严寒地区长距离输冰渠道跨沟倒虹吸的运用

谭新莉，孙红丽，柳 辉，高红涛

(1. 新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000；2. 中国电力建设集团成都勘测设计研究院有限公司，成都 610072)

以往严寒地区长距离输冰渠道在进行跨沟建筑物选择时，往往认为存在冬季输冰淤堵及检修排沙困难等缺陷，在方案比选时考虑会影响工程运行安全而不被推荐。但跨沟建筑物其他常采用的渡槽和高填方的形式也各自有利弊，尤其是处于高震地区，渡槽方案尽管投资小，但槽身保温效果差, 存在冬季进口阻冰和槽身结冰等问题，抗震措施要求高，施工难度大；高填方方案施工有成熟的经验，抗震性能较好，工期短，但填筑方量、边坡防护及排洪建筑物工程量大，工程临时及永久占地面积较大，投资高。若倒虹吸解决输冰淤堵这一难题，因其抗震、耐久性及抗渗性能好，工程占地和投资少，其应用前景广阔。

1 N工程跨沟建筑物的形式选择

N工程区位于北疆高地震烈度(抗震设计烈度为Ⅷ度)的严寒地区，工程区最大沟位于渠道21～23 km处，沟谷相对高差为38～53 m，沟宽1.4 km。对于无法避开的跨度和高度都较大的冲沟，跨沟建筑物的形式选择意义重大且又困难重重。根据工程总体布置，结合当地地形条件，反复研究跨沟输水建筑物形式，经多方案比选论证，代表性的方案有：倒虹吸、短渡槽+填方渠道、梯形全填方渠道。各方案的优缺点如表1所示。

可研阶段推荐的跨沟输水建筑物采用梯形全填方渠道方案，之所以未采用倒虹吸方式，是因存在冬季冰块进入倒虹吸的可能性，而目前对于冰块进入倒虹吸后的运动规律很难掌握，更难加以控制，故防治倒虹吸发生冰塞的最有效最安全的做法依然是避免冰块进入倒虹吸。后期经实地调研、反复论证、平衡利弊发现，考虑工程上游梯级电站已建成，冬季输冰淤堵问题可能不严重，若能论证冰情对本工程不构成危害，即可采用倒虹吸方案，这样能节约不少投资，且工程运行更加安全可靠，也更符合环保要求。

表1 跨沟输水建筑物方案比较

2 冰情分析

2.1 冰情资料

调查上游水文站冰情资料统计发现，最早开始结冰日期为10月11日，开始流冰日期10月23日，开始封冻日期11月9日；最晚解冰日期3月26日，终止流冰日期4月13日，全部融冰日期4月13日；多年平均封冻天数34.4 d，最长封冻天数99 d，无封冻年数2 a。最大冰厚发生在2001年，最大河心冰厚为0.42 m，发生在2月3日，最大岸冰冰厚为0.76 m，发生在2月27日。工程所在河段内无冰坝、冰塞形成。极端最高气温37.9 ℃，极端最低气温-39.9 ℃，最冷月平均气温-11 ℃，最大积雪厚度58 cm，最大冻土深度82 cm，属严寒地区。因渠道冬季运行，故渠道冬季的冰凌问题对严寒地区电站的安全运行至关重要。

2.2 北疆地区已建电站冬季运行情况调查及分析

现场调查与N工程有一定相似性的北疆地区已建引水式电站冬季运行情况，分析其冬季运行情况如下。

(1)2005年12月N工程附近其他河段冰塞封冻长约12 km，最大冰塞厚度达5 m。同一时段调查N工程上游的J水电站库尾，发现其下游约30 km的河道内均没有出现岸冰及流冰。说明上游若有已建水库，将会大大减轻下游河道的冰害。一方面水库蓄水拦截了上游河道的冰块，避免了河道冰块进入下游渠道；另一方面，水库的蓄水运行可提高下泄水流的水温，库容越大，水深越深，下泄水流的水温越高；据J水库出库水温实测资料，冬季水温基本在3～3.5 ℃，对于水电站而言，在尾水断面下游水温不低于0 ℃的距离范围内均不会结冰。

