济南至引黄济青明渠段冰期输水安全研究

张灵真，韩凤来，崔积家

（山东省水利勘测设计院，山东 济南 250013）

济南至引黄济青明渠段工程是南水北调东线一期工程胶东干线西段工程的设计单元之一，位于山东省中部，胶东地区西部，地理坐标东经 117°4′～118°7′、北纬 36°41′～37°7′之间。工程区域北邻黄河，南依泰沂山脉，西起山东省济南市历城区，途经章丘、邹平、博兴、高青、桓台，东至山东省引黄济青工程。冬季输水是渠道的一个正常运行工况，当区域内出现负温，因天气过冷渠水出现冰凌，且冰情随气温变化而变化，如果控制运行不得当，容易引发冰塞、甚至溃坝等冰害。 引黄济青工程位于北纬 36°30′～37°30′，与济南至引黄济青明渠段工程同属南温带气候区，在其运行的15年中，有5年是在有冰盖的情况下完成输水的，有冰期输水经验。明渠段工程设计过程中，充分消化吸收引黄济青工程冰期输水经验，对冰期输水安全做了深入研究，并提出了相应的预防措施。

1 冰害成因

工程建设区内冬季气温较低，负温持续时间较长。根据长系列气温、气象资料分析，工程所在地区年内极端最低温度达-19.5℃，历年最大冻深60 cm，多年平均冻结指数99～207.6℃·d，每年当日气温转负一般始于11月下旬，终于次年2月下旬，最长达107 d。根据沿线气温系列推算，冰期的起始时间，最早为12月，最晚可推迟到1月上旬，消融结束时间一般在2月下旬，最晚在3月上旬。根据《山东省水文图集》中的有关图表，明渠段工程建设区内多年平均开始封冻日期为12月23日，多年平均最后开河日期为2月3日，与引黄济青工程统计分析资料一致。

随着气温下降，水体通过水面与大气交换热量，当水温降到0℃后，如果继续保持低温，则水面继续向大气消散热量，发生水的过冷状态，当水温继续降至约－0.05℃时，渠道内将出现冰晶、冰絮。由于接近岸边的水面热量散失较强，岸边水流流速较渠道中心小，所以最先开始结成岸冰。白天阳光充足时，岸冰脱落形成流冰。冰块悬浮在水中，水体粘滞力增加，同等流量下水位增高，在建筑物前、渠道弯道及突变处，易堆积堵塞，抬高水位，冰塞严重时，可达到整个过流断面基本不过流，易引发漫堤决口，甚至溃坝。当形成封冻冰盖后，随着冰层加厚，冰体对渠坡的衬砌体产生冰压力和冰推力，造成衬砌体破坏或将衬砌体推上渠坡。

2 冰盖输水控制因素

冰盖下输水方式是实现冰期安全输水最适合的方式，该方式要求在输水期应保持一个相对稳定的输水流量。进入结冰期，渠道首先产生流冰，当超过渠道输水最大挟冰能力时，流冰就要在渠道转弯处及断面突变处堆积形成冰盖，并逐渐向上游推进。借助控制建筑物调控，可形成适宜产生冰盖的水流条件，保证流冰不下潜，且不降低渠道输水规模，形成稳定的冰盖流，随着气温转暖，冰盖逐渐消融，冰盖消融阶段时间最短。

明渠段工程冰盖下设计输水流量为50 m3/s。

2.1 冰盖形成的条件分析

由流冰转为连续冰盖一般应具备3个条件：1）流冰的体积密度＞1.0，并持续 5～8 h；2）水流的流速小于约 0.3 m/s，延续 5～8 h；3）气温低于－8 ℃，延续 5～8 h。

上述冰盖形成条件能够人为控制的就是降低输水流速。在输水流量不变的条件下，通过增大过流断面可以降低流速。在输水渠段中，可以通过下游控制建筑物来加大建筑物上游水深，减小输水水面比降，以达到降低流速的目的。

2.2 控制建筑物布置

在冰盖形成及消融过程中，利用输水河沿线泵站、倒虹、涵闸前控制闸门壅高水位，对保证冰期输水安全起到了至关重要的作用。控制闸门壅高水位，使局部成为非均匀流，流速变小，流冰堆积，按照冰盖的形成条件，通过闸门控制形成的冰盖早且厚，冰盖的消融时间延长，冰期输水时间也就更长。如不建闸控制闸上水位，在输水时遇气温骤降，由于形成冰盖水位壅高、槽蓄量增加、下泄量减少，会使下一渠段形成的冰盖较低，不利用闸门加以控制，任其自然形成的冰盖是一个上游高下游低的斜面，影响输水和过流安全。融冰时不利用闸门控制，由于输水渠较长，各地温度不同，融冰时间早晚不一，上游融冰下泄量增加而下游尚有冰盖，也易出险。因此，冰盖形成及消融过程中利用各级涵闸及倒虹闸门适时控制水位是非常必要的。

一般来说，渠道比降越大，闸门间的间距就应该越小，宜控制在8～10 km左右。明渠段工程，渠道上有控制闸门的建筑物共13座，间距在4.5～10.5 km之间。

2.3 冰期输水能力控制指标分析

2.3.1 闸前（控制建筑物前）控制水深确定

有研究表明，水流弗洛德数Fr的大小决定了冰盖的推进模式。大多数渠道当弗洛德数Fr＞0.08～0.12时，易发生冰塞。因此，闸前控制水深应按照该断面处的弗洛德数控制，使弗洛德数Fr降低到发生冰塞的临界值Fk以下，据此求得冬季冰盖下输水条件下的设计水深。

