冰凌输水渠道冰期输水力影响
摘：寒冷区输水工程普遍存河冰现象增加水工建筑物荷载影响正常供水发电南水北调中线工程流区域范围广面更加严峻冰期输水问题文南水北调中线工程研究象冰水力学程进行分析建立输水渠道冰期输水仿真模型冬季干渠输水力进行研究分析工程参数加厚冰盖糙率等渠道输水力影响研究表明：采冰凌输水方式时相糙率条件流凌期流力仅略冰盖输水期流力冰盖糙率003时加水位条件封冻期渠道流力设计流量6039 该研究保障冰期输水工程稳定安全运行着重现实意义
关键词：冰期输水流力加厚冰盖运行控制
Influence of ice sheets on water conveyance capacity of water conveyance channel in ice age
Abstract 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 the people The latitude of the midroute of SouthtoNorth 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 iceage Based on the midline project of SouthtoNorth 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 the 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 003 When the water level is increased the overcurrent capacity of the channel in the freezing period is 6039 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
寒冷区调水工程会遇程度河冰现象[1]影响渠道流力时冰盖增水流阻力减水力半径增加输水工程运行调度难度渠道水力响应特性发生较变化[2]冰盖稳定性遭破坏冰凌堆积运动形成冰塞冰坝雍高游水降低渠系流力破坏建筑物严重影响渠道冰输水力[3]南水北调中线工程低纬度流高纬度交叉建筑物类型冰期输水避免控制流凌期冰塞提高南水北调中线冰期输水力关键
国外学者冰情演变规律做量研究型渠道冰凌问题研究较少崔巍等[4]研究发现寒冬年水流流速098105ms时形成片状薄冰会拦截续冰花实现快速封冻颜景协[5]利流速指标作判断准采规形状冰模型冰凌潜条件进行研究发现体积较浮冰潜界流速达18ms文南水北调中线工程研究象冰水力学程进行分析建立输水渠道冰期输水仿真模型冬季干渠输水力进行研究分析冰凌间渗流加厚冰盖糙率输水力影响提高南水北调中线工程冰期输水力保障输水安全稳定着重现实意义
1计算模型
11河冰热力学
水体环境散失热量水流维热扩散方程：
(1)
式中：Ex弥散系数b水面宽度Ss单位表面积单位时间净热流率t时间x距离Tw水温Cp水热容A流面积Q流量ρw 水密度
水位低冰点时继续散热导致水体生成冰花发生相变释放潜热冰花扩散方程：
(2)
式中：Ex弥散系数Dx湍流扩散系数Ci水中冰浓度Li冰潜热ρi冰密度∑S包括冰花冰盖沉积水流冰盖堆积物侵蚀作
12河流水力学
流水力学动量方程连续性方程：
（3）
（4）
式中：pi 冰盖湿周pb 河床湿周H水位τi冰盖剪切力τa风剪切力τb河床剪切力Bo畅露水面宽度（包括岸冰）
13冰盖增厚模型
水面出现流冰现象会断面突变转弯位置发生封堵堆积形成初封冰盖流凌遇障碍物冰桥时冰桥前发生潜形成铺冰盖天然冰凌潜界角条件：
(5)
式中：g重力加速度y冰块游水深Vc冰块游流速 t冰块厚度si相密度系数K取值115Ft冰厚弗劳德数