(2)对与N工程同处于一条河上的冰情进行调查， 2008年1月的平均气温为近30年来最低，日最低气温低于-20 ℃的天数大于15 d，持续一个星期气温在零下27 ℃后，最上游渠首闸门冻住了，冰厚达80 cm。上游第一级电站冰块尺寸直径达2.5 m，厚达0.5～0.6 cm。上游第二级电站渠道内冰块宽约60～70 cm，最厚的地方约30 cm。由此可看出：梯级电站越位居上游，冰块厚度越大，冰情越严重；电站的建立可以大大缓解减轻冰情，下游电站冰的主要来源均为渠道自身产生的冰为主。

(3)对N工程附近其他河段电站引水渠道2个月实地测量，距电站下游15 km处河段冬季水温在0～0.3 ℃之间，水库下游15 km以内没有冰凌问题，近30 km以内没有封冻现象。说明此严寒地区渠道水温由3.0 ℃降至0 ℃的距离为15 km，约每5 km水温降低1 ℃。

水体温度变化与水体蓄积热量，进出水量、水温及水深有关。对于梯级电站处于下游的发电引水渠，渠道水温主要受当地气温和上游梯级电站出库水温度控制。水温降低速率比升高慢，因升温与太阳短波辐射有直接关系[1]，当水深较小时，太阳短波贯穿整个水深，会使水温迅速升高；而水体散热是水面与大气之间的对流，蒸发是主要因素。蒸发与风速有关，当气温低于水温时，水温会沿程减小，据京密引水渠经验一般每10 km水温降低1 ℃，在严寒地区会缩短，大约每5 km水温降低1 ℃；南水北调经验[2]：初始水温为1 ℃，降至0 ℃所流经的平均距离为451 km；在最恶劣的气候条件下，明渠初始温度仅0.2 ℃，水温降至 0 ℃时最短距离有40 km。零温断面长度即指当渠道初始水温高于0°时，降至0°所需要的距离。零温断面长度的长短与明渠初始温度、气温、低温持续时间及明渠流量有关，初始温度越高、气温越高、低温时间越短、明渠流量越大，零温断面长度越长，反之越短。

2.3 冰情计算

(1)零温断面位置的计算。根据规范[3],采用热平衡分析法估算，计算公式如下：

(1)

式中：L0为出库断面(如水电站尾水断面)至零温断面的距离；Q为水库下泄日平均流量，m3/s；C为水的热容量，MJ/(t·℃)；γ为水的容重，t/m3；ts为出库水温，℃。

J水库出库冬季水温3～3.5 ℃，渠道冬季90%保证率下引水流量为25 m3/s，45%保证率下最小发电引水流量为15.6 m3/s，流量越大计算的零温断面长度越长，根据不同的工况计算的零温断面长度最短为22.26 km，比渠道总长度31 km要短，位于冲沟之前，说明在渠道的尾部段可能产生岸冰，但倒虹吸前基本没有冰。

(2)不封冻距离的计算。根据规范[3]，采用经验公式(2)估算：

Lf=14.5 (qts)1.228+8.5

(2)

式中：Lf为水电站下游最小不封冻距离，km；q为1月最小旬平均出库单宽流量，m3/(s·m)；ts为与最小旬平均出库单宽流量相应时段的平均出库水温，℃。

1月最小旬平均单宽流量q取1.88 m3/s；与最小旬平均出库单宽流量相应时段的平均出库水温ts取3 ℃，计算出本工程下游不封冻长度约为129.5 km。

(3)渠道产冰量计算。根据规范[3],采用热平衡分析法估算，计算公式如下：

(3)

式中：Qf为计算河段日产冰量(密实体)，m3/d；β为河段敞露度；l为计算河段长度，m；B为计算河段平均水面宽，m；∑S为冬季一昼夜单位水面热损失，MJ/(m2·d)；335为结冰潜热，MJ/t；γi为结晶冰容重，一般近似地取0.917 g/cm3。

本工程区域全年太阳总辐射量为136 kcal/cm2，冬季太阳月总辐射量约为4.39 kcal/cm2，转换为5.92 MJ/(m2·d)。计算的岸冰最大产冰量为160.3 万m3，折算成冬季的冰流量约0.2 m3/s，冰流量较小对工程影响不大。

