譚新莉，孫紅麗，柳 輝，高紅濤

(1. 新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000；2. 中國(guó)電力建設(shè)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610072)

以往嚴(yán)寒地區(qū)長(zhǎng)距離輸冰渠道在進(jìn)行跨溝建筑物選擇時(shí)，往往認(rèn)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(shí)考慮會(huì)影響工程運(yùn)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(qū)，渡槽方案盡管投資小，但槽身保溫效果差, 存在冬季進(jìn)口阻冰和槽身結(jié)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(jīng)驗(yàn)，抗震性能較好，工期短，但填筑方量、邊坡防護(hù)及排洪建筑物工程量大，工程臨時(shí)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?jié)B性能好，工程占地和投資少，其應(yīng)用前景廣闊。

1 N工程跨溝建筑物的形式選擇

N工程區(qū)位于北疆高地震烈度(抗震設(shè)計(jì)烈度為Ⅷ度)的嚴(yán)寒地區(qū)，工程區(qū)最大溝位于渠道21～23 km處，溝谷相對(duì)高差為38～53 m，溝寬1.4 km。對(duì)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(jù)工程總體布置，結(jié)合當(dāng)?shù)氐匦螚l件，反復(fù)研究跨溝輸水建筑物形式，經(jīng)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(yōu)缺點(diǎn)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(jìn)入倒虹吸的可能性，而目前對(duì)于冰塊進(jìn)入倒虹吸后的運(yùn)動(dòng)規(guī)律很難掌握，更難加以控制，故防治倒虹吸發(fā)生冰塞的最有效最安全的做法依然是避免冰塊進(jìn)入倒虹吸。后期經(jīng)實(shí)地調(diào)研、反復(fù)論證、平衡利弊發(fā)現(xiàn)，考慮工程上游梯級(jí)電站已建成，冬季輸冰淤堵問題可能不嚴(yán)重，若能論證冰情對(duì)本工程不構(gòu)成危害，即可采用倒虹吸方案，這樣能節(jié)約不少投資，且工程運(yùn)行更加安全可靠，也更符合環(huán)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(diào)查上游水文站冰情資料統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，最早開始結(jié)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(shù)34.4 d，最長(zhǎng)封凍天數(shù)99 d，無封凍年數(shù)2 a。最大冰厚發(fā)生在2001年，最大河心冰厚為0.42 m，發(fā)生在2月3日，最大岸冰冰厚為0.76 m，發(fā)生在2月27日。工程所在河段內(nèi)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(yán)寒地區(qū)。因渠道冬季運(yùn)行，故渠道冬季的冰凌問題對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)電站的安全運(yùn)行至關(guān)重要。

2.2 北疆地區(qū)已建電站冬季運(yùn)行情況調(diào)查及分析

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與N工程有一定相似性的北疆地區(qū)已建引水式電站冬季運(yùn)行情況，分析其冬季運(yùn)行情況如下。

(1)2005年12月N工程附近其他河段冰塞封凍長(zhǎng)約12 km，最大冰塞厚度達(dá)5 m。同一時(shí)段調(diào)查N工程上游的J水電站庫(kù)尾，發(fā)現(xiàn)其下游約30 km的河道內(nèi)均沒有出現(xiàn)岸冰及流冰。說明上游若有已建水庫(kù)，將會(huì)大大減輕下游河道的冰害。一方面水庫(kù)蓄水?dāng)r截了上游河道的冰塊，避免了河道冰塊進(jìn)入下游渠道；另一方面，水庫(kù)的蓄水運(yùn)行可提高下泄水流的水溫，庫(kù)容越大，水深越深，下泄水流的水溫越高；據(jù)J水庫(kù)出庫(kù)水溫實(shí)測(cè)資料，冬季水溫基本在3～3.5 ℃，對(duì)于水電站而言，在尾水?dāng)嗝嫦掠嗡疁夭坏陀? ℃的距離范圍內(nèi)均不會(huì)結(jié)冰。

