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1、冰凌对输水渠道冰期输水能力的影响摘要：寒冷地区的输水工程普遍存在的河冰现象，增加了水工建筑物的荷载，影响正常的供水和发电，南水北调中线工程流经区域范围广，面临更加严峻的冰期输水问题。本文在以南水北调中线工程为研究对象，对冰水力学的主要过程进行分析，建立了输水渠道冰期输水仿真模型，对冬季干渠的输水能力进行研究，分析了工程参数、加厚冰盖糙率等对渠道输水能力的影响，研究表明：采用冰凌下输水方式时，相同糙率条件下流凌期过流能力仅略小于的冰盖输水期过流能力；冰盖糙率为0.03时，在加大水位条件下封冻期渠道过流能力为设计流量的60.39 %，该研究对保障冰期输水工程稳定、安全运行有着重要的现实意义。关键词
2、：冰期输水；过流能力；加厚冰盖；运行控制；Influence of ice sheets on water conveyance capacity of water conveyance channel in ice ageAbstract: The prevalence of river ice in cold water projects has increased the load on hydraulic structures and affected normal water supply and power generation, causing huge losses to th
3、e people. The latitude of the mid-route of South-to-North Water Diversion project has a large range of latitudes and faces more severe problems of water transportation during glaciation. Therefore, it is necessary to carry out research on water transportation during the ice-age. Based on the midline
4、 project of South-to-North Water Diversion Project, the main process of ice hydraulics is analyzed, and a simulation model of water conveyance in ice channel of water conveyance channel is set up to study the water conveyance capacity of winter main canal. The results show that the overcurrent of th
5、e ice sheet under the same roughness condition is only slightly less than that of the ice sheet under the same roughness condition when the water conveyance method is adopted. The roughness of the ice sheet is 0.03 , When the water level is increased, the overcurrent capacity of the channel in the f
6、reezing period is 60.39% of the design flow rate. This research is of great practical significance to ensure the stable and safe operation of the ice water delivery project.Key words: Glacier water transport; overcurrent capability; thickened ice sheet; operational control;0引言寒冷地区调水工程会遇到不同程度的河冰现象1，影
7、响渠道的过流能力，同时冰盖增大了水流阻力，减小水力半径，增加了输水工程的运行调度难度，渠道的水力响应特性将发生较大的变化2。若冰盖的稳定性遭到破坏，冰凌的堆积、运动将可能形成冰塞或冰坝，雍高上游水、降低渠系过流能力，破坏建筑物，严重影响渠道的冰输水能力3。南水北调中线工程由低纬度流向高纬度，交叉建筑物类型多、冰期输水不可避免，控制流凌期的冰塞是提高南水北调中线冰期输水能力的关键。国内外学者对冰情演变规律做了大量研究，但对于大型渠道的冰凌问题研究较少。崔巍等4研究发现在寒冬年，水流流速0.98-1.05m/s时，形成了片状薄冰，将会拦截后续冰花，实现快速封冻。颜景协5利用流速指标作为判断准则，采
8、用规则形状的冰模型，对冰凌的下潜条件进行研究，发现对于体积较大浮冰，其下潜临界流速可达1.8m/s。本文在以南水北调中线工程为研究对象，对冰水力学的主要过程进行分析，建立了输水渠道冰期输水仿真模型，对冬季干渠的输水能力进行研究，分析了冰凌间渗流和加厚冰盖糙率对输水能力的影响，对提高南水北调中线工程冰期输水能力，保障输水的安全、稳定有着重要的现实意义。1计算模型1.1河冰热力学水体向环境散失热量，水流的一维热扩散方程为： (1)式中：Ex为纵向弥散系数；b为水面宽度；Ss为单位表面积、单位时间的净热流率；t为时间；x为距离；Tw为水温；Cp为水的比热容；A为过流面积；Q为流量；w 为水的密度；当
