引洮一期供水工程冬季安全输水运行技术措施研究

朱发昇 陈 武 张 东

（1.甘肃省水利水电勘测设计研究院 甘肃兰州 730000；2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室 甘肃兰州 730000）

1 引言

对于北方寒冷地区的水工建筑物及输水渠道，在冬季运行过程中均存有冰阻、冰塞、冻融、地基土冻胀等问题，使不少工程结构发生不同程度的破坏，尤其是明渠冬季冰期输水引起的冰害和满溢决口对工程的破坏更为严重。对冰害认识不足和处理不当导致我国约 50%的水利水电工程不能正常运行，甚至遭到损毁。这对渠道的输水安全及周围环境都造成了很大影响。我国长江以北的广大区域都属于季节性冻土区，其中冻结深度大于 0.5m 的地区占国土面积的一半以上。水工建筑物的冻害，特别是渠道防渗衬砌结构的冻胀破坏在我国北方是较为普遍而严重的问题，致使渠系水利用率低于 60%，并且每年反复发生冻胀破坏，年运行维护成本很高。如何实现冬季安全输水，有效解决和防止渠道冻胀及在输水过程中冰害现象的发生，一直是国内外水利研究人员长期关注和尚待解决的问题。

针对上述问题，依托甘肃引洮一期供水工程项目，开展了寒区输水渠道在冬季低温环境下的运行特性及冬季安全输水可行性研究，防止冬季输水运行过程中潜在冰冻害现象的发生，保障寒区引水渠道的冬季安全运行。

2 工程概况

洮河九甸峡水利枢纽及引洮供水工程（简称引洮工程）是甘肃省规划建设的大型水利枢纽及跨流域调水工程，其建设任务是重点解决中部干旱地区城镇生活及工业用水、农村人畜饮水及生态环境用水，兼有灌溉和发电等综合利用功能。建设内容包括九甸峡水利枢纽和引洮供水工程。工程项目分两期实施，一期工程建设九甸峡水利工程和引洮供水一期工程。引洮供水一期工程外调水总量21891.03万m3，供水区包括安定区、陇西县、渭源县、临洮县、榆中县和会宁县6 县（区）的57 个乡镇，主要用水户为城镇居民、农村人畜、工业企业和新发展灌区，设计灌溉面积1.27万hm2。

总干渠承担了引洮供水一期工程全部的供水任务，除向各级灌溉渠道分水外，还担负着向定西市区及陇西县城供水的任务。这两条管线对解决定西市及陇西县城工业及生活用水短缺的问题具有重要的意义。定西供水管线全长19.38km，一期年供水3005.80万m3；陇西供水管线全长27.64km，一期年供水4241.61万m3。由于这两条供水管线末端均不具备建设大型调蓄设施的工程条件，因此，只能通过延长总干渠供水时间来解决调蓄不足的问题。此外，引洮供水一期工程2020 设计水平年配置非农业用水占总调水量的近70%，占较大部分，主要用于满足区内城镇生活与工业用水，以及二、三产业发展和种养业产业化发展的多元需水要求，非农业用水对水质的要求较高。基于上述因素，故供水渠道有冬季输水要求。

引洮供水一期工程总干渠进水口位于洮河九甸峡水利枢纽大坝以上约 400m 处的洮河右岸，总干上段渠线以隧洞和跨沟连接建筑物型式相继穿越或跨越洮河流域支流桥道堡沟、宗丹沟、漫坝河及东峪沟等沟道，经由总干渠7#隧洞穿越洮河及渭河流域分水岭，9#隧洞穿越渭河及祖厉河流域分水岭，然后进入引洮供水一期工程主要受益区祖厉河流域关川河上游的定西内官—香泉盆地一带。总干渠下段沿内官盆地南缘向东偏南行进，跨过乌龙川、水岔沟及吴家川等盆地边缘沟谷，经15#隧洞穿越大营梁分水岭进入渭河流域，在大营梁南坡马河镇结束。见图1。

甘肃引洮一期供水工程及供水区气候属北温带温和干旱、半干旱区，受地形及纬度影响，区域内气候具有较明显的分带性，总体特征是降水稀少，气候干燥，夏季不热，冬季寒冷，日照时间长，气温日差大。

