南水北调中线工程冰期输水研究

介绍了南水北调中线工程冰期输水采用数学模型计算取得的初步成果.其参数以与南水北调中线工程条件类似的渠道或河道冰水力学的原型观测及资料分析确定.计算结果表明:南水北调中线工程在鹤壁以北具有水内冰的生成条件,愈向北水内冰含冰量愈大;在计算条件下不致影响冰期输水量;由于总干渠冰期流速较大,不可能结成冰盖;建筑物及边坡冻胀问题应予以重视.     

一月科普

正Q:天好冷,我冻得发抖,南水北调的输水途中,"南水"也会被冻住吗?A:北方冰冻情况在南水北调工程的设计施工中早有考虑,工程不仅有相应的防冻设备,还有除冰措施。中线工程进入冰期输水运行前,工程全线逐步抬高水位,通过增大过水断面减小流速,便于形成冰盖,以进行冰盖下稳定输水。倒虹吸、涵洞、渡槽等建筑的进口增设安装了拦冰索,防止流冰期间冰屑进入建筑内造成冰害。节制闸闸     

冰情模型中不确定参数的影响特性分析

数学模型中参数的不确定性直接影响到模拟结果的不确定性。以南水北调中线工程冬季输水为例,根据实测和设计资料,采用自主开发的大型长距离调水工程冬季输水冰情数值模拟平台,重点分析了冰情数学模型中单一参数（冰期冰盖糙率、大气与冰盖的热交换系数）的不确定性对冰期冰盖形成、发展、消融和水位、流量等要素的影响,并计算给出了一般规律。研究表明,初始冰盖糙率的不确定性对典型年冰期水力学要素的变化过程影响较大,主要反映在沿程各计算断面的水位、流量波动以及结冰期冰盖前缘动态发展模式上,而对冰情范围及与冰相关的变量变化过程无影响。大气与冰盖的热交换系数的不确定性直接影响到最大冰盖厚度的模拟结果,而对冰盖的发展规律影响不大。建议及早准备开展中线工程冰期输水原型观测工作,对上述不确定参数进行率定。     

融冰期加厚冰盖糙率物理模型试验研究

流凌期输水能力可能成为制约输水工程冰期输水能力的瓶颈,而流凌期允许冰凌下潜,采用加厚冰盖下输水方式运行可以有效提高工程输水能力。加厚冰盖糙率的合理选择直接影响加厚冰盖形成后渠道水位和过流能力计算的正确性,但是加厚冰盖的糙率受到多种因素的影响,见刊的实测资料中,其糙率分布范围很宽。现以冻结模型冰为试验材料,以南水北调中线工程总干渠为原型,通过物理模型试验研究得到:输水渠道融冰期加厚冰盖形成初期糙率约为0.029,以供南水北调中线工程冰期输水调度和冰害防治提供参考。试验研究同时表明:水力加厚冰盖底面的最大水流弗劳德数取值0.09是合适的;力学加厚冰盖前缘都是水力加厚类型的,其长度大约与水面宽度相近;力学加厚冰盖形成和发展的过程是这样的一个循环:前缘发展→推挤增厚→前缘发展。     

基于真冰模型试验的冰盖稳定性研究

南水北调中线工程在冰期输水过程中宜采用冰盖下输水的方式,输水过程中维持冰盖稳定性 成为输水成功与否的关键。鉴于输水渠道和天然河道的冰盖稳定性不同,本文以真冰为试验对象,开 展了冰盖减压试验和冰盖增压试验,研究了冰盖稳定性与冰盖下水压力之间的关系。研究发现随着冰 盖宽度的增加,冰盖下极限水压力升、降幅度先增大,后减小;而随着冰盖厚度的增加,冰盖下极限 水压力降幅减小,升幅增大。同时由于冰盖对于水压力上升的承受能力显著强于水压力下降。为此, 建议稳定冰盖形成后,应适当调高水位运行,以利于保持冰盖稳定性。     