2冰期输水控制冰凌潜运行研究
21冰期输水渠道输水运行研究
渠道坡1 20000长度20km底宽40m梯形断面边坡系数15假设游流量保持恒定冰凌断生成冰盖发展速度时间变化曲线图 1 示出70000s时冰盖发展速度等零表明冰盖前缘抵达渠道游端越游水位变化越冰盖发展阶段渠末断面外断面水位均升水力调整阶段渠道水位没发生明显变化基保持稳定冰盖形成程中渠首渠末流量变化逐渐增冰盖发展阶段冰盖前缘达断面流量减封冻逐渐恢复
图 1 游水位恒定工况冰盖发展速度
22输水渠道加厚冰盖渗流分析
黄河北渠段典型设计例输水渠道中加厚冰盖渗流进行分析冰盖渗流百分总流量加厚冰盖渗流量关系分图 2图3 示出融冰期加厚冰盖渗流量增长速度结冰期总流量增渗流量总流量中重断减加厚冰盖渗流量相应增加厚冰盖渗流渠道输水流量中占重较输水流量65 m3s时融冰期结冰期加厚冰盖渗流量分占总流量064208忽略加厚冰盖渗流影响
图2冰盖渗流百分 图 3 加厚冰盖渗流量总流量关系
23结冰期输水运行约束
结冰期水深界流速图4 示冰厚界冰厚弗劳德数曲线见图 5出水深相时着冰凌厚度增加界流速逐渐增界冰厚弗劳德数减冰凌厚度相时着水深增加界流速界密度弗劳德数均增冰凌厚度越输水渠道水深越冰凌潜界流速越
图4结冰期冰厚界流速图 图 5 冰厚界冰厚弗劳德数曲线
24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 1ms设计水深 46m边坡系数 25底宽40m例结冰期融冰期封冻期流力相表 1 示加水位例：结冰期受冰凌潜条件制约冰凌厚度 012m 时输水流量达设计流量 3277融冰期输水流量设计流量 4891加水位条件冰凌厚度 017m时融冰期结冰期输水流量分58413920
表 1 冰凌潜约束流凌期输水流量占设计流量百分（设计水深 46m 例）
闸前控制水位
结冰期
融冰期
冰凌厚度017m
冰凌厚度012m
冰凌厚度017cm
冰凌厚度012m
加值（）
3920
3277
5841
4891
加值+12m（）
4990
4158
7435
6197
设计值（）
3416
2861
5099
4267
3输水渠道流凌期输水力研究
突破冰凌潜运行约束考虑加厚冰盖条件输水允许冰凌潜：分析冰凌性质渠道工程参数冰期输水运行影响提出冰期运行控制指标进研究渠道冰期输水力
31渠道工程参数影响
渠壁糙率0027冰盖糙率003输水流量120m3s条件渠道底宽渠道底坡冰期输水运行影响分图 6图7示知着渠道宽度增加冰盖厚度逐渐增冰盖水深逐渐降低时着渠道底坡减冰盖厚度逐渐减冰盖水深逐渐增
图6底宽冰期输水运行影响 图7底坡冰期输水运行影响
32加厚冰盖糙率影响
渠道底宽55 m渠壁糙率0027输水流量120 m3s条件加厚冰盖糙率渠道冰期输水运行影响图 8 示见冰盖水深冰盖厚度均冰盖糙率增增加厚冰盖水流条件间存相互作通控制水流条件控制加厚冰盖发展定程度够提高输水渠道输水流量
图8冰盖糙率冰期输水运行影响
33流凌期输水力分析
输水渠道中形成加厚冰盖湿周增断面阻力增流面积减渠道输水流量越冰盖水深越正常水深冰盖水深间差值越冰盖厚度越渠道冰盖水深正常水深图9示
图9冰盖水深正常水深
南水北调中线工程典型渠道流凌期封冻期流力相表 2 示粘结力作结冰期相条件融冰期加厚冰盖厚度相糙率条件采冰凌输水方式时流凌期流力仅略冰盖输水期流力加水位条件冰盖输水期输水流量受冰盖糙率影响较冰盖糙率005时封冻期渠道流力设计流量3663冰盖糙率004考虑渠道输水力设计流量4356冰盖糙率003时加水位条件封冻期渠道流力设计流量6039 流凌期输水力冰盖糙率降低进步提高
表2输水渠道冰期流力占设计流量百分
闸前控制水位
流凌期
封冻期
冰盖厚度m
冰盖糙率 005
冰盖糙率004
冰盖糙率003
冰盖糙率005
冰盖糙率004