2.3.2 综合糙率确定

冰盖糙率nb不是一成不变的，初始冰盖的糙率较大，随着水流冲刷，冰盖底面的棱角逐渐变圆滑，糙率值逐渐变小。对于人工开挖渠道，在稳定输水的条件下，当平均流速在0.4～0.7 m/s时，冰盖糙率一般在0.010～0.012之间，根据引黄济青工程输水观测成果分析，取冰盖对水流的糙率为0.011。

2.3.3 冰盖下输水水面线推算

冰盖下输水水面线的计算，采用恒定非均匀流的方法，渠道下游的闸上控制水深作为相邻闸门渠段的起始水深，按设计输水流量自下游向上游推算输水水深，输水水深应满足闸下、闸上断面处的弗洛德数Fr小于临界值Fk。

明渠段工程不同比降的闸上控制水深分别为4.2 m、3.9 m、3.8 m，计算成果见表1。

表1 不同比降渠段冰盖下闸上控制水深计算成果

2.3.4 水流流速复核

水流流速影响渠道冰盖的发展模式，结冰期内渠道断面的平均流速不超过0.6 m/s时，冰块停滞在冰盖前沿，冰面堆积到一定厚度后，逐渐向上游发展，并形成冰盖。明渠段闸门控制渠段内的平均流速均为0.6 m/s，满足形成冰盖的水流流速要求。

2.3.5 冰盖下输水能力复核

冰期输水水面线推算时，湿周、水力半径及糙率均考虑有冰情况下综合因素。由表1可知，在渠道设计输水流量下，水位雍高0.8～1.2 m，占设计输水水深的27%～40%，过水断面增加，水面比降变缓。因此，在设计条件下能够满足冬季冰盖下输水要求，并且上下游断面的弗洛德数均小于形成冰盖的临界值。

引黄济青工程实际观测资料表明，在设计流量下，有冰盖时，水位雍高20%～40%，在设计水位，有冰盖时，渠道的输水能力减少了约1/3。这与明渠段工程计算成果相吻合。

2.3.6 衬砌高度的复核

相同流量下，冰盖输水和流冰输水时，水位抬高，渠道的衬砌高程应考虑冰期水位壅高和冰盖厚度两个因素。渠道设计输水水深3.0 m，1/10 000渠段的闸上控制水深最高高出设计输水水深1.2 m，工程区域内的冰盖厚度一般在20～30 cm，因此明渠段工程的衬砌超高不小于4.5 m。

3 冰害防治措施

3.1 工程措施

1）渠道的设计断面、衬砌高度应满足冰期输水要求，防止壅冰外溢或不满足输水规模；2）合理布置节制闸或控制建筑物，有利于冰盖的形成和稳定；3）跨渠桥梁梁底与冬季输水冰盖间净空满足规范要求；4）弯道处，渠道的转弯半径宜大于10倍的水面宽度，谨防冰块堆积堵塞；5）闸前及控制建筑物前设拦冰锁，防止冰塞；6）闸门设计满足冰期输水水位要求，并配备加热除冰措施，保证冰期启闭正常，便于运行控制；7）渠道沿渠纵方向的衬砌体分缝要避开冰盖区，防止因分缝造成衬砌体抵抗冰盖外力的能力变弱；8）建立自动化调度运行管理系统，为统一调度和指挥提供信息支持。

3.2 调度方案

冰期输水的调度运用，要做到“统一调度，水位高稳、流量均衡、持续不断、控制闸门”。1）输水渠在冰期一般处于高水位、满负荷（个别段甚至超负荷）运行，因此，必须做到全线统一调度。2）各控制建筑物之间的输水流量要匹配，避免输水渠水位、流量波动，影响冰期输水，造成弃水或出现安全事故。3）输水渠形成冰盖后，水位壅高0.8～1.2 m，因此，控制建筑物闸上水位必须保持高于设计水位运行，以免控制建筑物前形成较低的冰盖影响过流。4）冬季冰期输水应控制渠道沿途水闸、倒虹进口闸门上游水位，严格控制渠道内流速及水位变化幅度。5）输水渠低水位停水时，由于水位低，水体蓄热少，其结冰厚度要为正常输水时的2～3倍。低水位停水后，再恢复输水，由于来水使静水形成的冰盖破坏，产生大量流冰，进而形成冰塞。6）输水期停水后再恢复输水时，应注意在适当时机逐段将水位壅起再输水，输水时应使流量慢慢由小到大，以免造成冰塞。停水时也应慢慢进行，以免水位骤降，使冰盖坍塌，或扬压力破坏渠道衬砌。

3.3 应急处理措施

在发生险情时，可采用以下措施应对：1）渠道沿线管理处、所配备一定数量的破冰、捞冰机械，为出现重大险情时做好弃冰准备；2）开启险情地段的退水闸，向当地河、沟排冰减险和冰凌存储。

4 结论

1）薄板混凝土衬砌渠道冰期输水安全一直是南水北调设计中的一个难题，造成冰害的原因是多方面的，单一措施难以保证输水安全，只有充分了解冰期输水机理，将工程措施与调度运行相结合，信息化技术与常用技术相结合，并做好应急预案工作，才能为安全运行提供保障。

2）冰情地域差异很大，随着纬度增加，结冰期越来越长，冰害也更为严重。在冰期输水安全的课题研究中，只有经原型观察试验中提取数据，综合分析，归纳总结，才能不断提高理论水平和技术能力。