(2)對(duì)與N工程同處于一條河上的冰情進(jìn)行調(diào)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(shù)大于15 d，持續(xù)一個(gè)星期氣溫在零下27 ℃后，最上游渠首閘門凍住了，冰厚達(dá)80 cm。上游第一級(jí)電站冰塊尺寸直徑達(dá)2.5 m，厚達(dá)0.5～0.6 cm。上游第二級(jí)電站渠道內(nèi)冰塊寬約60～70 cm，最厚的地方約30 cm。由此可看出：梯級(jí)電站越位居上游，冰塊厚度越大，冰情越嚴(yán)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(chǎn)生的冰為主。

(3)對(duì)N工程附近其他河段電站引水渠道2個(gè)月實(shí)地測(cè)量，距電站下游15 km處河段冬季水溫在0～0.3 ℃之間，水庫(kù)下游15 km以內(nèi)沒有冰凌問題，近30 km以內(nèi)沒有封凍現(xiàn)象。說明此嚴(yán)寒地區(qū)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(jìn)出水量、水溫及水深有關(guān)。對(duì)于梯級(jí)電站處于下游的發(fā)電引水渠，渠道水溫主要受當(dāng)?shù)貧鉁睾蜕嫌翁菁?jí)電站出庫(kù)水溫度控制。水溫降低速率比升高慢，因升溫與太陽(yáng)短波輻射有直接關(guān)系[1]，當(dāng)水深較小時(shí)，太陽(yáng)短波貫穿整個(gè)水深，會(huì)使水溫迅速升高；而水體散熱是水面與大氣之間的對(duì)流，蒸發(fā)是主要因素。蒸發(fā)與風(fēng)速有關(guān)，當(dāng)氣溫低于水溫時(shí)，水溫會(huì)沿程減小，據(jù)京密引水渠經(jīng)驗(yàn)一般每10 km水溫降低1 ℃，在嚴(yán)寒地區(qū)會(huì)縮短，大約每5 km水溫降低1 ℃；南水北調(diào)經(jīng)驗(yàn)[2]：初始水溫為1 ℃，降至0 ℃所流經(jīng)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(shí)最短距離有40 km。零溫?cái)嗝骈L(zhǎng)度即指當(dāng)渠道初始水溫高于0°時(shí)，降至0°所需要的距離。零溫?cái)嗝骈L(zhǎng)度的長(zhǎng)短與明渠初始溫度、氣溫、低溫持續(xù)時(shí)間及明渠流量有關(guān)，初始溫度越高、氣溫越高、低溫時(shí)間越短、明渠流量越大，零溫?cái)嗝骈L(zhǎng)度越長(zhǎng)，反之越短。

2.3 冰情計(jì)算

(1)零溫?cái)嗝嫖恢玫挠?jì)算。根據(jù)規(guī)范[3],采用熱平衡分析法估算，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：L0為出庫(kù)斷面(如水電站尾水?dāng)嗝?至零溫?cái)嗝娴木嚯x；Q為水庫(kù)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(kù)水溫，℃。

J水庫(kù)出庫(kù)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(fā)電引水流量為15.6 m3/s，流量越大計(jì)算的零溫?cái)嗝骈L(zhǎng)度越長(zhǎng)，根據(jù)不同的工況計(jì)算的零溫?cái)嗝骈L(zhǎng)度最短為22.26 km，比渠道總長(zhǎng)度31 km要短，位于沖溝之前，說明在渠道的尾部段可能產(chǎn)生岸冰，但倒虹吸前基本沒有冰。

(2)不封凍距離的計(jì)算。根據(jù)規(guī)范[3]，采用經(jīng)驗(yàn)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(kù)單寬流量，m3/(s·m)；ts為與最小旬平均出庫(kù)單寬流量相應(yīng)時(shí)段的平均出庫(kù)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(kù)單寬流量相應(yīng)時(shí)段的平均出庫(kù)水溫ts取3 ℃，計(jì)算出本工程下游不封凍長(zhǎng)度約為129.5 km。

