朱發(fā)昇 陳 武 張 東

（1.甘肅省水利水電勘測設計研究院 甘肅蘭州 730000；2.中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國家重點實驗室 甘肅蘭州 730000）

1 引言

對于北方寒冷地區(qū)的水工建筑物及輸水渠道，在冬季運行過程中均存有冰阻、冰塞、凍融、地基土凍脹等問題，使不少工程結構發(fā)生不同程度的破壞，尤其是明渠冬季冰期輸水引起的冰害和滿溢決口對工程的破壞更為嚴重。對冰害認識不足和處理不當導致我國約 50%的水利水電工程不能正常運行，甚至遭到損毀。這對渠道的輸水安全及周圍環(huán)境都造成了很大影響。我國長江以北的廣大區(qū)域都屬于季節(jié)性凍土區(qū)，其中凍結深度大于 0.5m 的地區(qū)占國土面積的一半以上。水工建筑物的凍害，特別是渠道防滲襯砌結構的凍脹破壞在我國北方是較為普遍而嚴重的問題，致使渠系水利用率低于 60%，并且每年反復發(fā)生凍脹破壞，年運行維護成本很高。如何實現冬季安全輸水，有效解決和防止渠道凍脹及在輸水過程中冰害現象的發(fā)生，一直是國內外水利研究人員長期關注和尚待解決的問題。

針對上述問題，依托甘肅引洮一期供水工程項目，開展了寒區(qū)輸水渠道在冬季低溫環(huán)境下的運行特性及冬季安全輸水可行性研究，防止冬季輸水運行過程中潛在冰凍害現象的發(fā)生，保障寒區(qū)引水渠道的冬季安全運行。

2 工程概況

洮河九甸峽水利樞紐及引洮供水工程（簡稱引洮工程）是甘肅省規(guī)劃建設的大型水利樞紐及跨流域調水工程，其建設任務是重點解決中部干旱地區(qū)城鎮(zhèn)生活及工業(yè)用水、農村人畜飲水及生態(tài)環(huán)境用水，兼有灌溉和發(fā)電等綜合利用功能。建設內容包括九甸峽水利樞紐和引洮供水工程。工程項目分兩期實施，一期工程建設九甸峽水利工程和引洮供水一期工程。引洮供水一期工程外調水總量21891.03萬m3，供水區(qū)包括安定區(qū)、隴西縣、渭源縣、臨洮縣、榆中縣和會寧縣6 縣（區(qū)）的57 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，主要用水戶為城鎮(zhèn)居民、農村人畜、工業(yè)企業(yè)和新發(fā)展灌區(qū)，設計灌溉面積1.27萬hm2。

總干渠承擔了引洮供水一期工程全部的供水任務，除向各級灌溉渠道分水外，還擔負著向定西市區(qū)及隴西縣城供水的任務。這兩條管線對解決定西市及隴西縣城工業(yè)及生活用水短缺的問題具有重要的意義。定西供水管線全長19.38km，一期年供水3005.80萬m3；隴西供水管線全長27.64km，一期年供水4241.61萬m3。由于這兩條供水管線末端均不具備建設大型調蓄設施的工程條件，因此，只能通過延長總干渠供水時間來解決調蓄不足的問題。此外，引洮供水一期工程2020 設計水平年配置非農業(yè)用水占總調水量的近70%，占較大部分，主要用于滿足區(qū)內城鎮(zhèn)生活與工業(yè)用水，以及二、三產業(yè)發(fā)展和種養(yǎng)業(yè)產業(yè)化發(fā)展的多元需水要求，非農業(yè)用水對水質的要求較高?；谏鲜鲆蛩?，故供水渠道有冬季輸水要求。

引洮供水一期工程總干渠進水口位于洮河九甸峽水利樞紐大壩以上約 400m 處的洮河右岸，總干上段渠線以隧洞和跨溝連接建筑物型式相繼穿越或跨越洮河流域支流橋道堡溝、宗丹溝、漫壩河及東峪溝等溝道，經由總干渠7#隧洞穿越洮河及渭河流域分水嶺，9#隧洞穿越渭河及祖厲河流域分水嶺，然后進入引洮供水一期工程主要受益區(qū)祖厲河流域關川河上游的定西內官—香泉盆地一帶。總干渠下段沿內官盆地南緣向東偏南行進，跨過烏龍川、水岔溝及吳家川等盆地邊緣溝谷，經15#隧洞穿越大營梁分水嶺進入渭河流域，在大營梁南坡馬河鎮(zhèn)結束。見圖1。

甘肅引洮一期供水工程及供水區(qū)氣候屬北溫帶溫和干旱、半干旱區(qū)，受地形及緯度影響，區(qū)域內氣候具有較明顯的分帶性，總體特征是降水稀少，氣候干燥，夏季不熱，冬季寒冷，日照時間長，氣溫日差大。

