南水北调中线渠道建筑物排冰闸拦冰索设计

孙 斌

（河北省水利水电第二勘测设计研究院 河北石家庄 050021）

南水北调中线渠道建筑物排冰闸拦冰索设计

孙 斌

（河北省水利水电第二勘测设计研究院 河北石家庄 050021）

南水北调中线总干渠邯邢段设计全年输水，冰期运行时需要采取适当的控冰措施。本段渠道建筑物设计采用拦冰索控冰。拦冰索是一种浮式控冰结构，类似于悬索结构。南水北调中线邯邢段渠道渡槽排冰闸拦冰索还存在流量较大、布置角度与总干渠中心线斜交等问题，这些都为设计、计算带来一定的难度。目前对拦冰索的设计标准尚未统一。本文通过具体的工程设计，给出了拦冰索的构造，并提出了渡槽排冰闸前拦冰索的平面布置原则、荷载分析方法，并介绍了基于悬链线理论的渡槽排冰闸拦冰索受力分析方法、拦冰索固定端设计方法、运行管理设计等，为同类工程的设计提供一定的参考和借鉴。

控冰结构 淹没度 拖曳力 静水压力 悬链线理论 固定端 安全长度

南水北调中线工程总干渠邯邢段总长171.726km，起点为冀豫交界处的漳河北岸，穿越邯郸、邢台两市，终点为邢石交界的东渎村。

该地区属暖温带大陆性季风气候，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨。年平均气温12.8℃，极端最低气温-19.9℃，极端最高气温42.5℃，沿线冬春季盛行西北风，西北冷空气侵袭势力强，影响范围大，侵袭过后，48h内气温一般下降10℃以上，侵袭间隔一般为3～8天，每月强冷空气出现1～2次，多年平均风速1.9 m/ s，最大风速15～20m/s，多为北风或西北风。根据中线总干渠沿程各个典型气象站统计：每年当日气温转负一般始于12月上旬，终于翌年2月下旬，多年平均110～128天。最冷月为一月份，平均气温为-2.7～4.9℃，其中低于-5℃出现的天数占该月的百分比，邯郸段为10%左右，邢台段为25%左右。最低极端温度达到了-20～-23.4℃。

根据南水北调中线总干渠总体规划，总干渠及沿线建筑物需要常年输水。冬季温度较低时采用冰盖输水模式。春季天气转暖，冰盖逐渐消融，从而在渠道内产生大量的冰花、冰凌、碎冰、冰块，需要采取措施阻止浮冰进入建筑物，以免堵塞河道和危害建筑物安全。

本渠段共五座河渠交叉渡槽，其中滏阳河渡槽、洺河渡槽、汦河渡槽、午河渡槽四座设排冰闸，冰期运行时对上游来的碎冰采取拦排结合的措施：一定范围内的碎冰，用拦冰索拦下即可；如果拦下的碎冰超过限定的范围，则启动排冰闸排冰。

邯邢段河渠交叉渡槽排冰闸拦冰索设计有如下显著特点：

（1）渠道流量比京石段大，邯邢段总干渠流量为235～220m3/s。

（2）渠道宽，上口宽50m左右，底宽超过20m。

（3）为结合排冰闸排冰，拦冰索布置角度与总干渠中心线斜交。

（4）布置上及固定措施要综合考虑排冰闸进口的布置

1 排冰闸拦冰索的组成和平面布置

拦冰索是典型的浮式控冰结构，通常由一

系列的原木或者铁制浮筒用钢索或铁链串在一起组成，并用锚固端将两端固定在两岸。原木或者浮筒之间留一定的自由距离，以便在水面灵活摆动和弯曲。固定端附近也留一定长度的自由段，以适应水位的变化。原木或者浮筒尺寸要根据适宜的淹没度选择，以达到较好的拦冰效果。一般无荷载作用时淹没度不超过0.7。

拦冰索长度满需足受力和运行要求，既不能太短造成自身张力和锚固端拉力过大，也不能太长不利于排冰闸排冰。

固定端设置在渠道边坡水面以上，便于安装和检修，并有利于渠道防渗。

对于南水北调中线邯邢段渡槽排冰闸拦冰索的布置，两固定点连线和总干渠中心线成一定适宜的角度，并且排冰闸侧的固定端要和排冰闸的进口距离适宜，以便于排冰闸排冰。一般以30°为宜，见图1。

图1 午河渡槽排冰闸拦冰索平面布置图

2 排冰闸拦冰索荷载分析

计算拦冰索的荷载时应该结合工程渠道布置考虑拦冰索前有一定长度的冰盖。对于直线渠道仅仅考虑拦冰索上游4～5倍河宽的区域，此范围以外的冰荷载认为由河岸承受；对于弯曲渠道，可根据拦冰索上游直线段渠道的长度，考虑适当小一些的范围。

