南水北调中线京石段渠道倒虹吸拦冰索设计

拦冰索是寒冷地区渠系交叉建筑物的拦、排冰的一种措施,国内工程实例较少.通过唐河倒虹吸工程设计,介绍了拦冰索的平面布置、构造、组成、设计原则和荷载计算方法,为同类工程提供借鉴和参考.     

双缆网式拦冰索布设间距研究

南水北调中线工程自丹江口水库向北京、天津方向输水,冬季南北冻融不同步将可能会导致严重冰情的出现。同时,南水北调中线工程由串联渠池组成,为降低下游渠池发生冰害的可能性,实现南水北调中线工程各渠池冰凌"自产自销",在物理模型试验的基础上,研发了双缆网式新型拦冰索。现重点在新型拦冰索拦冰效果研究的基础上,结合冰水力学相关理论,对新型拦冰索有效拦冰距离的计算方法进行探讨,并结合南水北调中线工程的特点,研究了新型拦冰索的布设间距。研究认为:拦冰索拦滞的加厚冰盖极限长度以及有效拦冰距离均随锚固位置与水面距离的增大而减小、随加厚冰盖糙率的增大而减小、随冰凌厚度的增加而减小;当冰凌厚度较大时,冰凌不再下潜,形成平铺冰盖,此时拦冰索拦滞的加厚冰盖极限长度与有效拦冰距离相等。对于南水北调中线工程总干渠典型渠段,在极端气候条件下,拦冰索的布设间距以4～6km为宜。     

南水北调中线干渠冰期输水能力研究

冰盖的形成使得渠道的湿周增加,水力半径减小,输水阻力加大,致使渠道过流能力减小,影响渠道的冬季输水。渠道冰期的输水能力无论对工程设计,还是运行管理都是十分重要的。文章分析了结冰期冰盖的安全推进模式和稳定封冻期渠道水位壅高的影响,提出了确定渠道在结冰期和稳定封冻期的输水能力的控制指标,在此基础上,对南水北调中线黄河以北渠段结冰期以及完全封冻后的输水能力进行了研究,确定了南水北调中线黄河以北干渠的冬季输水能力,研究成果对于南水北调中线干渠的冬季管理和运行具有一定的参考价值。     

拦冰索在冬季引黄输水中的应用

河流结冰产生的冰凌对建筑物的膨胀压力及流冰对建筑物的撞击力,都因超过建筑物本身的强度而发生破坏。同时,冰凌也会给河道引水造成困难。常见的现象是河道因结冰而使流速减缓,流量降低,影响过水能力,甚至河道被冰塞堵塞,而断绝水流。该文从拦冰索选址、布设、作用、观测与分析几个方面入手,对在冬季引黄输水中的应用进行了分析。     

南水北调中线工程非对称式拦冰索设计

结合工程实例,将悬链线理论引入到拦冰索的设计之中,建立了非对称式拦冰索的力学及几何模型,推导了相关计算公式,优化了其荷载条件,为非对称式拦冰索的计算和设计提供了参考和借鉴。     

基于GA-BP的输水渠道拦冰索拦冰厚度预测研究

依据模型试验实测数据,基于遗传算法优化BP神经网络建立神经网络模型,对拦冰索前各断面的拦冰厚度进行了训练预测,将所得预测值与实测值进行分析对比.结果表明,该模型的泛化能力较强,预测数据误差绝大部分都在合理的范围以内,预测值与实测值曲线拟合较好.本研究可为南水北调中线干渠冰期输水冰害应对措施研究建立预报模型提供有益的参考.     

南水北调中线干渠冰期输水冰情分析及冰害防治措施

南水北调中线总干渠跨越地理纬度大,由南向北气温逐渐降低,由气候温和区走向气候严寒区,沿程流量逐渐减少,流速降低,水深减小,沿岸多交叉建筑物,遇寒冷天气,不可避免地产生冰危害问题。在大量收集资料的基础上,分析了渠道冰期输水可能出现的冰情及其产生条件,并提出了运行过程中的冰害防治措施。     

南水北调中线干渠闸门同步关闭水力响应特性

构建南水北调中线干渠局部一维非恒定渐变流模型,以“刁河闸—湍河闸”渠池为例,测试闸门调控方式和渠道运行条件对闸前壅水峰值水位、达到峰值水位所用时间、水力振荡频率、水力振荡幅度等水力响应特性的影响。研究表明：水力振荡上升过程快,下降过程慢,波幅随时间呈对数函数衰减;闸前壅水峰值水位随闸门关闭速度、闸门关闭幅度、输水流量、运行水位、渠道糙率的减小而近似线性地减小;达到峰值水位所用时间对输水流量、运行水位和糙率变化不敏感,随闸门关闭幅度和输水流量的增加而近似线性减小;水力振荡频率对闸门关闭所用时间、闸门关闭幅度、输水流量和糙率变化不敏感;水力振荡幅度对运行水位、糙率变化不敏感,随输水流量的增大而快速衰减。     

南水北调中线工程冰期输水特性研究

应用水力学、冰水力学和传热学等理论,通过建立渠道的气、水、冰的热传导方程,水温控制方程,水流运动、浮冰输移及冰盖发展方程,构建了南水北调中线干渠的一维冰期输水模型。该模型不仅考虑了渠道拦冰索对流冰的控制条件,以及穿黄隧洞等地下结构的地温影响,还通过加入闸门控制算法,模拟了渠道中闸门对水位和流量的调控作用,使得数值模拟结果更能符合工程的实际情况。利用此建立的模型,对该工程黄河以北干渠的冰期输水过程进行了模拟,分析了渠道的冰情特性,研究了冰期渠道的水力响应特性,并提出了渠道冰害防治和运行控制等方面的建议。     

