周旭銳
(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,烏魯木齊 830000)
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。
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。
2.2.1 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。
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
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。
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。