周旭銳

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000）

1 工程概況

新疆北部某供水工程工程等別為Ⅱ等，工程規(guī)模為大（2）型，由南干渠及尾部調(diào)節(jié)水庫(kù)組成，南干渠由頂山隧洞、戈壁明渠（全長(zhǎng)141.7 km）、沙漠明渠（全長(zhǎng)166.5 km）、平原明渠（全長(zhǎng)56.2 km）組成。設(shè)計(jì)水平年輸水流量68～75 m3/s，年有效輸水期為每年的4月中旬～10月。該供水工程緩解了新疆北部地區(qū)的工、農(nóng)業(yè)和生態(tài)用水矛盾，是國(guó)家重點(diǎn)引水工程。工程位于新疆北部的高緯度地區(qū)，冬季時(shí)間長(zhǎng)、氣溫低，冬季運(yùn)行不可避免地會(huì)遇到冰期輸水問(wèn)題，渠道冰情的發(fā)展會(huì)改變輸水條件并影響渠道運(yùn)行控制方式，需對(duì)渠道冬季結(jié)冰蓋輸水的可行性進(jìn)行研究。

2 冰蓋下輸水的數(shù)值模擬

2.1 臨界弗勞德數(shù)

動(dòng)態(tài)冰蓋發(fā)展的模式一般由第一臨界弗勞德數(shù)Fr1和第二臨界弗勞德數(shù)Fr2理論來(lái)進(jìn)行判斷。當(dāng)冰花流速較緩慢、冰花厚度及冰花的抗擠壓強(qiáng)度較大時(shí)，冰花體運(yùn)動(dòng)至冰蓋前緣處即停止運(yùn)動(dòng)，附著堆積而使得冰蓋前緣不斷向上游發(fā)展。當(dāng)冰花流速較高，冰花厚度及冰花的抗擠壓強(qiáng)度較小時(shí)，冰花體運(yùn)動(dòng)至冰蓋前緣處被擠壓破碎，隨之下潛。下潛的冰花是出現(xiàn)冰塞、冰壩的誘發(fā)物。

若水流弗勞德數(shù)Fr小于Fr1，冰蓋以并置積聚形式向上游推進(jìn)，其推進(jìn)速度由質(zhì)量守恒原理確定。若水流弗勞德數(shù)Fr超過(guò)Fr2，冰蓋前緣將不再向上游發(fā)展，這時(shí)上游冰花將流向下游，直到水流速度較小的河段，滿足冰花上浮的要求。若水流弗勞德數(shù)Fr大于Fr1，小于Fr2，冰蓋將以水力加厚的方式向上游推進(jìn)，上游冰花潛入冰蓋下前緣附近運(yùn)動(dòng)，冰蓋厚度迅速增加，冰蓋前緣水位壅高，底部水流分離，冰蓋前緣來(lái)流量一定時(shí)，隨著冰蓋前緣厚度增加，水流弗勞德數(shù)Fr逐漸下降，當(dāng)小于Fr1時(shí)，冰蓋前緣繼續(xù)向前推進(jìn)。

Pariset和Hausser根據(jù)冰塊的穩(wěn)定條件提出了Fr1的公式[1]：

一般認(rèn)為水流的弗勞德數(shù)Fr大于Fr1時(shí)，冰塊會(huì)下潛；大于Fr2時(shí)，冰蓋停止向上游發(fā)展[2]。目前還沒(méi)有合適的方法來(lái)確定浮冰塊的尺寸，在有冰情觀測(cè)數(shù)據(jù)的條件下，一般采用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的方法來(lái)確定臨界弗勞德數(shù)的大小。孫肇初和沈洪道在黃河現(xiàn)場(chǎng)觀察到Fr2近似為0.09[3]，故本工程取Fr2=0.09。

2.2 冰蓋下輸水的數(shù)值模擬

2.2.1 工程冬季氣象條件

因?yàn)檩斔こ逃赡贤笨缭?00多公里，這些氣象數(shù)據(jù)分屬沿線不同的氣象站，典型位置冬季平均氣溫見(jiàn)表1。

表1 氣溫測(cè)站冬季平均氣溫表 ℃

2.2.2 蓋下輸水的冰情計(jì)算結(jié)果

結(jié)冰蓋輸水要求渠道水位抬高，以便結(jié)成冰蓋后冰蓋下有足夠的過(guò)水空間。渠道的弗勞德數(shù)Fr不能超過(guò)0.09，否則冰花會(huì)在冰蓋前緣下潛，使得冰蓋無(wú)法向上游推進(jìn)，而且下潛的冰花很容易附著在冰蓋下表面形成冰塞，附著在閘門(mén)、攔污柵上阻塞渠道。若水流弗勞德數(shù)Fr控制在0.06以下，則對(duì)于渠道冰蓋下輸水將更為有利。因?yàn)樵谶@種水流條件下，冰蓋厚度均一，能夠形成穩(wěn)定冰蓋；在春季開(kāi)河階段，整個(gè)渠段的冰蓋也易于同時(shí)消融[4]。