(3)渠道產(chǎn)冰量計(jì)算。根據(jù)規(guī)范[3],采用熱平衡分析法估算，計(jì)算公式如下：

(3)

式中：Qf為計(jì)算河段日產(chǎn)冰量(密實(shí)體)，m3/d；β為河段敞露度；l為計(jì)算河段長(zhǎng)度，m；B為計(jì)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(jié)冰潛熱，MJ/t；γi為結(jié)晶冰容重，一般近似地取0.917 g/cm3。

本工程區(qū)域全年太陽(yáng)總輻射量為136 kcal/cm2，冬季太陽(yáng)月總輻射量約為4.39 kcal/cm2，轉(zhuǎn)換為5.92 MJ/(m2·d)。計(jì)算的岸冰最大產(chǎn)冰量為160.3 萬(wàn)m3，折算成冬季的冰流量約0.2 m3/s，冰流量較小對(duì)工程影響不大。

3 長(zhǎng)距離冬季運(yùn)行渠道運(yùn)行方式選擇

河渠冰凌的生消過程比較復(fù)雜[4]，主要受熱力學(xué)因素、河渠形態(tài)、水力控制條件等制約，其中冰情的發(fā)展與氣溫變化有非常大聯(lián)系。隨著冬季氣溫的急劇下降，渠道內(nèi)水體冷卻，水流開始結(jié)冰。若水流流速較大，紊動(dòng)的混摻作用使水流的失熱現(xiàn)象幾乎在整個(gè)水體中進(jìn)行，所以不僅在水面形成薄冰和岸冰，在水體內(nèi)、底面也會(huì)形成海綿狀多孔隙的水內(nèi)冰。此時(shí)若氣溫還在不斷下降，渠道產(chǎn)冰量會(huì)逐漸增多，流冰密度增大，在斷面縮窄處、倒虹吸進(jìn)口、彎道、橋墩等建筑物處會(huì)發(fā)生卡堵。在流動(dòng)中，冰、水隨溫度的變化而相互轉(zhuǎn)換：水溫升高時(shí)冰融化成水，含冰量減少；水溫降低時(shí)水又凝結(jié)成冰，含冰量增多。當(dāng)冰蓋及冰花阻塞過流斷面，使?jié)裰芗哟蟆⑦^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(huì)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(zāi)害。尤其是跨溝建筑物選擇倒虹吸形式的冬季運(yùn)行渠道，通常倒虹吸管道斷面會(huì)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(gè)倒虹吸斷面相對(duì)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(huì)加劇渠道過水?dāng)嗝娴臏p小，導(dǎo)致水位迅速抬高，嚴(yán)重時(shí)可能造成渠水漫溢、破壞渠堤，冰害發(fā)生速度快，破壞程度也更嚴(yán)重。

由此冬季運(yùn)行的北方輸水渠道一般都無法避免冰凌問題。南水北調(diào)、京密引水，引黃濟(jì)青、引黃濟(jì)津等北方地區(qū)長(zhǎng)距離調(diào)水工程，這些工程的倒虹吸多處于寒冷地區(qū)，為避免遭遇冰害，渠道冬季輸水多采用結(jié)冰蓋運(yùn)行，即通過控制水流條件，降低水流流速，在水面形成連續(xù)穩(wěn)定的冰蓋，以水在冰蓋下流動(dòng)的方式輸水。倒虹吸進(jìn)水口在穩(wěn)定冰蓋下，穩(wěn)定運(yùn)行期不會(huì)有冰塊進(jìn)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(jìn)水口。利用冰蓋保溫作用是一種簡(jiǎn)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(diào)節(jié)水庫(kù)和揚(yáng)水站，又能免去冬季揚(yáng)水的動(dòng)力費(fèi)用，節(jié)省較多的工程投資，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益，故寒冷地區(qū)的輸水渠道經(jīng)常采用。