冰盖糙率003
设计值
3029
3623
4425
3267
4158
5445
027
加值
3653
4356
5326
3663
4653
6039
029
加值+10m
5049
6027
7356
5544
6732
8613
033
4结
文南水北调中线工程研究象冰水力学程进行分析建立输水渠道冰期输水仿真模型冬季干渠输水力进行研究分析冰凌间渗流加厚冰盖糙率输水力影响出结：
（1） 加厚冰盖渗流渠道输水流量中占重较输水流量65 m3s时融冰期结冰期加厚冰盖渗流量分占总流量064208冰凌厚度越输水渠道水深越冰凌潜界流速越
（2） 结冰期受冰凌潜条件制约冰凌厚度 012m 时总干渠输水流量达设计流量 3277融冰期总干渠输水流量设计流量 4891加水位条件冰凌厚度 017m时融冰期结冰期输水流量分58413920
（3） 着渠道宽度增加冰盖厚度逐渐增冰盖水深逐渐降低着渠道底坡减冰盖厚度逐渐减冰盖水深逐渐增
（4） 流凌期输水力冰盖糙率降低进步提高冰盖糙率003时加水位条件封冻期渠道流力设计流量6039 冰盖糙率005时封冻期渠道流力设计流量3663
参考文献
[1]赵新张雅卓王旭 加厚冰盖渗流渠道输水力影响[J] 南水北调水利科技201210(04)79+13
[2]李志民邵洪文师兰英 基河道冰厚变化规律冰期流量影响分析[J] 黑龙江水利科技2008(02)1213
[3]欧阳琪张远东 加利福尼亚州水资源调配工程[J] 南水北调水利科技2006(06)112
[4]崔巍王长德光华等 渠道运行调整模糊控制系统设计仿真[J] 武汉学学报(工学版)2005(01)104107+116
[5]颜景协马安堂谢金忠 引黄济青冬季通行水面线控制验探析[J] 山东水利1999(S1)15
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摘：寒冷区输水工程普遍存河冰现象增加水工建筑物荷载影响正常供水发电南水北调中线工程流区域范围广面更加严峻冰期输水问题文南水北调中线工程研究象冰水力学程进行分析建立输水渠道冰期输水仿真模型冬季干渠输水力进行研究分析工程参数加厚冰盖糙率等渠道输水力影响研究表明：采冰凌输水方式时相糙率条件流凌期流力仅略冰盖输水期流力冰盖糙率003时加水位条件封冻期渠道流力设计流量6039 该研究保障冰期输水工程稳定安全运行着重现实意义
关键词：冰期输水流力加厚冰盖运行控制
Influence of ice sheets on water conveyance capacity of water conveyance channel in ice age
Abstract 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 the people The latitude of the midroute of SouthtoNorth 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 iceage Based on the midline project of SouthtoNorth 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 the 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 003 When the water level is increased the overcurrent capacity of the channel in the freezing period is 6039 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