长距离输水渠道冰期运行控制研究

高纬度地区的渠道在冬季往往采用冰盖下输水,保证冰盖的稳定性是渠道冬季安全输水的前提条件。目前,渠道在冬季的运行控制多依靠经验,开展长距离渠道冰期运行控制研究对实现冰期安全输水是十分重要的。利用数值模拟的方法分析了长距离输水渠道的冰情和水情的变化过程,根据渠道内的冰情演变特性,提出冬季渠道应采用闸前常水位方式运行。鉴于气象预报以及冰情预报可能存在的不确定性,提出采用水位-流量串级的反馈控制算法,建立了渠道冰期运行控制模型,并在控制器内加入解耦环节,以提高渠道的控制效果。并通过南水北调中线干渠的数值模拟实验,对渠道冰期运行控制模型的控制效果进行了验证。结果表明,该冰期运行控制模型可以实现渠道冬季安全、适时、适量的供水目标。     

寒冷地区供水工程引水明渠结冰问题数值模拟

以宁夏吴忠金积供水工程为例,对在冬季寒冷地区利用引水明渠从河流或水库引水时遇到的结冰问题进行研究。利用一维非恒定水力热力耦合数学模型对3种典型工况下引水明渠水温分布进行数值模拟,得出不同水深、不同风速时的初始结冰位置。利用冰盖厚度发展数学模型对10 a来冰盖发展情况进行数值模拟,并与经验公式计算结果进行对比,得到了较为一致的结果。根据数值模拟结果,得出寒冷地区引水明渠冬季供水时渠水温度的分布规律,总结出影响水温分布及初始结冰位置的因素。     

封冻河道的阻力研究

冰盖引起的流动阻力是研究河冰生消演变及其运动规律的关键问题之一。封冻阻力使河流水位壅高、过流能力降低、水位流量关系改变。本文应用 Prandtl半经验紊流理论,推导得到封冻河道水力要素间的理论关系表达式,并对冰盖影响区与床面影响区的交界位置进行了分析讨论;对由流速分布推算冰盖及河床糙率的计算方法进行了研究,并与现场实测资料进行了验证。     

长距离渠道闸门故障扰动及小影响应急调度研究

闸门控制故障是威胁长距离输水渠道正常调度运行的常见风险之一,研究闸门故障工况下渠道水力响应及快速应急调度响应措施对长距离输水渠段安全运行具有重要意义。以南水北调中线一期工程为研究对象,基于通水3 a以来的实际调度运行状况,构建闸门故障扰动一维非恒定流水力学模型,分析渠段的水力响应,并研究应对闸门故障扰动的小影响应急调度措施。计算结果表明:闸门故障扰动下的水力响应与渠道流量、渠段长度密切相关;通过调节旁侧闸门的小影响应急调度措施能尽可能减小事故闸门的影响,维持上下游渠道水位的相对稳定,且响应时间越早越有利于闸门事故控制;事故闸门开度长时间大幅度异常时,需联合临近节制闸、分水闸、退水闸共同调度才能维持渠道正常输水及安全运行。研究成果可为南水北调中线一期工程调度运行应急预案及风险管理提供参考。     

南水北调中线总干渠冰情预测模型参数敏感性分析及率定

南水北调中线工程黄河以北总干渠冬季由于受气温的影响,将有不同程度的冰情产生,总干渠将处于无冰、流冰、冰盖下输水等多种复杂运行状态,运行不当则可能发生冰塞、冰坝危害。为了更准确地预测冰情,文章利用详细热量交换法对不同条件下渠道内一维冰盖生消进行数值模拟,根据2012年冬季的冰清观测结果以均方根差最小的原则率定模型参数。随后通过改变反射系数α、云量C、虚拟冰盖厚度Δh、风速Va、折减系数Cc及Ce、初始水温等分析冰盖厚度对于模型参数的敏感性。仿真结果显示,模型参数中反射系数α、虚拟冰盖厚度Δh这两个参数对冰盖厚度影响较大,气温数据中云量C对冰厚结果影响较大,且在高云量区域敏感性为极敏感,这些规律可以为寒区渠道系统冰情预测模型的开发及率定提供参考。     

河流和渠道中的控冰结构运用现状评述

我国冬季寒冷地区的河流渠道都会面临流冰问题,控制流冰,减轻冰害意义重大。该文以流冰的结构控制方法为出发点,从结构形式、基本原理、主要优缺点及在运用过程中存在的限制等方面对国内外现存控冰结构形式作了分类评述,以期拓宽我国冰控制技术的发展思路,并为工程中选用最优结构形式提供借鉴。     

河流和渠道中的控冰结构运用现状评述

我国冬季寒冷地区的河流渠道都会面临流冰问题,控制流冰,减轻冰害意义重大.该文以流冰的结构控制方法为出发点,从结构形式、基本原理、主要优缺点及在运用过程中存在的限制等方面对国内外现存控冰结构形式作了分类评述,以期拓宽我国冰控制技术的发展思路,并为工程中选用最优结构形式提供借鉴.