盡管形成連續(xù)冰蓋后，冬季運(yùn)行中的許多困難都會(huì)消除。但是冰蓋的形成使河道中的水力現(xiàn)象發(fā)生改變，引起流動(dòng)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(dǎo)致發(fā)電量的減少；冰蓋的形成還給河道的冬季管理及運(yùn)行帶來一系列新問題：如上游泄放流量調(diào)整、下游河道的水質(zhì)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(fā)，由于攔河引水樞紐至尾水渠退水口之間有灌區(qū)灌溉用水和生態(tài)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(nèi)大河灌溉用水和生態(tài)環(huán)境用水后，大于電站設(shè)計(jì)引水流量時(shí)，按設(shè)計(jì)引水流量引水發(fā)電，其余水量從原河道下泄；小于電站設(shè)計(jì)引水流量時(shí)，按可引水流量引水發(fā)電。因工程任務(wù)主要是水力發(fā)電，由此決定只要有水就發(fā)電的運(yùn)行方式，也決定了渠道冬季按可引水流量引水發(fā)電的運(yùn)行模式。因冬季引水流量不是固定值，導(dǎo)致渠道內(nèi)水深值變幅較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于結(jié)冰蓋運(yùn)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(jié)冰蓋運(yùn)行使水頭損失增加從而導(dǎo)致發(fā)電量減少，故N工程引水渠道按輸冰運(yùn)行設(shè)計(jì)，即提高水流流速，以冰水混合兩相流方式輸水。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范[6]第8.3.9條規(guī)定，輸冰渠道設(shè)計(jì)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(chǎn)生冰花；當(dāng)流速達(dá)到1.2 m/s時(shí)， 渠道岸冰即停止發(fā)展。因此N工程設(shè)計(jì)最小流速不低于1.2 m/s，以控制渠道岸冰的發(fā)展。

根據(jù)冰情計(jì)算結(jié)果分析，盡管地處嚴(yán)寒地區(qū)，因渠道從上游J水電站尾水取水，渠道起點(diǎn)源頭的初始水溫高，渠道在一定范圍內(nèi)不存在冰凌問題，不易封凍結(jié)冰。在這一段渠道內(nèi)設(shè)置倒虹吸，倒虹吸不會(huì)發(fā)生冰塞現(xiàn)象，冬季運(yùn)行是安全可靠的。計(jì)算的零溫?cái)嗝骈L(zhǎng)度最短為22.26 km，N溝位于零溫?cái)嗝嫔嫌蝹?cè)，且最大產(chǎn)冰計(jì)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(duì)本工程渠道冬季運(yùn)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(yīng)對(duì)措施

由于氣溫與冰情關(guān)系緊密，對(duì)于平常年份，冰對(duì)渠道運(yùn)行不會(huì)構(gòu)成危害，但對(duì)于冷冬年的嚴(yán)寒地區(qū)，實(shí)際運(yùn)行時(shí)難以完全避免冰害的發(fā)生。渠道形態(tài)、水力、熱力等因素將共同決定冰害何時(shí)何地發(fā)生[7]，且各因素之間相互影響、依存與轉(zhuǎn)化，機(jī)理復(fù)雜。

北疆已建一輸冰渠道冬季運(yùn)行時(shí)便出現(xiàn)如下情況；當(dāng)氣溫達(dá)-20 ℃時(shí)，渠道樁號(hào)25 km處有冰絮冰凌產(chǎn)生，當(dāng)?shù)貧鉁剡_(dá)-25 ℃時(shí)，于渠道樁號(hào)20 km處即產(chǎn)生冰絮冰凌。當(dāng)?shù)貧鉁氐陀?27 ℃時(shí)，渠道內(nèi)有冰塞現(xiàn)象。當(dāng)?shù)貧鉁氐陀?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(dá)5 m，為防止渠道漫頂，不得不停水。

上述工程冬季運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)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(huì)很快發(fā)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(yùn)行的渠道首要任務(wù)必須保證行冰順暢，有冰塞時(shí)需及時(shí)排冰，避免冰災(zāi)發(fā)生。以上工程冰情較N工程嚴(yán)重，但也充分顯示嚴(yán)寒地區(qū)當(dāng)寒潮來臨時(shí)，若不經(jīng)有效控制，冰塞、冰壩、閘門凍結(jié)等冰災(zāi)發(fā)展速度很快，冰害嚴(yán)重。