圖1 引洮供水一期工程總干渠分布圖

根據供水區(qū)氣象統(tǒng)計資料，其年均氣溫 6℃～10℃，歷年極端最高氣溫 37.8℃，極端最低氣溫-29.6℃，多年平均風速 1.1～3.2m/s，多年平均日照時數2131～2666h，穩(wěn)定超過0℃的活動積溫 2000～3500℃，10℃以上的積溫1000～3000℃，詳見表1。

表1 引洮工程沿線主要氣象要素表

3 目前寒區(qū)渠道冬季輸水存在的冰害問題及主要措施

根據國內外已建成工程運行情況調查表明，冰害的主要類型有以下幾種。（1）秋、春季流冰期及冰封期，由于水位變動較大，在建筑物前易形成冰壩或冰堆，流冰期因排泄而聚集的冰，會造成閘門的破壞。有時因為冰塊的尺寸可能大于泄水孔的寬度，從泄水孔不能排泄冰。（2）冰體堵塞取水口首部，導致渠道過水能力的下降。（3）沿渠形成的冰塞，會束窄渠道過水面積，使水位抬高，造成渠水漫溢，導致渠堤破壞，兩岸淹沒。（4）冰體還會破壞渠道護坡，并且由于破碎冰蓋的移動和水位的變動，在建筑物前形成冰堆。

國內外的輸水工程為保證實現冬季正常輸水，采取了許多工程措施，歸納起來主要有以下2 種方法：（1）利用滯冰建筑物(有時也結合水流的整治)和水流調節(jié)的方法控制冰蓋形成并維持冰蓋穩(wěn)定，其中采用水流調節(jié)方法中的一個重要的考慮因素是選擇適當的時間對水流進行控制調節(jié)。另一個重要的考慮因素是河道上游河段和水庫的水溫。根據已有的工程經驗及研究表明，只要能維持冰蓋的穩(wěn)定，冰蓋下的輸水是可以得到保證的。需要注意的是，無論是要形成冰蓋，維持冰蓋穩(wěn)定還是在冰蓋下輸水，能否保持一個較低的流速(一般流速應小于0.3～0.4m/s)和較為穩(wěn)定的水位(水位波動不超過10cm/h)是冰蓋下輸水成功與否的關鍵。只有流速水位得到控制，流量保持相對的穩(wěn)定，冰蓋才能在封凍期形成，并在開河期就地融化，不產生集中流冰。另外，在冰蓋下輸水時，渠道中的水位不能過低，否則水體蓄熱少，結冰厚度要比正常輸水時大2～3倍。低水位停水后，再恢復供水是很危險的，來水可能會破壞冰蓋，形成流冰，易于造成冰塞。（2）排冰工程技術和化冰工程技術。其中化冰工程技術包括保溫法和增溫法。保溫法有結冰蓋、暗渠、埋管、暖棚、廊道、噴塑和泡沫板等運行方式；增溫法有引泉水入渠、打井抽地下水入渠、引工業(yè)冷卻水入渠和引大型水庫深層水入渠等運行方式。

無論是采用冰蓋下輸水，還是排冰技術或者化冰技術維持渠道冬季低溫寒冷下的安全輸水，實際上每年寒季都需要動用大量的人力、物力、財力，同時對渠道輸水運行調度及維護都提出了更高的技術要求。對于高寒地區(qū)每年的冬季輸水也是被動采用的臨時性工程措施術。因此對于我國寒區(qū)渠道輸水工程，急需探索和突破更多經濟、合理、長期性的工程措施用來更有效的保障寒區(qū)渠道冬季正常輸水。

4 引洮工程主體結構設計特點及冬季低溫運行措施

我國幅員遼闊，南北氣溫差異較大，北方冬季比較寒冷、氣溫低，對引水工程特別是采用以明渠引水為主的工程影響較大。以甘肅省為例，自20 世紀50年代以來，先后建成的三角城電力提灌、靖會電灌、西岔電灌、興堡子川電灌、引大入秦灌溉工程、南陽渠灌溉工程等大、中、小型灌溉引水工程，運行期一般為每年的3月至11月，冬季均難以正常運行。

結合以往寒區(qū)引水渠道冬季實際運行經驗及研究成果，基于工程項目背景和沿線氣候及地質等綜合因素，引洮供水一期總干渠工程輸水建筑物除各類閘室段外均采用封閉設計?？偢汕忾]后可保證水質不受污染，提高供水安全，同時還能有效減少蒸發(fā)及其它因素引起的水量損失。