寒冷区调水工程会遇程度河冰现象[1]影响渠道流力时冰盖增水流阻力减水力半径增加输水工程运行调度难度渠道水力响应特性发生较变化[2]冰盖稳定性遭破坏冰凌堆积运动形成冰塞冰坝雍高游水降低渠系流力破坏建筑物严重影响渠道冰输水力[3]南水北调中线工程低纬度流高纬度交叉建筑物类型冰期输水避免控制流凌期冰塞提高南水北调中线冰期输水力关键
国外学者冰情演变规律做量研究型渠道冰凌问题研究较少崔巍等[4]研究发现寒冬年水流流速098105ms时形成片状薄冰会拦截续冰花实现快速封冻颜景协[5]利流速指标作判断准采规形状冰模型冰凌潜条件进行研究发现体积较浮冰潜界流速达18ms文南水北调中线工程研究象冰水力学程进行分析建立输水渠道冰期输水仿真模型冬季干渠输水力进行研究分析冰凌间渗流加厚冰盖糙率输水力影响提高南水北调中线工程冰期输水力保障输水安全稳定着重现实意义
1计算模型
11河冰热力学
水体环境散失热量水流维热扩散方程：
(1)
式中：Ex弥散系数b水面宽度Ss单位表面积单位时间净热流率t时间x距离Tw水温Cp水热容A流面积Q流量ρw 水密度
水位低冰点时继续散热导致水体生成冰花发生相变释放潜热冰花扩散方程：
(2)
式中：Ex弥散系数Dx湍流扩散系数Ci水中冰浓度Li冰潜热ρi冰密度∑S包括冰花冰盖沉积水流冰盖堆积物侵蚀作
12河流水力学
流水力学动量方程连续性方程：
（3）
（4）
式中：pi 冰盖湿周pb 河床湿周H水位τi冰盖剪切力τa风剪切力τb河床剪切力Bo畅露水面宽度（包括岸冰）
13冰盖增厚模型
水面出现流冰现象会断面突变转弯位置发生封堵堆积形成初封冰盖流凌遇障碍物冰桥时冰桥前发生潜形成铺冰盖天然冰凌潜界角条件：
(5)
式中：g重力加速度y冰块游水深Vc冰块游流速 t冰块厚度si相密度系数K取值115Ft冰厚弗劳德数
2冰期输水控制冰凌潜运行研究
21冰期输水渠道输水运行研究
渠道坡1 20000长度20km底宽40m梯形断面边坡系数15假设游流量保持恒定冰凌断生成冰盖发展速度时间变化曲线图 1 示出70000s时冰盖发展速度等零表明冰盖前缘抵达渠道游端越游水位变化越冰盖发展阶段渠末断面外断面水位均升水力调整阶段渠道水位没发生明显变化基保持稳定冰盖形成程中渠首渠末流量变化逐渐增冰盖发展阶段冰盖前缘达断面流量减封冻逐渐恢复
图 1 游水位恒定工况冰盖发展速度
22输水渠道加厚冰盖渗流分析
黄河北渠段典型设计例输水渠道中加厚冰盖渗流进行分析冰盖渗流百分总流量加厚冰盖渗流量关系分图 2图3 示出融冰期加厚冰盖渗流量增长速度结冰期总流量增渗流量总流量中重断减加厚冰盖渗流量相应增加厚冰盖渗流渠道输水流量中占重较输水流量65 m3s时融冰期结冰期加厚冰盖渗流量分占总流量064208忽略加厚冰盖渗流影响
图2冰盖渗流百分 图 3 加厚冰盖渗流量总流量关系
23结冰期输水运行约束
结冰期水深界流速图4 示冰厚界冰厚弗劳德数曲线见图 5出水深相时着冰凌厚度增加界流速逐渐增界冰厚弗劳德数减冰凌厚度相时着水深增加界流速界密度弗劳德数均增冰凌厚度越输水渠道水深越冰凌潜界流速越
图4结冰期冰厚界流速图 图 5 冰厚界冰厚弗劳德数曲线
24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 1ms设计水深 46m边坡系数 25底宽40m例结冰期融冰期封冻期流力相表 1 示加水位例：结冰期受冰凌潜条件制约冰凌厚度 012m 时输水流量达设计流量 3277融冰期输水流量设计流量 4891加水位条件冰凌厚度 017m时融冰期结冰期输水流量分58413920
表 1 冰凌潜约束流凌期输水流量占设计流量百分（设计水深 46m 例）
闸前控制水位
结冰期
融冰期
冰凌厚度017m
冰凌厚度012m
