长距离输水渠道冰期运行控制研究

关于南水北调中线干线冰期输水自动化控制模型浅析发布时间：2022-10-21T02:37:14.304Z 来源：《中国建设信息化》2022年11期第6月作者：牛红[导读] 长距离输水工程规模巨大，技术复杂，本文通过分析南水北调冰期自动化输水牛红中国南水北调集团中线有限公司摘要：长距离输水工程规模巨大，技术复杂，本文通过分析南水北调冰期自动化输水运行管理的现状、特点，比较全面的总结了南水北调长距离大型调水工程运行管理的经验、教训和体会，能对我国长距离大型调水工程的冰期运行管理理论和实践起到一定的借鉴作用。

关键词：长距离输水；冰期输水；自动化控制；运行南水北调中线总干渠输水距离长达1400余公里，控制节点多，沿线均无调节水库，只能利用有限的渠道调蓄能力，水力条件非常复杂，如此大规模、长距离调水工程的输水运行控制问题国内尚无先例，其调水工程的调度和控制也十分复杂，其难点在于：（1）渠线长，控制建筑物多，（2）明渠输水为无压自流形式，如果输水干渠上没有任何调蓄水库，输水控制过程的可调节能力较差，控制难度也就更大，尤其是冬季冰期输水困难更大。

（3）长距离调水工程沿线水量分配不均，而且与当地水源联合调度，各闸门的需水量也是变化的。

因此提高针对渠道冰期输水方面的自动化模拟研究，在输水运行控制方面有着重要的意义，通过运行调度过程模拟、调度运行方案研究和自动控制系统等方面发展可以提高渠道的输水安全性能。

1.冰期输水自动化控制数学模型研究现状渠道的自动控制方法的研究和应用在国外开展的较早，早在1937年，阿尔及利亚就安装了上游常水位自动闸门（AMIL），20世纪40年代下游常水位控制闸门（A VIS或A VIO）开始安装使用，法国SOGREAH公司研究开发了BIV AL控制模型，是一种等容积就地自动控制模型，也是一种比例积分控制，应用本方法的有墨西哥的Cupatitzio-Tepalcatepec工程等，其他同类控制如P+PR（比例+比例复位）控制算法将积分控制引入渠道控制，用于上游控制模式，应用的有华盛顿Umattilla流域工程、亚利桑那Yuma Dsesalting水槽排水渠道等，但对于冰期输水模型研究目前不多。

简议长距离输水渠道的防冰与防冻冰技术措施我国北方及西北地区在冬季输水时，输水渠道发生冰害和冻胀是必然的自然气象。

为了有效提高渠道防冰与防冻冰的能力，本文结合工程实际，从长距离输水渠道的运行、工程两方面对防冰与防冻冰的技术措施进行了论述分析。

标签：输水渠道；冻害；特征；长距离输水渠道；问题；防冰与防冻冰；技术措施一、输水渠道冻害的特征1 冰冻破坏。

对于冬季继续输水运行渠道而言，结冰会对渠道混凝土衬砌结构带来破坏，在负温环境中输水运行，渠道中的水体会不断结冰，尤其是当渠道水面被完全封冻后，冰冻层也会随冰的积累而不断加厚，这样就会对渠道坡面的衬砌体产生较大的冰自重和膨胀压力，会引起混凝土衬砌体发生移位或压力变形。

另外漂浮在水体表面的冰块或冰屑会不断积累形成冰盖，减少渠道有效过水断面，阻挡渠道水的正常流动，降低输水效率，严重时会由于水体表面全面封堵，形成冰坝，造成渠水出现漫溢等问题，给渠道带来溃渠等安全隐患。

2 冻融破坏。

渠道混凝土衬砌层其自身具有一定吸水性，且运行在常有水环境中，防渗材料中势必会存在一定水分。

材料中的水分在负温条件下，就会出现结冰体积膨胀，大约比原体积增大9%左右。

这种孔隙水膨胀作用，一旦其应力超过渠道衬砌混凝土材料的强度时，就会导致防渗材料产生形变出现裂缝，尤其是经历多个负温循环后，材料吸水性更强，孔隙水膨胀破坏作用将会更严重，最终会引起渠道混凝土防渗衬砌材料出现表层剥落、冻酥等冻融破坏。