图1 引洮供水一期工程总干渠分布图

根据供水区气象统计资料，其年均气温 6℃～10℃，历年极端最高气温 37.8℃，极端最低气温-29.6℃，多年平均风速 1.1～3.2m/s，多年平均日照时数2131～2666h，稳定超过0℃的活动积温 2000～3500℃，10℃以上的积温1000～3000℃，详见表1。

表1 引洮工程沿线主要气象要素表

3 目前寒区渠道冬季输水存在的冰害问题及主要措施

根据国内外已建成工程运行情况调查表明，冰害的主要类型有以下几种。（1）秋、春季流冰期及冰封期，由于水位变动较大，在建筑物前易形成冰坝或冰堆，流冰期因排泄而聚集的冰，会造成闸门的破坏。有时因为冰块的尺寸可能大于泄水孔的宽度，从泄水孔不能排泄冰。（2）冰体堵塞取水口首部，导致渠道过水能力的下降。（3）沿渠形成的冰塞，会束窄渠道过水面积，使水位抬高，造成渠水漫溢，导致渠堤破坏，两岸淹没。（4）冰体还会破坏渠道护坡，并且由于破碎冰盖的移动和水位的变动，在建筑物前形成冰堆。

国内外的输水工程为保证实现冬季正常输水，采取了许多工程措施，归纳起来主要有以下2 种方法：（1）利用滞冰建筑物(有时也结合水流的整治)和水流调节的方法控制冰盖形成并维持冰盖稳定，其中采用水流调节方法中的一个重要的考虑因素是选择适当的时间对水流进行控制调节。另一个重要的考虑因素是河道上游河段和水库的水温。根据已有的工程经验及研究表明，只要能维持冰盖的稳定，冰盖下的输水是可以得到保证的。需要注意的是，无论是要形成冰盖，维持冰盖稳定还是在冰盖下输水，能否保持一个较低的流速(一般流速应小于0.3～0.4m/s)和较为稳定的水位(水位波动不超过10cm/h)是冰盖下输水成功与否的关键。只有流速水位得到控制，流量保持相对的稳定，冰盖才能在封冻期形成，并在开河期就地融化，不产生集中流冰。另外，在冰盖下输水时，渠道中的水位不能过低，否则水体蓄热少，结冰厚度要比正常输水时大2～3倍。低水位停水后，再恢复供水是很危险的，来水可能会破坏冰盖，形成流冰，易于造成冰塞。（2）排冰工程技术和化冰工程技术。其中化冰工程技术包括保温法和增温法。保温法有结冰盖、暗渠、埋管、暖棚、廊道、喷塑和泡沫板等运行方式；增温法有引泉水入渠、打井抽地下水入渠、引工业冷却水入渠和引大型水库深层水入渠等运行方式。

无论是采用冰盖下输水，还是排冰技术或者化冰技术维持渠道冬季低温寒冷下的安全输水，实际上每年寒季都需要动用大量的人力、物力、财力，同时对渠道输水运行调度及维护都提出了更高的技术要求。对于高寒地区每年的冬季输水也是被动采用的临时性工程措施术。因此对于我国寒区渠道输水工程，急需探索和突破更多经济、合理、长期性的工程措施用来更有效的保障寒区渠道冬季正常输水。

4 引洮工程主体结构设计特点及冬季低温运行措施

我国幅员辽阔，南北气温差异较大，北方冬季比较寒冷、气温低，对引水工程特别是采用以明渠引水为主的工程影响较大。以甘肃省为例，自20 世纪50年代以来，先后建成的三角城电力提灌、靖会电灌、西岔电灌、兴堡子川电灌、引大入秦灌溉工程、南阳渠灌溉工程等大、中、小型灌溉引水工程，运行期一般为每年的3月至11月，冬季均难以正常运行。

结合以往寒区引水渠道冬季实际运行经验及研究成果，基于工程项目背景和沿线气候及地质等综合因素，引洮供水一期总干渠工程输水建筑物除各类闸室段外均采用封闭设计。总干渠封闭后可保证水质不受污染，提高供水安全，同时还能有效减少蒸发及其它因素引起的水量损失。