3 长距离冬季运行渠道运行方式选择

河渠冰凌的生消过程比较复杂[4]，主要受热力学因素、河渠形态、水力控制条件等制约，其中冰情的发展与气温变化有非常大联系。随着冬季气温的急剧下降，渠道内水体冷却，水流开始结冰。若水流流速较大，紊动的混掺作用使水流的失热现象几乎在整个水体中进行，所以不仅在水面形成薄冰和岸冰，在水体内、底面也会形成海绵状多孔隙的水内冰。此时若气温还在不断下降，渠道产冰量会逐渐增多，流冰密度增大，在断面缩窄处、倒虹吸进口、弯道、桥墩等建筑物处会发生卡堵。在流动中，冰、水随温度的变化而相互转换：水温升高时冰融化成水，含冰量减少；水温降低时水又凝结成冰，含冰量增多。当冰盖及冰花阻塞过流断面，使湿周加大、过流能力减小，造成上游壅水，一旦下游渠道不能使冰块通过，就会形成冰坝，使上游水位骤然抬高，以致形成凌峰，可能造成下游凌汛灾害。尤其是跨沟建筑物选择倒虹吸形式的冬季运行渠道，通常倒虹吸管道断面会小于渠道断面，尤其是大流量输水渠道，因布置需要往往采用多根倒虹吸管道，因而单个倒虹吸断面相对渠道断面大大束窄，一旦遭遇冰害，在倒虹吸入口处易形成冰塞，冰塞会加剧渠道过水断面的减小，导致水位迅速抬高，严重时可能造成渠水漫溢、破坏渠堤，冰害发生速度快，破坏程度也更严重。

由此冬季运行的北方输水渠道一般都无法避免冰凌问题。南水北调、京密引水，引黄济青、引黄济津等北方地区长距离调水工程，这些工程的倒虹吸多处于寒冷地区，为避免遭遇冰害，渠道冬季输水多采用结冰盖运行，即通过控制水流条件，降低水流流速，在水面形成连续稳定的冰盖，以水在冰盖下流动的方式输水。倒虹吸进水口在稳定冰盖下，稳定运行期不会有冰块进入倒虹吸，开河期通常采用拦截排冰的工程措施阻拦浮冰潜入倒虹吸进水口。利用冰盖保温作用是一种简单而有效的措施，既可减小输水干渠明渠段的过流断面尺寸[5]，不用建中间调节水库和扬水站，又能免去冬季扬水的动力费用，节省较多的工程投资，具有较大的经济效益，故寒冷地区的输水渠道经常采用。

尽管形成连续冰盖后，冬季运行中的许多困难都会消除。但是冰盖的形成使河道中的水力现象发生改变，引起流动阻力的增加、河道过流能力下降及能量损失增加，而水电站引水渠道水流水头损失的增加直接导致发电量的减少；冰盖的形成还给河道的冬季管理及运行带来一系列新问题：如上游泄放流量调整、下游河道的水质管理、洪水控制及供水等，若封冻河道中流量剧烈增加，还将引起冰盖破碎形成冰塞、冰坝。

考虑N工程为径流式电站，采用引水式开发，由于拦河引水枢纽至尾水渠退水口之间有灌区灌溉用水和生态用水的要求，故拦河引水枢纽断面来水流量扣除电站范围内大河灌溉用水和生态环境用水后，大于电站设计引水流量时，按设计引水流量引水发电，其余水量从原河道下泄；小于电站设计引水流量时，按可引水流量引水发电。因工程任务主要是水力发电，由此决定只要有水就发电的运行方式，也决定了渠道冬季按可引水流量引水发电的运行模式。因冬季引水流量不是固定值，导致渠道内水深值变幅较大，远远大于结冰盖运行的要求，即输水渠道水位变幅允许值不宜超过20～50 cm；另外考虑结冰盖运行使水头损失增加从而导致发电量减少，故N工程引水渠道按输冰运行设计，即提高水流流速，以冰水混合两相流方式输水。根据设计规范[6]第8.3.9条规定，输冰渠道设计流速不得小于1.1 m/s。一般情况下，流速大于1 m/s，河道不易封冻，但可能产生冰花；当流速达到1.2 m/s时， 渠道岸冰即停止发展。因此N工程设计最小流速不低于1.2 m/s，以控制渠道岸冰的发展。

