冰期输水过程中存在问题进行了详细的研究和探讨

 冰期输水过程中存在问题进行了详细的研究和探讨

       摘要：在南水北调京石段工程冬季冰期输水过程中，极易遇到冰塞、流凌等冰害，这严重影响冬季输水安全。本文对冰期输水过程中存在问题进行了详细的研究和探讨，并提出了相应的控制措施，对工程的安全运行具有十分重要的意义。

　　0引言

　　南水北调中线京石段应急供水工程是南水北调中线一期工程的组成部分，线路总长度约307.422 km。目前，担负着自河北省岗南水库、黄壁庄水库、王快水库、西大洋水库4座水库向北京应急供水的任务。近几年，京石段工程已进行了三次通水，每次都经历了冬季冰期输水运行方式。冬季冰下输水，由于受较多的自然因素和人为因素影响，容易遇到冰塞、冰凌等冰害，这严重影响了冬季输水安全。因此，本文对冬季输水过程中存在的冰塞、流凌等冰情问题进行了研究和探讨，并提出了相应对策，对工程的安全运行具有重要意义。

　　1冰期输水的特点

　　京石段冰期输水一般由11月中下旬开始，2月中下旬结束，持续时间约90天。暖冬年、平冬年和冷冬年冰盖形成及融化过程不同，持续周期也不同。一般，冬季寒潮来临时，气温下降，渠道内出现岸冰、流冰、冰盖等冰情。已经进行的三次通水均形成了稳定冰盖，冰盖厚度约0.2m。通常，冰期由岸冰、流冰，冰盖及冰盖消融三个过程组成，即冰盖形成期、冰盖稳定期、融冰期。

　　当温度降到0℃以下，就会形成岸冰和流冰，气温若继续降到-8℃以下，并且持续5～8小时以上，流冰就会形成冰盖。冰期输水若调度不当，很容易发生冰塞、冰坝等险情，对渠道和各类建筑物的安全也是整个通水过程中的重大考验。易发生冰塞的地段有弯道、断面形状改变处。当渠道流冰超过最大挟冰能力或流冰无出路时，流冰就要堆积，形成冰盖;如渠道流速大，遇到建筑物拦截，或渠道断面突然扩大流速减缓，就可能发生冰塞。当输水渠道结成冰盖后，与没有冰盖的输水渠道相比，过相同流量时，会造成上游水位壅高。

　　2冰期输水阶段划分

　　根据气象条件和冰盖形成及融化过程，冰期输水大体分为五个阶段：冰期目标水位生成阶段、流冰阶段、冰盖形成阶段、冰盖下输水阶段、融冰阶段。不同阶段冰凌对输水建筑物的安全威胁程度不同，其中冰盖形成阶段和融冰阶段为输水关键阶段。

　　2.1冰期目标水位生成阶段

　　冰期目标水位生成阶段，即总干渠明渠段控制闸闸前水位逐步提升至冰期目标水位的阶段。时间为12月上旬至12中旬。

　　2.2流冰阶段

　　流冰阶段即，由于气温和水温相对较低，水中含有一定浓度的冰花、冰屑或冰片甚至冰块，在此期间若继续向北京输水则为流冰输水。时间为12月中旬至12月下旬。

　　2.3冰盖形成阶段

　　冰盖形成阶段，即随着气温继续下降，总干渠由流冰逐渐形成稳定冰盖的阶段。大体时间12月下旬至次年1月上旬。

　　2.4冰盖下输水阶段

　　冰盖下输水阶段，即形成稳定冰盖后继续保持向北京输水。大体时间12月下旬至次年2月上旬。

　　2.5融冰阶段

　　融冰阶段，即随着天气转暖冰盖逐渐融化，在此期间继续保持向北京供水。

　　3不同阶段安全运行及控制措施

　　3.1冰期目标水位生成阶段运行过程及控制

　　依据京石段应急供水工程设计、临时通水条件等有关要求， 自12月上旬开始，根据调度中心指令，利用5～7天的时间将总干渠明渠段水位抬升至冰期目标水位。

　　3.2流冰阶段运行过程与控制

　　3.2.1流冰阶段的水流状态

　　冬季输水时，在渠道封冻前后一段时间渠道不具备形成冰盖的气候条件，但由于气温和水温相对较低，水中含有一定浓度的冰花、冰屑或冰片甚至冰块。

　　3.2.2流冰阶段形成冰塞的可能性

　　由于京石段输水工程沿线布置有众多的桥梁、河渠交叉建筑物、以及控制设施节制闸、检修闸等，在这些设施处，渠道断面急剧缩窄，在流冰输水情况下，当水内流冰达到一定密度时，极易在断面缩窄处、弯道处、倒虹吸进口下潜段形成冰塞，危及渠道输水安全。