3 冻胀破坏。

季节性冻土区的渠道，其在冬季负温条件下，渠基土中的水由于结冰而体积膨胀增大，当膨胀压力超过混凝土的耐压时，衬砌层就会发生隆起等破坏。

渠道混凝土衬砌结构由于冻胀性能出现开裂、折断等问题。

春季消融，导致渠基土体结构稳定性和强度大大降低，造成防渗衬砌混凝土发生破坏，严重时还可能引起这个衬砌结构体发生滑塌等事故，影响渠道的正常输水运行。

二、长距离输水渠道冰期输水存在的主要问题1 长距离输水渠道部分工程存在病害。

寒冷地区电站长距离输水明渠冬季运行方式探讨
席燕林
【期刊名称】《水利水电技术》
【年(卷),期】2015(046)012
【摘要】通过大量工程资料收集和类似工程经验分析,对寒冷地区引水式水电站长距离输水明渠在冬季各种输、排冰运行方式的适用性进行了对比分析,着重对结冰盖运行方式的建筑物布置、流量控制和水位控制等进行深入分析和研究,提出了完整的分段壅水结冰盖输水方式的输水渠道建筑物布置、水位运行控制的设计和运行控制方法,消除了寒冷地区电站输水长明渠冬季运行中的冰冻危害问题,并成功运用于实际工程设计和运行.
【总页数】5页(P85-89)
【作者】席燕林
【作者单位】中水北方勘测设计研究有限责任公司,天津300222
【正文语种】中文
【中图分类】TV672
【相关文献】
1.寒冷地区水电站引水明渠冬季不结冰长度计算 [J], 铁汉
2.集中生活热水供应模式的探讨——“三季加一季”是寒冷地区空气热泵热水系统切实可行的运行方式 [J], 林康立
3.寒冷地区长距离引水式发电站渠道冬季调控措施探析 [J], 宋哲
4.卡杜里电站冬季机组技术供水运行方式优化 [J], 程锐
5.寒冷地区引水式电站冬季结冰盖运行渠道设计与研究 [J], 白俊岭;孙亮科
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浅议南水北调中线京石段工程冰期输水技术作者：赵嘉诚韩黎明王术国来源：《南水北调与水利科技》2009年第05期摘要:南水北调中线引丹江口水库水量至北京、天津市。

沿线渠道经过北方寒冷地区,渠道水体会发生结冰现象。

目前,冰期输水运行是长距离渠道输水运行调度的难点,仍处于研究探索阶段。

特别针对南水北调中线总干渠的冰期输水调度,至今尚未形成成熟的技术成果。

2008年为缓解北京水资源紧缺状况,利用南水北调中线京石段工程临时从河北省向北京供水。

本次供水经历了冰期输水阶段,并成功地实现了冰期安全输水的目标,积累了宝贵的冰期输水的调度经验,对冰期输水的调度研究有很好的借鉴作用。

关键词:南水北调中线;冰期输水;调度运行中图分类号:TV68;TV875文献标识码:A 文章编号:1672-1683(2009)05-0037-03Technologies of Operation on Beijing-Shijiazhuang Section of Middle Route Projectof South-to-North Water Diversion in Ice PeriodZHAO Jia-cheng1,HAN Li-ming2,WANG Shu-guo3(1.Jiaodong Water Transfer Bureau,Shandong Province,Weifang 261061,China;2.Construction and Administration Bureau of Middle Route Project of the South-to-North Water Diversion,Beijing 100038,China;3.Shandong Haobo Water Conservancy Construction Co.,Ltd,Weifang 261031,China)Abstract: The Middle Route of the South-to-North Water Diversion Project will divert water from Danjiangkou Reservoir on the Han River (a branch of the Yangtze River) to Beijing and Tianjin.As for the operation of the Project during ice period,there is no satisfactory result yet.In 2008,there was water shortage in Beijing.Since part of the Project (from Shijiazhuang to Beijing) was completed,the canal was operated to transfer water of 3 billion m3 from Hebei province to Beijing.During ice period,after careful preparation,several measures were adopted for the successful water transfer.Finally the Project was operated safely and smoothly.This paper introduces the experiences of the operation of the water diversion during ice period at this time,which can be a reference for the further research on ice period water diversion.Key words: Middle Route Project of South-to-North Water Diversion;ice period;operation1 引言2008年9月18日,南水北调中线京石段应急供水工程开始通水。

浅谈南水北调天津干线西黑山进口闸闸后防冰冻措施比选及效果摘要：长距离渠道输水工程中，各闸站部位防冰冻措施是冰期输水运行过程中的重点难点。

应综合考虑调度运行措施、管理措施和工程措施等，建立科学合理的水量调度方案、结合冰情监测数据、运行管理日报等，确定综合的防冰冻应急方案。

根据防冰冻技术研究结合本闸站的实际实施情况，本文对南水北调天津干线输水闸室闸门以及长距离输水渠道的防冰冻技术措施进行了分析比对，并对一个完整冬季输水期的运行效果进行了阐述，以供类似工程参考。

关键字：闸站；防冰冻；措施；效果一、冰冻冰塞概况南水北调天津干线西黑山进口闸枢纽工程闸后消力池及渐变段均为开敞式矩型槽结构，起止桩号为XW0+170.5~XW0+222，总长51.5m。

