浅谈冬季长距离输水渠道研究进展

武乐志+乔小琴+周国栋+沈培锋+朱玲斐

摘 要：我国水资源时空分布不均，水资源相对匮乏，如何合理利用与调度水资源，已成为我国经济可持续发展的重要课题。长距离输水渠道已成为一种高效安全的输水方式。然而，冬季长距离输水中，冻胀、冰情等对输水渠道影响较大，因而国内外学者就寒区渠道冻胀破坏和渠道冰期运行控制等方面开展了大量研究，文章通过对有国内外研究学者有关冬季长距离输水渠道研究进展进行总结，为长距离输水渠道方面的科研、设计和管理工作者提供了参考。

关键词：冬季输水 渠道破坏机理 第二冻胀理论

1.概述

从国内外高纬度地区已建调水工程冬季运行现状来看：长距离输水渠道由许多节制闸分成一系列的渠池，渠道运行过程中，通过控制节制闸的开度，能够改变渠池内的输水流量和运行水位，从而起到控制渠道运行的作用，但是长距离输水渠道的自身特点也决定了实现冰期运行控制的难度和复杂性：受渠道自身衬砌安全及冰盖稳定要求的限制，渠道允许水位变幅和变化速率小，运行条件苛刻；调水工程一般为串联系统，沿线输水用户众多，一旦发生冰害、出现事故，将会引起整条线路瘫痪；每一个闸门的操作所产生的扰动波将向上、下游传播，渠池间存在的耦合效应将影响系统的响应速度和控制效果。

2.长距离输水渠道冰期自适应运行控制研究进展

冰盖下输水是高纬度地区渠道冰期运行的主要方式。在冰盖形成期，随着渠池内冰盖的生成以及向上游推进，输水阻力增加，使得渠池内的水位壅高，渠池槽蓄量增加，下泄流量减少，容易引起下游渠池水位降落和冰盖降低，影响下游渠道的过流能力。在融冰期，由于输水工程距离长，各地气象条件不同，融冰时间早晚不一。因此，在冰盖形成及消融过程中，采取合理的运行方式和水力控制措施，保证冰盖的稳定和用户分水计划的实施，是实现渠道冰期安全运行的关键。

随着冰水力学理论的发展以及渠道冰期运行经验的积累，人们在冰期河流和渠道的运行控制方面开展了不少研究和现场试验。RICE模型是较早的系统模拟河冰全过程的数学模型，学者在RICE的基础上又发展了一维精细河冰模型和基于SPH方法的二维河冰输移模型，可模拟包括过冷过程的水温沿河道的变化，水内冰、面冰的输移，锚冰演变，冰盖的推进、增长和热力消融。

在冰期运行控制方面，国外学者主要通过水库对冰期河流实施流量调控，在冰盖形成期保障水位、流量和冰盖的稳定，同时防止水位壅高过大威胁堤防安全，在开河期槽蓄量释放时，减少河流的下泄流量，防止下游武开河的发生。我国科研工作者在黄河防凌研究中通过多年研究，也总结了一套水库防凌调度的运用原则，例如为防止开河期槽蓄增量的突然释放，提前减少水库泄量，必要时全部关闭水库闸门。在该原则的指导下，黄河干流的刘家峡、万家寨、三门峡、小浪底分别承担起相应河段的防凌任务，大大减轻了凌情形势，但从当前河流冰期流量调控的现状来看，流量调控时机的选择需要依赖气温、流量、融雪径流的预报结果，以及数学模型对封、开河过程预测的正确性。

3.冬季输水渠道冻胀破坏机理研究进展

有关混凝土渠道冻胀破坏问题的研究都是针对冬季停水渠道的，研究热点主要集中在三个方面：渠道冻胀机理的试验研究；渠道冻胀机理的数值模拟；渠道衬砌结构冻胀破坏力学模型的研究。迄今为止，国内外学者对渠道冻胀机理的试验研究、数值模拟和冻胀破坏力学模型展开了大量研究工作，其成果也已广泛应用于防渗渠道中。

上世纪30年代，以TaberS，Beskow为代表的大批学者对土体冻结和冻胀机理有了一定的认识，提出了土的冻胀主要因为土中水在毛细作用、抽吸力、温差作用下通过土颗粒间薄膜水的形式迁移至正冻结处释放潜热而成冰致使土体体积增大，这被称为第一冻胀理论。Miller1970年提出冻结时的模型，指出了冻結开始发生在冻结边缘区内正冻结锋面侧，有孔隙冰形成，但不出现冻胀，在成冰后土中水在梯度作用下通过边缘区的未冻水膜向孔隙冰处聚集并冻结成冰才产生冻胀，此为第二冻胀理论。