　　3.2.3流冰阶段输水调度与控制

　　(1)水位控制。流冰输水期间节制闸控制闸前水位基本稳定在冰期输水目标水位运行。

　　(2)进出口流量控制。以入总干渠流量上限11m3/s，北京市受水流量上限9 m3/s控制。

　　(3)流冰量观测与控制。a)根据沿线工程情况，确定观测冰情断面，按照测报时间，内容及时测报。b)当日平均气温在1℃以下，日最低气温在-2℃以下时，渠道沿线加强巡查，特别注意输水明渠的弯道处、沿线建筑物进口检修闸、节制闸、控制闸以及其他输水轮廓边界断面变化较大的部位结冰情况及水体含冰情况监测，发现冰块或冰屑集中现象及时上报，并及时排除。

　　(4)防、捞、排冰措施。a)充分利用设在建筑物进口的拦冰索，及时排除拦冰索下游与建筑物进水口之间的冰块。b)所有拦污栅设备全部提起。

　　(5)随时做好紧急中断供水的应急措施。当水内流冰量大于1.5 m3/s，又不具备形成冰盖或输水工程局部部位存在形成冰塞的迹象又难以排除时，应终止供水，各闸站人员、工程巡视人员、运行服务单位应随时做好中断供水的应急措施。

　　3.3冰盖形成阶段的运行过程与控制

　　3.3.1冰盖形成方式的确定

　　冰盖形成分为静水形成冰盖和动水形成冰盖两种。为保证输水不间断，需在渠道正常输水条件下形成冰盖，故采用动水形成冰盖方式。在寒潮来到期间，将渠道的水流流速控制在结冰要求的条件范围内，保持渠道已形成冰盖的水面稳定，防止冰盖形成过程中水流顶托冰盖或脱空造成冰盖破裂。

　　3.3.2冰盖形成阶段输水调度与控制

　　(1)严格按照形成冰盖期间水流控制要求调度，尽快使水面形成冰盖，尽量减少封冻期间流冰输水时间。

　　(2)形成冰盖期间，尽量确保进、出流量不变。若必须加大输水流量时，待冰盖厚度达到15cm以上，才可缓慢加大输水流量，增加速度每天不能超过2m3/s。

　　(3)冰盖形成期间，加强沿线冰盖变形情况巡查，当冰盖挠曲变形过大，冰盖有破裂危险时应停止增加流量，待冰盖破裂部位自愈后再缓慢加大输水流量。

　　3.4冰盖下输水阶段的运行过程与控制

　　3.4.1水位要求

　　冰盖下输水是水体在冰层覆盖下流动而进行的一种输水方式。冰盖形成后且输水流量加大到冰期输水目标流量后，应以恒定流量供水，并保持渠道水位基本稳定，无大的波动起伏。在冰期目标水位控制的基础上，水位上浮不超过10cm，下浮不超过5cm。

　　3.4.2弯道、断面形状改变处冰情监视

　　冰盖下输水阶段，渠道沿线应加强巡查，应特别注意输水明渠的弯道处，沿线建筑物进口检修闸、节制闸、控制闸以及其他输水轮廓边界断面变化较大的部位结冰情况及水体含冰情况监测，记录冰面变化情况，发现异常随时向调度中心报告。

　　3.4.3闸前水位监视

　　冰盖输水期间应加强闸前闸后水位变化情况监视，密切关注每日10:00时与17:00时的水位变化，发现异常立即上报，保持上游水位和过闸流量基本稳定。

　　3.4.4冰盖破碎处理

　　若通水运行过程中发生冰盖破碎，会造成倒虹吸节制闸或其它建筑物进口处形成冰塞，导致通水流量减小，甚至造成全线停水。当发生冰塞事故时，立即报告调度中心，同时采取抬高冰塞渠道运行水位，并组织抢险队伍采用潜水泵、高压水枪、吊车，挖掘机等设备进行破冰，直至冰塞快速消除。

　　3.5融冰阶段的运行过程与控制

　　进入融冰阶段后，入总干渠流量应保持冰盖输水流量不变，各渠道融冰增加的水量应通过调节控制闸闸门开度往下游渠段输送。各控制闸闸前水位基本控制在冰期目标水位，并缓慢向非冰期水位转换。在此阶段为预防万一，各退水闸应做好退水准备。

　　4冰期输水安全措施

　　4.1工程措施

　　(1)对非冰期通水期间已发现的问题进行处理，防止冰期输水时冻胀作用或后期融冰期的融蚀作用对建筑物造成进一步破坏，影响输水。

　　(2)冰期输水前完成沿线所有节制闸、退水闸等设施的调试(如热油融冰设备)，具备正常运行条件，确保各闸门开启灵活，避免冰冻影响闸门操作及灵敏度。

　　(3)按照要求设置拦冰索、拦冰栅、并在沿线配置一定数量的破冰、排冰机械设备和人员，及时排除越过拦冰索的冰块，防止冰块进入建筑物通水通道。

　　(4) 为及时发现和处理冰塞险情，在可能发生冰塞险情