冰盖对南水北调中线工程渠道作用力物理模拟试验研究

为探究冰盖对南水北调中线工程渠道边坡作用力的产生过程和作用规律,通过低温环境实验室对模拟渠道进行了淡水冻结以及淡水冰升温试验。研究发现,冻结期冰盖厚度随着气温降低而持续增长的同时,冰力也在随之变化。但由于冻结期内冰底水冻结成冰的相变体积膨胀产生的压力与冰盖因冷缩对边坡产生的拉力相抵消,导致冰力对边坡的影响较小,几乎可以忽略。虽然升温期冰温呈上升趋势,但在冰底温度低于冰点温度期间,冰仍继续缓慢增长,冰盖热膨胀力明显上升,直至冰层内部温度梯度接近消失,冰温接近冰点温度。之后,随着气温的进一步升高,冰盖进入融化相变,冰力开始下降。研究成果对于渠道冰期安全运行和冰盖对渠道边坡作用机理的研究具有一定参考价值。     

浅论南水北调中线干线涞涿段冰期输水措施

南水北调中线干线涞涿段是南水北调中线干线的组成部分,从2008年南水北调京石段工程通水以来,中线工程涞涿段已经历了6次冰期输水,冰期运行状况正常。冰期输水通过采取输水调度措施,严格控制水位的变幅,在干渠冰盖形成后通过高水位、低流速调度输水,同时通过在节制闸、控制闸室弧形闸门等处安装闸门门槽加热设备,在闸门前设置增氧扰动设备,配备人工捞冰和破冰机械设备等措施,确保冬期稳定输水。     

南水北调中线干渠冰期拦冰索水力控制条件研究

通过控制水力条件,使拦冰索能够有效拦截浮冰、使得浮冰能够在拦冰索前停滞堆积而形成冰盖,是保证南水北调中线工程冰盖下安全输水的关键。本文基于中线干渠冰期原型观测数据,分析了浮冰下潜的临界水力条件,表明传统的第二临界Fr(0.08~0.09)只适用于判别冰盖前缘的浮冰运动状态,对于判别拦冰索前浮冰运动状态、分析拦冰索的拦冰能力具有局限性,并论证了采用Ashton孔口排冰公式来判断拦冰索前的流冰运动状态的合理性。研究表明,同一水力条件下,拦冰索的水下淹没深度越大,其拦冰性能越好,拦冰索前冰凌下潜的临界Fr越大;并在此基础上确定了中线工程各渠池拦冰索的最小淹没深度。研究成果可为中线工程冰期输水方案制定和拦冰索技术改造提供依据。     

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。     

基于圣维南模型下南水北调中线冰期过流弗汝德数的研究

冰盖前缘水流弗汝德数的大小对上游来冰是否会在冰盖前缘下潜以及冰盖向上游的推进模式有重要影响。基于圣维南模型,研究不同水流弗汝德数下、不同闸前控制水位下的南水北调中线工程汤河节制闸以下各渠池的结冰期输水能力。研究结果表明,同一临界水流弗汝德数控制条件下,各渠池的冰期输水能力并不相同,各渠池临界流速也不相同,变化范围较大。因此,以临界弗汝德数作为渠池冰期输水能力的控制指标更为科学,操作性和可行性更强。     

南水北调中线沙河渡槽施工方案研究及优选

通过对3种典型的施工工法进行分析和论述,重点研究了30 m跨1 200 t重U形渡槽的造槽机和架槽机两种机械化施工方案,通过建立仿真模型计算各种工况下的受力情况,分析设备的安全、可靠性,提出设备的主要性能指标,通过对架槽机、造槽机、满堂脚手架3种方案技术先进性、安全、进度等各方面优缺点综合分析,优选出能保证工程质量和工期的架槽机施工方案。     

南水北调中线总干渠冰期运行调度措施研究

南水北调中线输水工程面临着复杂的结冰和融冰过程。在分析汇总国内类似已建调水工程冰期输水经验的基础上,结合南水北调中线工程近年运行经验和冰期输水水力特性,提出了中线工程冰期输水调度方式和管理措施,包括合理确定冰期输水流量,制定冰期应急预案,建立冰情预报预警控制系统等。相关经验可供类似输水工程运行调度借鉴。     