對(duì)于新疆北部供水工程而言，如果輸水沿線仍采用正常輸水的運(yùn)行方式，即渠道中各節(jié)制閘門(mén)完全開(kāi)啟，不對(duì)渠道水位加以控制，那么渠道中水流的弗勞德數(shù)Fr將會(huì)超過(guò)0.09。而且冰蓋的生成、推進(jìn)和消融將會(huì)使得渠道的輸水條件發(fā)生改變，引起渠道的水位、流量發(fā)生較大的變化，容易造成冰蓋的破裂，繼而引發(fā)冰害。因此，為了能夠?qū)崿F(xiàn)渠道冬季結(jié)冰蓋輸水，工程沿線的節(jié)制閘必須參與渠道的水位、流量的調(diào)控。在結(jié)冰期到來(lái)之前，抬高閘前水位，減小渠道的輸水流量，降低水流的弗勞德數(shù)Fr，在冰期運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)閘前常水位的運(yùn)行控制方式，保證冰蓋的穩(wěn)定和渠道的安全。在工況設(shè)計(jì)時(shí)，我們根據(jù)節(jié)制閘前可能抬高的水位，將各節(jié)制閘前的控制水位確定在低于當(dāng)前渠道襯砌頂高程0.5 m的位置。

根據(jù)冰花在冰蓋前下潛的弗勞德數(shù)Fr=0.09，由Fr=V/gh以及明渠均勻流公式，經(jīng)過(guò)計(jì)算，采用冰蓋下輸水模式的最大輸水流量為10 m3/s，而且在計(jì)算的過(guò)程中假定輸水沿線各分水口不分水。

3 冰蓋下輸水的可行性分析

3.1 冰蓋下輸水的能力

由于本工程渠道為寬淺型，渠道內(nèi)水位閘前允許抬高的水位有限，為了降低Fr，冬季冰期輸水能力將大大降低，輸水流量為10 m3/s。

在不采取任何保溫措施的情況下，平原明渠44+955斷面流量和冰厚隨時(shí)間變化曲線分別見(jiàn)圖1、圖2。從圖1、圖2中可見(jiàn)，隨著渠道冰蓋的生成，輸水阻力增加，輸水流量減小。當(dāng)冰蓋穩(wěn)定以后，冰蓋糙率逐漸減小，輸水阻力隨之減小，輸水流量緩慢增加。

圖1 平原明渠44+955斷面流量變化

圖2 平原明渠44+955斷面冰厚變化

3.2 冰蓋下輸水的可行性分析

根據(jù)前面的數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，本工程采用冰蓋下輸水存在如下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）由于渠道底坡相對(duì)較大，且渠池很長(zhǎng)（最長(zhǎng)渠池約29 km），各渠池上游水流弗勞德數(shù)一般大于0.09。因此不斷產(chǎn)生的冰花向下游輸運(yùn)，極易導(dǎo)致懸冰壩的產(chǎn)生，嚴(yán)重時(shí)阻塞水流，使得渠段上游水位抬高，下游輸水中斷。

（2）本輸水渠道水流弗勞德數(shù)相對(duì)較大，冰蓋只能以水力加厚的形式向上游發(fā)展，因此冰蓋形成的很慢，不能滿足冰期盡快形成冰蓋的要求。當(dāng)春季來(lái)臨氣溫回升，上游的冰蓋將會(huì)很快融化，而下游冰蓋仍有較大的冰厚。上游冰蓋融化使得渠道上游輸水阻力減小，使得渠段向下的輸水流量快速增加，嚴(yán)重時(shí)水鼓冰裂，破碎的冰塊向下輸運(yùn)的過(guò)程中破壞渠道和下游冰蓋，最終導(dǎo)致冰壩災(zāi)害。

（3）輸水工程沿線的最大冰蓋厚度達(dá)1.4 m。冰水力學(xué)理論是以浮動(dòng)冰蓋的假設(shè)為理論基礎(chǔ)的，即冰蓋是浮于水面的，在冰蓋從渠道下游向上游推進(jìn)的過(guò)程中，冰蓋與水位一起抬升。由于本工程冰期輸水流量小，渠段上游的水深也較小，如果冰蓋與堤岸完全凍結(jié)，使得冰蓋不能隨水位浮動(dòng)，那么整個(gè)渠道斷面將凍結(jié)而喪失輸水能力。

（4）渠道的凍脹破壞是渠道冬季輸水破壞的主要原因之一。例如：南水北調(diào)中線工程是按照冰蓋下輸水而設(shè)計(jì)的，渠道在設(shè)計(jì)階段已經(jīng)考慮了凍脹的影響，但是中線干渠京石段在2008-2012年冬季臨時(shí)供水時(shí)，仍然在局部渠段出現(xiàn)了渠道襯砌的凍脹破壞。

4 結(jié)語(yǔ)

由于本工程處于高寒地區(qū)，若冬季按照冰蓋下輸水的方式運(yùn)行，輸水流量小，運(yùn)行控制難度大，且渠池內(nèi)冰蓋不能同時(shí)消融，容易導(dǎo)致冰塞和冰壩等危害的發(fā)生。因此不建議進(jìn)行冬季結(jié)冰蓋輸水。