渐变段后为已加盖矩型槽。

2016年1月中下旬，华北地区遭遇30年一遇低气温天气，气象资料显示徐水区气温达-19℃。

由于西黑山进口闸处于山区风口位置，周围环境估计达到-20℃～-25℃。

极寒天气情况下，1月22日夜至1月23日凌晨，西黑山进口闸构筑物周围形成冰塞；闸后两侧挡墙及闸墩下部冰层积累，造成过水断面减小，影响过闸流量；闸站监控系统显示文村北调节池瞬时流量大幅减少，对天津干线正常输水运行构成威胁。

二、设计的比选（一）设计方案方案一、开敞段加装保温板参照现有工程已加盖区域的冬季运行效果，本方案在闸后消力池及渐变段顶部增加盖板防护。

经对钢化玻璃、混凝土板等不同材质进行比较，结合下段矩型槽已建护槽盖板，拟采用高性能的工程塑料聚碳酸酯为材料的耐力板。

具有轻、透、隔音效果，且强度高、耐撞击性强、易于加工，可根据现场实际需要做成拱形或弯曲面等多种式样。

本方案适宜用纯白色拱形0.6cm厚耐力板，骨架材料为镀锌钢桁架。

其典型横断面见图3.1。

图3.1 设置保温防护措施典型横断面图方案二、设置防冻涂料此方案即在进口闸闸后的混凝土底板、墩墙及闸门下游侧嵌入刷涂防冰雪材料的钢板，根据下游水深情况，钢板顶高程为64.5m。

长距离输水工程有关技术问题的探讨论文作者：陈涌城摘要：概述华北院承担在建长距离输水工程实例，论述长距离输水工程管材的选择，水锤的防护技术与安全措施，经济流速的计算与经济管径的确定方法。

关键词：长距离输水工程水锤经济流速经济管径华北设计院自78年以来承担和参加国内大型长距离输水工程累积18项之多，如天津市“引滦入津”工程，大连市“引碧入连”工程，石家庄引岗黄水库水工程等等，目前正在设计或正在施工中尚有8项，列表如下：长距离输水工程在建项目表序号工程名称工程简介工程进展情况1邯郸市“岳济邯”工程（二期）岳城水库至铁西水厂，管道总长56km（重力流），规模10万m3/d，工压0.4-0.5Mpa，采用DN1200预应力混凝土管长36km，DN1400预应力混凝土管20km。

输水线路走向同一期施工图设计阶段2长治市辛安引水工程（二期）辛安水源至长治水厂输水规模8.64万m3/d(lm3/s)，采用DN1000钢管，δ=10mm，工压1.8Mpa，L=12km；DN1000预应力混凝土管，工压0.6Mpa，L=12km；DN900预应力混凝土管，工压0.6Mpa，L=12.17km正在进行管材与施工队伍的招投标。

3衡水市“引湖入衡”工程衡水湖至衡水市水厂，规模10万m3/d，工压0.4Mpa，采用2根DN800预应力混凝土管，管长L=9.8km(其中穿越河道采用钢管)取水工程正在施工，取水管道已敷设6km。

4呼和浩特市引黄供水工程黄河浦滩拐至金河水厂，总长82.16km1）二道洼水库上段，规模40万m3/d，采用二根DN1600球墨铸铁管，长2.73km，工压0.8Mpa；采用DN2000PCCP管（预应力钢套筒混凝土管），长62.96km，工压0.6Mpa。

2）二道洼水库下段（重力流），规模20万m3/d，采用二根DN2000预应力混凝土管，工压0.4Mpa，长16.47km。

取水泵站正在建设，二根球墨铸铁管敷设完毕，PCCP管与PCP管正在施工。

第4卷　第6期2006年12月南水北调与水利科技South 2to 2North Water Transfers and Water Science &Technology Vol.4No.6Dec 2006收稿日期:2006211222作者简介:张　成(19822),男,湖北鄂州人,博士,主要从事水力学及河流动力学研究。

冰期输水研究进展张　成,王　开(清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京,100084)摘要:高纬度寒冷地区的河流在冬季结冰是一种普遍现象。