作用于拦冰索上的荷载有水流对冰盖的拖曳力、风对冰盖的拖曳力、冰盖自重在平行渠底方向的分力以及因冰盖的阻水上下游产生一定的水位差产生的静水压力。具体计算方法如下：

（1）水流对冰盖拖曳力（kN/m）。

γm为水的重度（kN/m3）；

Ri为考虑冰影响的水力半径（m）；

J为均匀流水面坡降；

B为渠道水面宽度（m）；

（2）风对冰盖拖曳力（kN/m）。

顺风取“+”值，逆风取“-”值

式中，ξ为拖曳力系数，变化在（1.7～2.2）×10-3之间；

aρ为空气的密度，取1200g/m3；

U为10m高处的平均风速（m/s）

（3）冰重产生压力（分力）（kN/m）

式中，iγ为冰的重度，取9.17kN/m3；

h为冰层厚度（m）

（4）冰与岸边的剪切力

此荷载缺少野外观测资料。但通过定性分析认为此荷载对拦冰索的受力是有利的，故在拦冰索设计时可以忽略并且是偏于安全的。

（5）静水压力（水流压力）

式中，q静水为上游水位壅高产生的静水压力（kN）；

wγ为水的重度（m3/s）；

h上为上游水位壅高值

此荷载仅在冰盖形成初期比较显著，可以考验适当的水头差形成的压力，不宜过大。偏安全考虑，建议考虑20cm上下游水头差产生的水流压力。

对以上几种荷载进行适当的组合，计算出作用在拦冰索上的均布荷载，从而进一步对拦冰索进行受力分析。

3 拦冰索受力计算计算理论

拦冰索为两端分别固定于A、B两点的一根柔软的（不承受弯矩作用）绳索，可以考虑为荷载沿索长均匀分布，其工作状态下的形状为“悬链线”。而悬链线的线长计算、弧垂、水平张力、固定点张力、最底点和固定端的距离、倾斜角等目前已经有成熟的理论计算。

根据悬链线理论，对于两端固定的悬链线，

将分布荷载、悬链线的索长、悬链线的安装角度β作为已知条件可以计算出悬索的水平张力，也即悬索最低点的张力。将悬索最低点的张力分别代人公式即可计算得到悬索最低点到固定点的水平距离、固定点的张力、最大弧垂、固定点到悬链线最低点的垂直距离、固定点拉力的作用方向等，见图2。

悬链线方程中有双曲函数，为便于计算，可以简化为斜抛物线函数进行计算。其计算公式如下所示：

（1）根据悬链线力学理论，在索长L已知的情况下，悬索的水平张力为

式中，T0—悬索最低点的水平张力（也即悬索最低点的张力） ；

q为均布荷载值（kN/m）；

L为悬索长(m);

l为冰面宽度；

式中，OAl为悬索最低点到固定点A的水平距离（m）；

OBl为悬索最低点到固定点A的水平距离（m）；

（3）两固定点拉力

式中，TA为悬索A点张力（kN）；

TB为悬索B点张力（kN）；

（4）最大弧垂

式中，mf为悬索最大弧垂（m）；

（5）悬索固定点到悬索大弧垂处垂直距离

式中，OAy为悬索固定点A到悬索最低点间垂直距离（m）；

yOB为悬索固定点B到悬索最低点间垂直距离（m）；

（6）固定端悬倾斜角

（7）曲线方程

经过以上过程的计算，根据计算出的拦冰索最大拉力选取合适的绳索；根据计算出的两固定点拉力、拉力方向进行两岸固定端的设计；根据计算出的拦冰索曲线坐标确定拦冰索设计工作状态下的形状，修改布置角度和拦冰索的长度直至符合设计目的。

南水北调中线工程邯邢段午河渡槽排冰闸拦冰索，根据具体条件计算出拦冰索最大张力值为53.406kN，所选取拦冰索钢丝绳的抗拉强度为166kN。

4 拦冰索固定端设计

拦冰索两岸固定端应结合具体情况，采用灌注短桩、地锚方案等，或结合建筑物进口翼墙进行布置。对于填方渠道，宜采用地锚方案，对于挖方渠道，宜采用灌注短桩。若排冰闸进口翼墙可提供足够的锚固力，可以直接将拦冰索固定在进口翼墙上。无论哪种方案，能够给拦冰索提供足够的锚固力。

在灌注短桩、地锚或进口翼墙上预埋无缝钢管作为拦冰索的锚固端。

锚固端的设计还要与渠道衬砌方案结合，满足渠坡防渗要求。可采用压板固定式接头与渠坡土工膜连接，或直接采用埋入式接头，把土工膜埋入锚墩混凝土中一定长度以延长渗径等。

考虑到水位变化的可能性、动冰撞击力等不确定因素，对锚固端的设计宜取适当大的安全系数，不应小于3。从而既有一定的安全裕度，又不至于工程量过大而导致不经济。

5 排冰闸拦冰索运用

拦冰索设计时应根据受力分析结果确定拦冰索允许拦的上游来冰的安全长度。运行时需注意监测上游来冰情况。若拦冰索前拦下的碎冰的长度达到这一安全长度，则应及时排冰，从而最大限度的保证拦冰索和锚固端的安全，确保渠道正常运行。

6 结论

都必须在满足自身稳定的同时

（1）拦冰索结构形式简单，运行方便、安全、经济，适宜在南水北调中线工程中运用。

（2）利用悬链线公式可以进行拦冰索的内力计算和结构设计。

（3）拦冰索的固定端设计要与渠道具体情况、排冰闸进口布置、渠坡防渗措施相结合。

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10.3969/j.issn.1672-2469.2014.12.011

TV672.5

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1672-2469(2014)12-0031-03

孙斌（1983年—），男，工程师。