引洮总干渠以地下工程为主，隧洞及暗渠长度占线路总长度的 98.2%，具备冬季运行的良好条件。总干渠共设6 座渡槽，全长1.58km。设计采用箱形结构以实现封闭，槽身外侧采用聚氨脂保温板保温，并提高了混凝土抗渗与抗冻标号。沿线退水闸、分水闸闸前渐变段总长不足100m，可以根据实际运行需要采取覆土保温、加设盖板等临时保温措施，达到封闭渠道及防冻目的。综合起来，其主体结构设计特点和技术措施具体如下：

（1）引洮供水工程自九甸峡水库深层取水，保持取水口水库维持较高水位运行。通过对九甸峡水库的常年现场观测，多年来水库在整个寒冷冬季一直没有出现冰封现象，仅在大坝及沿岸附近有少数浮冰。水库深层水位水温监测结果表明，总干渠进水口高程在水库正常蓄水位以下40.0m 左右的位置，整个冬季的进水口水温在3～5℃左右。而且由于水库的蓄水容量大，水的热容体积大，外界低温环境对深层水温的影响有明显的滞后效应，即在外界环境温度最低的1月份，水库深层水温还处于较高温度值，直到每年2月底到3月中旬，进水口水温才达到最低值。可见，水库整个冬季的高水位运行能导致进水口水温较高，有利于冬季安全运行。这对渠道的冬季安全输水提供了重要初始条件。

（2）根据施工图设计成果，引洮供水一期工程总干渠渠线总长109.56km，其中隧洞17 座，总长95.44km，占渠线总长的87.1%；渡槽6 座，总长 1.58km，占渠线总长的 1.4%；暗渠总长12.16km，占渠线总长的 11.1%；进水口段长0.16km，退水闸及干渠分水闸共计 8 座，总长0.22km。总干渠共布置供水管线分水口、支渠分水口、直斗渠分水口、车桥、排洪建筑物及下渠通道等横向建筑物共计 68 座，全线总落差72.11m，平均设计纵坡1/1519。

引洮供水一期工程总干渠以隧洞—暗渠（渡槽）—隧洞相衔接的布置型式为主，暗渠渠顶置于季节性冻土活动层以下，渡槽外敷设保温材料。根据引洮工程地质勘测报告可知，渠道沿线所经地区属于季节性冻土地区，最大冻结深度不超过1.5m，见表1。根据设计要求，暗渠的上层回填覆土埋深均为1.5m，保证水体流过暗渠时，水温沿程降幅不大，极端水温不会低于0℃，同时能防止暗渠渠体基础的冻胀破坏。实际上，对于明渠和天然河床的冰情现象的大量研究表明，渠体通过自由面水气热交换的天然散热是导致水温骤降所出现冰封的主要原因，热量散失率达到了80%以上，水温通过渠体的对流换热散失的热量仅占其中很少一部分。故封闭结构能有效阻止水体的热散失，使其沿程水温的降温幅度得到进一步的有效控制。渡槽和暗渠作为整个沿线主体工程的部分结构形式，所占比例较小，而隧道由于其埋深深，对所经水体有保温和增温效果，而且所占比例较大，使得整个冬季输水过程更加安全化。依据表1 及各总体结构的水力设计要素等情况，通过计算其综合运行结果见表2。由表2 可知，整个引洮工程总干渠冬季输水从进口到出口，沿程水温不会低于0℃，出口水温由于隧道的增温效应还有小幅度的增大，整个冬季输水无冰情现象出现。

表2 引洮工程冬季低温环境运行特性综合结果

（3）针对以上工程设计特点，结合以往冬季运行的成功经验，仍需在冬季实际运行过程中，对沿线水温进行时时监控，并及时调整相应的实际运行方案，比如通过提高水体运行速度或流量来进一步保证渠道的冬季安全运行。

5 结 语

甘肃引洮一期供水总干渠工程根据地形地貌及沿线地质气候等特点，为有效解决甘肃中部干旱地区城镇生活及工业用水、农村人畜饮水及生态环境用水等难题，针对我国北方大部分地区的冬季输水渠道特别是明渠出现的冰情现象以及渠体基础的冻胀问题，通过维持水库冬季高水位运行来提高渠道进水口水温，主体结构采用全封闭地下工程为主，其中隧洞及暗渠长度占线路总长的 98.2%，使流经水体具备冬季运行的良好保温及控温条件，并通过对沿程水温的监控制定科学可行的运行方案，保障主体输水结构安全及整个冬季供水正常。

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