冰块堆积,堵塞和聚集形成的冰坝、冰盖和冰塞会导致河道阻力增加,致使上游水位上涨,并可能造成冰期洪水,建筑物破坏,航运不畅等危害。

研究河冰形成和演变规律,寻求相应的解决办法保证冰期安全输水成为许多国家关心的重要问题。

国内外一些学者通过原型观测,试验和数值模拟的方法对水内冰,岸冰,底冰,冰盖和冰塞的生成和演变,封冻河道的阻力、过流能力和水位变化等有关问题进行了研究。

前苏联,加拿大,北欧等国家和地区结合河冰研究的成果,在引水工程中采取各种有效措施,达到了冬季安全引水的目的,积累了许多有价值的经验。

由于河冰问题的复杂性,已有的理论成果和工程经验还很不完善,需要进一步的研究。

本文对上述河冰问题的研究成果以及冰期输水的一些工程经验作了简单介绍。

关键词:冰期;输水;冰盖;冰塞;冰坝;演变中图分类号:TV875 文献标识码:A 文章编号:167221683(2006)0620059205The R elational R esearch and Experience of W ater T ransfer during Freezing PeriodZHAN G Cheng ,WAN G Kai(S tate Key L aboratory of H y droscience and Engineering ,Tsinghua Universit y ,B ei j ing 100084,Chi na )Abstract :The phenomenon t hat rivers freeze in high latitude and cold regions is universal.Ice dam ,ice cover and ice jam ,which are formed by stack ,jammed and collective ice ,can increase river resistance and water stage ,resulting in flood ,construction damage and navigation problems.In order to find out safe met hods for water transfer during freezing period ,studying t he formation and development regularity of t he river ice has been concerned on by many countries.Some researchers have made study on t his subject ,such as t he generation and evolution of frazil ice ,shore ice ,bottom ice ,ice cover and ice jam ,t he resistance of freeze 2up river ,flow capacity and variation of water stage.On t he base of t he river ice study ,t he former USSR ,Canada ,nort h Europe take some effective measures to transfer water safely on t heir water transfer project s ,and t hese countries have accumulated a few valuable experience.Because of t he complication in river ice study ,t he t heory and project experience of t his subject are not perfect ,and need furt her research.This paper int roduces t he river ice study and project experience during freezing period men 2tioned above.K ey w ords :water transfer ;freezing period ;ice cover ;ice jam ;ice dam ;evolution1　前　言无论是天然河道还是人工渠道,只要是处在寒冷地区就都会出现结冰以及融冰现象,这对于河道或渠道的输水、防洪、航运、水电站发电以及周围环境和生态产生一定的影响,带来一系列的问题。

闸站运行冰期输水阶段的控制
1、所有的节制闸、检修闸、退水閘的防冰设施（如闸门门槽加热设备）应完成调试，具备正常运用条件。

2、为防止浮冰阻塞水流通道，在沿线倒虹吸、涵洞、渡槽等建筑物进口适当位置设置拦冰索，并配备一定数量的破冰、排冰机械设备，以备应急之需。

3、为处理紧急情况，及时排除流冰形成的冰塞冰坝等险情，应合理安排相应的排冰通道。

4、冰期通水时，用电量将大幅增加，供电系统应满足冰期通水的用电要求。

要求现地的运行管理设施、供电通讯设施、管理人员的生活设施均应满足越冬要求。

5、为及时发现和处理冰塞险情，应增加可能发生冰塞险情地点的值班人员和监测手段，并保障全线退水閘、节制闸的通讯畅通。

6、在12月10日前做好冰期输水的一切准备工作，防冰设备调试完毕，进入启用状态；工程施工准备就绪；冰期增加运行人员到岗。

7、融冰期应密切关注融冰渠段的水位变化。

第14卷 第6期2016年12月南水北调与水利科技S outh 2to 2North W ater Transfers and Water Science &Techn ology V ol.14N o.6Dec.2016冰研究与工程收稿日期:2016206204 修回日期:2016209221 网络出版时间:2016200200网络出版地址:作者简介:段文刚(19722),男,河南南阳人,教授级高级工程师,主要从事水工水力学研究。

E 2m ail:ckydw g@DOI:10.13476/ki.nsbdqk.2016.06.017段文刚,姚雄,黄国兵,等.长距离调水明渠冬季输水冰情分析与安全调度[J].南水北调与水利科技,2016,14(6):962104.DU A N Wen 2gang,Y AO X iong,H U AN G G uo 2bing ,et al.Ice reg ime analysis and safe dispatch r esear ch on long distance w ater diversion pro ject in w inter [J].So uth 2to 2N or th Wat er T ransfers and Water Science &T echno log y,2016,14(6):962104.(in Chinese)长距离调水明渠冬季输水冰情分析与安全调度段文刚1,姚 雄2,黄国兵1,杨金波1,刘孟凯1(1.长江水利委员会长江科学院,武汉430102;南水北调中线干线工程建设管理局,北京100038)摘要:结合南水北调中线总干渠2011年-2016年间5个冬季冰情原型观测数据,分析了冰情时空分布特征、冰盖厚度、冰情现象、冰情演变条件和特点等。

2015年-2016年冬季输水流量大,渠道水流流速0.25~0.67m/s,加之遭遇罕见寒潮(-18.6e )的叠加,局部渠段出现冰塞现象。