為應(yīng)對(duì)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(nèi)結(jié)冰造成倒虹吸冰塞，確保工程運(yùn)行安全，擬定以下應(yīng)急搶險(xiǎn)方案：①引水樞紐處冬季采取抬高水位至正常引水位運(yùn)行，攔蓄天然河道的冰凌，形成近庫(kù)前冰蓋，減少入渠冰塊、冰凌數(shù)量。②倒虹吸進(jìn)水室前布置回轉(zhuǎn)式攔污排冰機(jī)，將進(jìn)口段前的大冰塊撈出后水沖至退水渠內(nèi)排出。③適當(dāng)提高倒虹吸上、下游水頭差，增大管內(nèi)流速，降低淤堵的可能性。③加強(qiáng)工程區(qū)域內(nèi)的氣候、天然河道和引水渠內(nèi)冰凌的監(jiān)測(cè)。如遇到特殊年份，冰凌特別嚴(yán)重時(shí)，需關(guān)閉節(jié)制閘門，打開退水閘，確保建筑物的安全運(yùn)行。

倒虹吸工程易出現(xiàn)險(xiǎn)情的部位主要是進(jìn)口閘前，當(dāng)浮冰較多時(shí)易形成冰塊疊加壅堵，使過水不暢，最終形成冰壩，此時(shí)最易出現(xiàn)險(xiǎn)情。為此除以上應(yīng)急搶險(xiǎn)方案外，還需加強(qiáng)冬季輸水期間的巡視監(jiān)測(cè)，觀測(cè)、記錄冰情，及時(shí)了解冰情的進(jìn)展情況并采取應(yīng)急方案；同時(shí)，成立冰期輸水工程搶險(xiǎn)隊(duì)伍，負(fù)責(zé)冰情出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)及時(shí)搶護(hù)，避免冰情趨于嚴(yán)重，確保觀測(cè)安全及輸水的順利進(jìn)行。

5 結(jié) 語(yǔ)

N工程跨溝建筑物采用倒虹吸方案可節(jié)省投資8 037 萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。工程建成運(yùn)行4 a，至今未發(fā)生冰害?？偨Y(jié)本工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)如下：

(1)本工程的成功實(shí)踐，填補(bǔ)了嚴(yán)寒地區(qū)長(zhǎng)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(yán)寒地區(qū)處于下游梯級(jí)電站輸冰運(yùn)行的引水渠，在零溫?cái)嗝骈L(zhǎng)度范圍內(nèi)設(shè)置倒虹吸的安全運(yùn)行提供依據(jù)。

(2)引水渠若處于下游梯級(jí)電站，可考慮渠道初始水溫受上游梯級(jí)電站出水溫度的影響作用，一般情況下水電站冬季出庫(kù)水溫基本在3 ℃左右，寒冷地區(qū)經(jīng)驗(yàn)一般每10 km水溫降低1 ℃，嚴(yán)寒地區(qū)會(huì)變短，大約每5 km水溫降低1 ℃。

(3)零溫?cái)嗝骈L(zhǎng)度的長(zhǎng)短與明渠初始溫度、氣溫、低溫持續(xù)時(shí)間及明渠流量有關(guān)，初始溫度越高、氣溫越高、低溫時(shí)間越短、明渠流量越大，零溫?cái)嗝骈L(zhǎng)度越長(zhǎng)，反之越短。

(4)嚴(yán)寒地區(qū)需充分考慮冷冬年冰害發(fā)生的可能性及應(yīng)對(duì)預(yù)案。為保證工程安全，必須設(shè)置有效的應(yīng)急搶險(xiǎn)方案防止出現(xiàn)冰害，同時(shí)加強(qiáng)冬季輸水期間的巡視監(jiān)測(cè)。