大流量薄壁渡槽槽身张拉工艺仿真研究

沙河渡槽工程是南水北调中线的主要控制性工程,渡槽槽身为预应力钢筋混凝土梁式结构,单跨30 m,槽身U型,直径8 m,槽身壁厚35 cm,共228榀槽。槽身纵向预应力钢绞线27束,采用两端同时施加预应力方式,环向预应力初步设计119束,张拉施工量大,按老的张拉方法,待张拉全部完成后再将槽身起吊、移动,占用预制台座的时间长,必将严重制约槽身预制的施工进度,进而会影响整个渡槽工程的完工时间。研究项目通过建立张拉仿真模型,对渡槽预应力钢绞线的张拉施工顺序产生的应力场进行仿真研究分析,优化了环向预应力筋布置,优选出合适的张拉次序,采用分级、分步张拉方式,减少张拉工艺占用台座的时间,将大量张拉工作量放在存槽台座上完成,提高了预制效率及预制进度。     

南水北调中线工程河北段膨胀土固结试验研究

针对南水北调中线一期工程总干渠膨胀土河北段工程特性,采用室内固结实验对膨胀土进行定性分析,分析得出膨胀土的压缩系数,单位沉降量及孔隙比和压力的关系等.提出了更为可靠、合理、安全的解决方案,为原型实验提供数据资料和参考依据.     

漕河渡槽槽身混凝土防裂研究

分析了南水北调中线干线工程漕河渡槽在工程施工初期槽身产生裂缝的原因,产生裂缝的原因为：混凝土内外温差大;混凝土自身结构约束及自重应力大;施工过程中混凝土养护不到位等。通过优化混凝土配合比、选用高效减水剂、优化骨料级配等技术手段控制渡槽槽身混凝土裂缝的产生。     

南水北调中线工程河北段膨胀土固结试验研究

针对南水北调中线一期工程总干渠膨胀土河北段工程特性,采用室内固结实验对膨胀土进行定性分析,分析得出膨胀土的压缩系数,单位沉降量及孔隙比和压力的关系等。提出了更为可靠、合理、安全的解决方案,为原型实验提供数据资料和参考依据。     

自平衡测桩法在洺河渡槽工程中的应用

洺河渡槽是南水北调中线工程总干渠上的一座大型河渠交叉建筑物,槽身为三槽一联矩形预应力钢筋混凝土结构,其桩基设计试验荷载已临近目前国内常规试桩最大极限荷载。该文通过介绍洺河渡槽桩基检测的方案比选和自平衡测桩法的发展概况、工作原理、现场实验过程及数据分析,全面阐述了自平衡测桩法在洺河渡槽工程中的应用。此应用在南水北调工程建设中尚属首次,本工程的实践为自平衡测桩法在南水北调其他工程中的推广和应用提供了经验。     

基于遗传程序的南水北调中线节制闸过闸流量模型研究*

南水北调中线线路长,沿线分水口门多,且无调蓄水库,输水技术难度大。输水调度通过调整总干渠沿线各节制闸过闸流量,实现用水户所需的供水目标。过闸流量计算是中线水量调度模型的重要组成,目前通过传统水力学经验公式进行计算,在输水运行过程中,需不断根据实测水情数据,定期人工修正公式中参数,并更改程序源代码中的参数,灵活性差。本文通过南水北调中线输水调度的实践,建立了基于遗传程序结合水力学方法的过闸流量模型,根据实测流量计算流量系数,并利用遗传程序自动拟合节制闸前、后水位、闸门开度与流量系数的非线性关系,进而实现过闸流量计算。经在南北调中线节制闸的试用表明,该模型具有很强的自适应能力,灵活性强,拟合精度高,而且较好地避免直接拟合流量时泛化能力较弱的不足,具有较强的实际应用和推广价值。