根据冰情计算结果分析，尽管地处严寒地区，因渠道从上游J水电站尾水取水，渠道起点源头的初始水温高，渠道在一定范围内不存在冰凌问题，不易封冻结冰。在这一段渠道内设置倒虹吸，倒虹吸不会发生冰塞现象，冬季运行是安全可靠的。计算的零温断面长度最短为22.26 km，N沟位于零温断面上游侧，且最大产冰计算量折算成冬季的冰流量约0.2 m3/s，占渠道冬季最小流量的0.8%，均说明冰对本工程渠道冬季运行影响不大，具备跨沟建筑物采用倒虹吸的条件。

4 极寒天气的应对措施

由于气温与冰情关系紧密，对于平常年份，冰对渠道运行不会构成危害，但对于冷冬年的严寒地区，实际运行时难以完全避免冰害的发生。渠道形态、水力、热力等因素将共同决定冰害何时何地发生[7]，且各因素之间相互影响、依存与转化，机理复杂。

北疆已建一输冰渠道冬季运行时便出现如下情况；当气温达-20 ℃时，渠道桩号25 km处有冰絮冰凌产生，当地气温达-25 ℃时，于渠道桩号20 km处即产生冰絮冰凌。当地气温低于-27 ℃时，渠道内有冰塞现象。当地气温低于-30 ℃后，渠道以每12 h 8～10 km的速度开始堆冰，水位也开始壅高，由于39 km处最大水深已达5 m，为防止渠道漫顶，不得不停水。

上述工程冬季运行经验说明，一旦形成冰花停滞阻冰，在气温-25 ℃以下若不加有效处理，将会很快发展蔓延，渠道以每12 h 10 km的速度堆冰，冰情恶化速度很快。故冬季输冰运行的渠道首要任务必须保证行冰顺畅，有冰塞时需及时排冰，避免冰灾发生。以上工程冰情较N工程严重，但也充分显示严寒地区当寒潮来临时，若不经有效控制，冰塞、冰坝、闸门冻结等冰灾发展速度很快，冰害严重。

为应对极端低温的寒潮天气(本工程极端最低气温-39.9 ℃)，防止渠道内结冰造成倒虹吸冰塞，确保工程运行安全，拟定以下应急抢险方案：①引水枢纽处冬季采取抬高水位至正常引水位运行，拦蓄天然河道的冰凌，形成近库前冰盖，减少入渠冰块、冰凌数量。②倒虹吸进水室前布置回转式拦污排冰机，将进口段前的大冰块捞出后水冲至退水渠内排出。③适当提高倒虹吸上、下游水头差，增大管内流速，降低淤堵的可能性。③加强工程区域内的气候、天然河道和引水渠内冰凌的监测。如遇到特殊年份，冰凌特别严重时，需关闭节制闸门，打开退水闸，确保建筑物的安全运行。

倒虹吸工程易出现险情的部位主要是进口闸前，当浮冰较多时易形成冰块叠加壅堵，使过水不畅，最终形成冰坝，此时最易出现险情。为此除以上应急抢险方案外，还需加强冬季输水期间的巡视监测，观测、记录冰情，及时了解冰情的进展情况并采取应急方案；同时，成立冰期输水工程抢险队伍，负责冰情出现险情时及时抢护，避免冰情趋于严重，确保观测安全及输水的顺利进行。

5 结 语

N工程跨沟建筑物采用倒虹吸方案可节省投资8 037 万元，经济效益显著。工程建成运行4 a，至今未发生冰害。总结本工程的设计经验如下：

(1)本工程的成功实践，填补了严寒地区长距离输冰渠道跨沟建筑物采用倒虹吸的空白，为新疆、东北等严寒地区处于下游梯级电站输冰运行的引水渠，在零温断面长度范围内设置倒虹吸的安全运行提供依据。

(2)引水渠若处于下游梯级电站，可考虑渠道初始水温受上游梯级电站出水温度的影响作用，一般情况下水电站冬季出库水温基本在3 ℃左右，寒冷地区经验一般每10 km水温降低1 ℃，严寒地区会变短，大约每5 km水温降低1 ℃。

(3)零温断面长度的长短与明渠初始温度、气温、低温持续时间及明渠流量有关，初始温度越高、气温越高、低温时间越短、明渠流量越大，零温断面长度越长，反之越短。

(4)严寒地区需充分考虑冷冬年冰害发生的可能性及应对预案。为保证工程安全，必须设置有效的应急抢险方案防止出现冰害，同时加强冬季输水期间的巡视监测。