9、水位低于冰点时，继续散热将导致水体生成冰花，发生相变释放潜热，冰花扩散方程为： (2)式中：Ex为纵向弥散系数；Dx为湍流扩散系数；Ci为水中冰的浓度；Li为冰的潜热；i为冰的密度；S包括冰花在冰盖下沉积以及水流对冰盖下堆积物侵蚀作用。1.2河流水力学流水力学的动量方程和连续性方程为：（3） （4）式中：pi 为冰盖湿周；pb 为河床湿周；H为水位；i为冰盖剪切力；a为风剪切力；b为河床剪切力；Bo为畅露水面宽度（不包括岸冰）；1.3冰盖增厚模型水面出现流冰现象后，可能会在断面突变或转弯位置发生封堵、堆积，形成初封冰盖。流凌在遇到障碍物或冰桥时在冰桥前发生下潜，也可能形成平铺冰盖。天然冰凌的下
10、潜临界角条件为： (5)式中：g为重力加速度；y为冰块上游水深；Vc为冰块上游流速； t为冰块厚度；si为相对密度；系数K取值为1.15；Ft为冰厚弗劳德数。2冰期输水控制冰凌下潜运行研究2.1冰期输水渠道输水运行研究渠道纵坡1 /20000，长度为20km，底宽40m，梯形断面，边坡系数为1.5。假设上游流量保持恒定，冰凌不断生成。冰盖发展速度随时间的变化曲线如图 1 所示。可以看出，在70000s时，冰盖发展速度等于零，表明冰盖前缘抵达渠道上游端，越靠近上游，水位变化越大。在冰盖发展阶段，除渠末断面外，所有断面水位均有所上升。水力调整阶段，渠道水位没有发生明显变化，基本保持稳定。冰盖形成过
11、程中，从渠首到渠末流量变化逐渐增大；冰盖发展阶段，冰盖前缘到达的断面流量减小，封冻后逐渐恢复。 图 1 下游水位恒定工况冰盖发展速度2.2输水渠道加厚冰盖渗流分析以黄河以北渠段典型设计为例，对输水渠道中加厚冰盖的渗流进行分析，冰盖渗流百分比，总流量与加厚冰盖渗流量关系，分别如图 2、图3 所示。可以看出，融冰期加厚冰盖渗流量增长的速度小于结冰期；随总流量的增大，渗流量在总流量中的比重不断减小，但是加厚冰盖的渗流量相应增大。加厚冰盖渗流在渠道输水流量中所占比重较小，输水流量为65 m3/s时，融冰期和结冰期加厚冰盖渗流量分别占总流量的0.64%和2.08%，可以忽略加厚冰盖渗流的影响。图2冰盖渗
12、流百分比 图 3 加厚冰盖渗流量与总流量关系2.3结冰期输水运行约束结冰期不同水深的临界流速，如图4 所示，冰厚-临界冰厚弗劳德数曲线见图 5。可以看出，当水深相同时，随着冰凌厚度的增加，临界流速逐渐增大，但是临界冰厚弗劳德数减小；当冰凌厚度相同时，随着水深的增加，临界流速和临界密度弗劳德数均增大；即冰凌厚度越大，输水渠道水深越大，冰凌下潜的临界流速越大。图4结冰期不同冰厚的临界流速图 图 5 冰厚-临界冰厚弗劳德数曲线2.4融冰期输水运行约束 南水北调中线工程总干渠设计流速约为 1m/s，以设计水深 4.6m，边坡系数 2.5，底宽40m为例，将结冰期、融冰期与封冻期过流能力相对比，如表 1
13、 所示。以加大水位为例：结冰期受冰凌下潜条件的制约，冰凌厚度为 0.12m 时输水流量达到设计流量的 32.77%；融冰期，输水流量为设计流量的 48.91%。加大水位条件下，冰凌厚度为 0.17m时，融冰期和结冰期的输水流量分别为58.41%和39.20%。表 1 冰凌下潜约束下，流凌期输水流量占设计流量百分比（以设计水深 4.6m 为例）闸前控制水位结冰期融冰期冰凌厚度0.17m冰凌厚度0.12m冰凌厚度0.17cm冰凌厚度0.12m加大值（%）39.2032.7758.4148.91加大值+1.2m（%）49.9041.5874.3561.97设计值（%）34.1628.6150.994
14、2.673输水渠道流凌期输水能力研究为突破冰凌下潜的运行约束，考虑在加厚冰盖条件下输水允许冰凌下潜：分析冰凌性质和渠道工程参数对冰期输水运行的影响，提出冰期运行控制指标，进而研究渠道的冰期输水能力。3.1渠道工程参数的影响渠壁糙率为0.027，冰盖糙率为0.03，输水流量为120m3/s条件下，渠道底宽及渠道底坡对冰期输水运行的影响，分别如图 6，图7所示。对比可知，随着渠道宽度的增加，冰盖厚度逐渐增大，冰盖水深逐渐降低。同时，随着渠道底坡的减小，冰盖厚度逐渐减小，冰盖水深逐渐增大。图6底宽对冰期输水运行的影响 图7底坡对冰期输水运行的影响3.2加厚冰盖糙率的影响渠道底宽55 m，渠壁糙率0.
15、027，输水流量120 m3/s条件下，加厚冰盖糙率对渠道冰期输水运行的影响如图 8 所示。可见，冰盖水深和冰盖厚度均随冰盖糙率的增大而增大。加厚冰盖和水流条件之间存在相互作用，通过控制水流条件，控制加厚冰盖的发展，在一定程度上能够提高输水渠道的输水流量。图8冰盖糙率对冰期输水运行的影响3.3流凌期输水能力分析输水渠道中形成加厚冰盖后，湿周增大，断面阻力增大，过流面积减小。对于同一渠道，输水流量越大，冰盖下水深越大，正常水深与冰盖水深之间的差值越大，且冰盖厚度也越大，渠道冰盖水深与正常水深对比，如图9所示。图9冰盖水深与正常水深对比 南水北调中线工程典型渠道流凌期、封冻期过流能力相对比，如表 2 所示。由于粘结力的作用，结冰期小于相同条件下融冰期的加厚冰盖厚度。相同糙率条件下采用冰凌下输水方式时，流凌期过流能力仅略小于的冰盖输水期过流能力；在加大水位条件下，冰盖输水期的输水流量受冰盖糙率影响较大，当冰盖糙率为0.05时，封冻期渠道过流能力为设计流量的36.63%；冰盖糙率按0.04考虑，渠道输水能力为设计流量的43.56%；冰盖糙率为0.03时，在加大水位条件下封冻期渠道过流能力为设计流量的60.39 %；流凌期输水能力随冰盖糙率的降低而进一步提高。表2输水渠道冰期过流能力占设计流量百分比
