃，嚴寒地區會變短，大約每5 km水溫降低1 ℃。

(3)零溫斷面長度的長短與明渠初始溫度、氣溫、低溫持續時間及明渠流量有關，初始溫度越高、氣溫越高、低溫時間越短、明渠流量越大，零溫斷面長度越長，反之越短。

(4)嚴寒地區需充分考慮冷冬年冰害發生的可能性及應對預案。為保證工程安全，必須設置有效的應急搶險方案防止出現冰害，同時加強冬季輸水期間的巡視監測。