引洮總干渠以地下工程為主，隧洞及暗渠長度占線路總長度的 98.2%，具備冬季運行的良好條件?？偢汕苍O6 座渡槽，全長1.58km。設計采用箱形結構以實現封閉，槽身外側采用聚氨脂保溫板保溫，并提高了混凝土抗?jié)B與抗凍標號。沿線退水閘、分水閘閘前漸變段總長不足100m，可以根據實際運行需要采取覆土保溫、加設蓋板等臨時保溫措施，達到封閉渠道及防凍目的。綜合起來，其主體結構設計特點和技術措施具體如下：

（1）引洮供水工程自九甸峽水庫深層取水，保持取水口水庫維持較高水位運行。通過對九甸峽水庫的常年現場觀測，多年來水庫在整個寒冷冬季一直沒有出現冰封現象，僅在大壩及沿岸附近有少數浮冰。水庫深層水位水溫監(jiān)測結果表明，總干渠進水口高程在水庫正常蓄水位以下40.0m 左右的位置，整個冬季的進水口水溫在3～5℃左右。而且由于水庫的蓄水容量大，水的熱容體積大，外界低溫環(huán)境對深層水溫的影響有明顯的滯后效應，即在外界環(huán)境溫度最低的1月份，水庫深層水溫還處于較高溫度值，直到每年2月底到3月中旬，進水口水溫才達到最低值?？梢姡畮煺麄€冬季的高水位運行能導致進水口水溫較高，有利于冬季安全運行。這對渠道的冬季安全輸水提供了重要初始條件。

（2）根據施工圖設計成果，引洮供水一期工程總干渠渠線總長109.56km，其中隧洞17 座，總長95.44km，占渠線總長的87.1%；渡槽6 座，總長 1.58km，占渠線總長的 1.4%；暗渠總長12.16km，占渠線總長的 11.1%；進水口段長0.16km，退水閘及干渠分水閘共計 8 座，總長0.22km?？偢汕膊贾霉┧芫€分水口、支渠分水口、直斗渠分水口、車橋、排洪建筑物及下渠通道等橫向建筑物共計 68 座，全線總落差72.11m，平均設計縱坡1/1519。

引洮供水一期工程總干渠以隧洞—暗渠（渡槽）—隧洞相銜接的布置型式為主，暗渠渠頂置于季節(jié)性凍土活動層以下，渡槽外敷設保溫材料。根據引洮工程地質勘測報告可知，渠道沿線所經地區(qū)屬于季節(jié)性凍土地區(qū)，最大凍結深度不超過1.5m，見表1。根據設計要求，暗渠的上層回填覆土埋深均為1.5m，保證水體流過暗渠時，水溫沿程降幅不大，極端水溫不會低于0℃，同時能防止暗渠渠體基礎的凍脹破壞。實際上，對于明渠和天然河床的冰情現象的大量研究表明，渠體通過自由面水氣熱交換的天然散熱是導致水溫驟降所出現冰封的主要原因，熱量散失率達到了80%以上，水溫通過渠體的對流換熱散失的熱量僅占其中很少一部分。故封閉結構能有效阻止水體的熱散失，使其沿程水溫的降溫幅度得到進一步的有效控制。渡槽和暗渠作為整個沿線主體工程的部分結構形式，所占比例較小，而隧道由于其埋深深，對所經水體有保溫和增溫效果，而且所占比例較大，使得整個冬季輸水過程更加安全化。依據表1 及各總體結構的水力設計要素等情況，通過計算其綜合運行結果見表2。由表2 可知，整個引洮工程總干渠冬季輸水從進口到出口，沿程水溫不會低于0℃，出口水溫由于隧道的增溫效應還有小幅度的增大，整個冬季輸水無冰情現象出現。

表2 引洮工程冬季低溫環(huán)境運行特性綜合結果

（3）針對以上工程設計特點，結合以往冬季運行的成功經驗，仍需在冬季實際運行過程中，對沿線水溫進行時時監(jiān)控，并及時調整相應的實際運行方案，比如通過提高水體運行速度或流量來進一步保證渠道的冬季安全運行。

5 結 語

甘肅引洮一期供水總干渠工程根據地形地貌及沿線地質氣候等特點，為有效解決甘肅中部干旱地區(qū)城鎮(zhèn)生活及工業(yè)用水、農村人畜飲水及生態(tài)環(huán)境用水等難題，針對我國北方大部分地區(qū)的冬季輸水渠道特別是明渠出現的冰情現象以及渠體基礎的凍脹問題，通過維持水庫冬季高水位運行來提高渠道進水口水溫，主體結構采用全封閉地下工程為主，其中隧洞及暗渠長度占線路總長的 98.2%，使流經水體具備冬季運行的良好保溫及控溫條件，并通過對沿程水溫的監(jiān)控制定科學可行的運行方案，保障主體輸水結構安全及整個冬季供水正常。

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