冰凌厚度017cm
冰凌厚度012m
加值（）
3920
3277
5841
4891
加值+12m（）
4990
4158
7435
6197
设计值（）
3416
2861
5099
4267
3输水渠道流凌期输水力研究
突破冰凌潜运行约束考虑加厚冰盖条件输水允许冰凌潜：分析冰凌性质渠道工程参数冰期输水运行影响提出冰期运行控制指标进研究渠道冰期输水力
31渠道工程参数影响
渠壁糙率0027冰盖糙率003输水流量120m3s条件渠道底宽渠道底坡冰期输水运行影响分图 6图7示知着渠道宽度增加冰盖厚度逐渐增冰盖水深逐渐降低时着渠道底坡减冰盖厚度逐渐减冰盖水深逐渐增
图6底宽冰期输水运行影响 图7底坡冰期输水运行影响
32加厚冰盖糙率影响
渠道底宽55 m渠壁糙率0027输水流量120 m3s条件加厚冰盖糙率渠道冰期输水运行影响图 8 示见冰盖水深冰盖厚度均冰盖糙率增增加厚冰盖水流条件间存相互作通控制水流条件控制加厚冰盖发展定程度够提高输水渠道输水流量
图8冰盖糙率冰期输水运行影响
33流凌期输水力分析
输水渠道中形成加厚冰盖湿周增断面阻力增流面积减渠道输水流量越冰盖水深越正常水深冰盖水深间差值越冰盖厚度越渠道冰盖水深正常水深图9示
图9冰盖水深正常水深
南水北调中线工程典型渠道流凌期封冻期流力相表 2 示粘结力作结冰期相条件融冰期加厚冰盖厚度相糙率条件采冰凌输水方式时流凌期流力仅略冰盖输水期流力加水位条件冰盖输水期输水流量受冰盖糙率影响较冰盖糙率005时封冻期渠道流力设计流量3663冰盖糙率004考虑渠道输水力设计流量4356冰盖糙率003时加水位条件封冻期渠道流力设计流量6039 流凌期输水力冰盖糙率降低进步提高
表2输水渠道冰期流力占设计流量百分
闸前控制水位
流凌期
封冻期
冰盖厚度m
冰盖糙率 005
冰盖糙率004
冰盖糙率003
冰盖糙率005
冰盖糙率004
冰盖糙率003
设计值
3029
3623
4425
3267
4158
5445
027
加值
3653
4356
5326
3663
4653
6039
029
加值+10m
5049
6027
7356
5544
6732
8613
033
4结
文南水北调中线工程研究象冰水力学程进行分析建立输水渠道冰期输水仿真模型冬季干渠输水力进行研究分析冰凌间渗流加厚冰盖糙率输水力影响出结：
（1） 加厚冰盖渗流渠道输水流量中占重较输水流量65 m3s时融冰期结冰期加厚冰盖渗流量分占总流量064208冰凌厚度越输水渠道水深越冰凌潜界流速越
（2） 结冰期受冰凌潜条件制约冰凌厚度 012m 时总干渠输水流量达设计流量 3277融冰期总干渠输水流量设计流量 4891加水位条件冰凌厚度 017m时融冰期结冰期输水流量分58413920
（3） 着渠道宽度增加冰盖厚度逐渐增冰盖水深逐渐降低着渠道底坡减冰盖厚度逐渐减冰盖水深逐渐增
（4） 流凌期输水力冰盖糙率降低进步提高冰盖糙率003时加水位条件封冻期渠道流力设计流量6039 冰盖糙率005时封冻期渠道流力设计流量3663
参考文献
[1]赵新张雅卓王旭 加厚冰盖渗流渠道输水力影响[J] 南水北调水利科技201210(04)79+13
[2]李志民邵洪文师兰英 基河道冰厚变化规律冰期流量影响分析[J] 黑龙江水利科技2008(02)1213
[3]欧阳琪张远东 加利福尼亚州水资源调配工程[J] 南水北调水利科技2006(06)112
[4]崔巍王长德光华等 渠道运行调整模糊控制系统设计仿真[J] 武汉学学报(工学版)2005(01)104107+116
[5]颜景协马安堂谢金忠 引黄济青冬季通行水面线控制验探析[J] 山东水利1999(S1)15
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