20世纪90年代以来，热力学模型开始提出，蔡中民等认为只有当应力超过长期强度时，才会产生塑性流动，把总应变率分解为衰减蠕变的和非衰减蠕变的两部分，建立了一个适用于静荷载或重复加载的，反映温度效应的粘弹塑性本构模型。沙际德等通过对粉土冻胀参数的实验研究指出：在土的冻结过程中，由于冻土组构特征不同，其纵向与横向的冻胀特征亦不同，应将冻土作为正交各向异性体对待，土中自由水的动向，亦具有不可忽视的影响，把冻土与建筑物作为一个整体进行温度场、变形场和应力场三场耦合分析，提出了一种求解冻土与基础相互作用的通用数值分析方法，其中的参数采用实测数据，研究的是封闭系统情况下的冻胀位移和应力。

国内外对冬季输水渠道的研究成果绝大多数是冰情方面的，包括冰情数值模拟，冰情分析、冰情控制、反向输水冰情控制、冰期运行过渡模式、冰期的水力响应，以便解决冰层加厚堵塞形成冰害。而对冬季输水渠道的冻胀破坏研究方面。曹兴山等收集了乌什水水库冬季引水渠的资料，该渠冬季采用冰盖下输水，以达到对渠水的密封和保温作用，但重建该水渠经2年运行后发现渠道混凝土板断裂，断裂位置发生在渠边坡的上部。王林对冬季输水渠的冻胀破坏机制进行了总结，并给出冰盖下输水时衬砌层力学模型，该力学模型直接将冬季不输水渠道衬砌层的冻胀力作用方式和大小作用于冬季输水渠道的衬砌层之上，很显然，渠水位以下部位基土并未冻结，因而考虑此处有冻胀力显然是不合理的。

4.冬季长距离输水渠道自动化控制模式研究进展

输水渠系中央集中自动化控制是渠系运行调度的发展趋势，是现代水利建设的要求。渠系自动化控制的目标主要包括：确保渠系运行安全；适时适量输水，减小弃水和供水不足现象。长距离输水渠系因自身具有多渠池耦合和大滞后性，还受到风浪、计划外取水等干扰，造成长距离输水渠系自动化控制复杂。

长距离输水渠系由节制闸阻隔成的多个渠池串联构成，受水库或河道引水水温、线路长、沿线的渠道走向、建筑物、气象条件等影响，造成渠系沿线的冰情发展过程不同步。不同冰情阶段影响渠系水力响应的关键因子不同，造成的渠系水力响应不同，因此，需要研究冬季的渠系响应特性，针对不同冰情进行分段优化控制，提高渠系冬季运行的安全性、灵活性和输水效益。

国外渠系自动化技术实践始于20世纪30年代，最先用于渠系管理的是一些水力自动化闸门。美国垦务局（USBR）于1966年开始进行有关渠系自动控制运行的研究，形成了较完整的渠系运行控制理论。Amorocho（1965）等对给定的闸门开度模拟渠道中水流瞬变过程；BrianJ.Boman（1990）等提出的线性规划运行模型；Balogun用了线性二次调节理论；Brian实现了渠网的下游水位自动反馈控制。许多成果都已应用于实际工程的运行管理中。

国内渠道自动化运行控制技术从最初的水力自动闸门发展为中央集中控制。在渠系建模及运行方面：方神光对渠系概化建模时的建筑物处理方式和建筑物水头损失计算方法进行了分析。吕宏兴对渠道在配水过程中由于节制闸调节而引起的非恒定流问题进行了分析。杨开林分析了闸门特性的动态系统辨识。阮新建采用有限差分法解圣·维南方程，建成多输入多输出的多变量渠系控制系统，将现代控制理论应用到渠道系统运行管理之中，分析了系统的响应特性，研究了反馈增益矩阵的几种确定方法以及权矩阵的选择方法。尽管国内外学者在冰情模拟和渠系自动化控制方面均取得了丰硕成果，但渠系冬季自动化控制的响应机理、安全性、灵活性、高效性等方面尚需要进一步深入研究。

5.结论

综上所述，通过总结冰期自适应运行控制、渠道破坏机理及防治破坏措施以及分区段优化自动控制模型，对冬季长距离输水渠道进行了详细概述，为长距离输水渠道方面的科研、设计和管理工作者提供了参考。

参考文献：

[1]刘国强.长距离输水渠系冬季输水过渡过程及控制研究[D].武汉：武汉大学，2013.

[2]杨开林，汪易森.调水工程闸门特性的动态系统辨识[J].水利学报，2011（11）：1289-1294.

[3]穆祥鹏，陈文学，崔巍，等.长距离输水渠道冰期运行控制研究[J].南水北调与水利科技，2010（01）：8-13.

[4]宁建国，王慧，朱志武，等.基于细观力学方法的冻土本构模型研究[J].北京理工大学学报，2005（10）：4-8.endprint