淺談冬季長距離輸水渠道研究進展

武樂志+喬小琴+周國棟+沈培鋒+朱玲斐

摘 要：我國水資源時空分布不均，水資源相對匱乏，如何合理利用與調(diào)度水資源，已成為我國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要課題。長距離輸水渠道已成為一種高效安全的輸水方式。然而，冬季長距離輸水中，凍脹、冰情等對輸水渠道影響較大，因而國內(nèi)外學者就寒區(qū)渠道凍脹破壞和渠道冰期運行控制等方面開展了大量研究，文章通過對有國內(nèi)外研究學者有關(guān)冬季長距離輸水渠道研究進展進行總結(jié)，為長距離輸水渠道方面的科研、設(shè)計和管理工作者提供了參考。

關(guān)鍵詞：冬季輸水 渠道破壞機理 第二凍脹理論

1.概述

從國內(nèi)外高緯度地區(qū)已建調(diào)水工程冬季運行現(xiàn)狀來看：長距離輸水渠道由許多節(jié)制閘分成一系列的渠池，渠道運行過程中，通過控制節(jié)制閘的開度，能夠改變渠池內(nèi)的輸水流量和運行水位，從而起到控制渠道運行的作用，但是長距離輸水渠道的自身特點也決定了實現(xiàn)冰期運行控制的難度和復雜性：受渠道自身襯砌安全及冰蓋穩(wěn)定要求的限制，渠道允許水位變幅和變化速率小，運行條件苛刻；調(diào)水工程一般為串聯(lián)系統(tǒng)，沿線輸水用戶眾多，一旦發(fā)生冰害、出現(xiàn)事故，將會引起整條線路癱瘓；每一個閘門的操作所產(chǎn)生的擾動波將向上、下游傳播，渠池間存在的耦合效應(yīng)將影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制效果。

2.長距離輸水渠道冰期自適應(yīng)運行控制研究進展

冰蓋下輸水是高緯度地區(qū)渠道冰期運行的主要方式。在冰蓋形成期，隨著渠池內(nèi)冰蓋的生成以及向上游推進，輸水阻力增加，使得渠池內(nèi)的水位壅高，渠池槽蓄量增加，下泄流量減少，容易引起下游渠池水位降落和冰蓋降低，影響下游渠道的過流能力。在融冰期，由于輸水工程距離長，各地氣象條件不同，融冰時間早晚不一。因此，在冰蓋形成及消融過程中，采取合理的運行方式和水力控制措施，保證冰蓋的穩(wěn)定和用戶分水計劃的實施，是實現(xiàn)渠道冰期安全運行的關(guān)鍵。

隨著冰水力學理論的發(fā)展以及渠道冰期運行經(jīng)驗的積累，人們在冰期河流和渠道的運行控制方面開展了不少研究和現(xiàn)場試驗。RICE模型是較早的系統(tǒng)模擬河冰全過程的數(shù)學模型，學者在RICE的基礎(chǔ)上又發(fā)展了一維精細河冰模型和基于SPH方法的二維河冰輸移模型，可模擬包括過冷過程的水溫沿河道的變化，水內(nèi)冰、面冰的輸移，錨冰演變，冰蓋的推進、增長和熱力消融。

在冰期運行控制方面，國外學者主要通過水庫對冰期河流實施流量調(diào)控，在冰蓋形成期保障水位、流量和冰蓋的穩(wěn)定，同時防止水位壅高過大威脅堤防安全，在開河期槽蓄量釋放時，減少河流的下泄流量，防止下游武開河的發(fā)生。我國科研工作者在黃河防凌研究中通過多年研究，也總結(jié)了一套水庫防凌調(diào)度的運用原則，例如為防止開河期槽蓄增量的突然釋放，提前減少水庫泄量，必要時全部關(guān)閉水庫閘門。在該原則的指導下，黃河干流的劉家峽、萬家寨、三門峽、小浪底分別承擔起相應(yīng)河段的防凌任務(wù)，大大減輕了凌情形勢，但從當前河流冰期流量調(diào)控的現(xiàn)狀來看，流量調(diào)控時機的選擇需要依賴氣溫、流量、融雪徑流的預報結(jié)果，以及數(shù)學模型對封、開河過程預測的正確性。

3.冬季輸水渠道凍脹破壞機理研究進展

有關(guān)混凝土渠道凍脹破壞問題的研究都是針對冬季停水渠道的，研究熱點主要集中在三個方面：渠道凍脹機理的試驗研究；渠道凍脹機理的數(shù)值模擬；渠道襯砌結(jié)構(gòu)凍脹破壞力學模型的研究。迄今為止，國內(nèi)外學者對渠道凍脹機理的試驗研究、數(shù)值模擬和凍脹破壞力學模型展開了大量研究工作，其成果也已廣泛應(yīng)用于防滲渠道中。

上世紀30年代，以TaberS，Beskow為代表的大批學者對土體凍結(jié)和凍脹機理有了一定的認識，提出了土的凍脹主要因為土中水在毛細作用、抽吸力、溫差作用下通過土顆粒間薄膜水的形式遷移至正凍結(jié)處釋放潛熱而成冰致使土體體積增大，這被稱為第一凍脹理論。Miller1970年提出凍結(jié)時的模型，指出了凍結(jié)開始發(fā)生在凍結(jié)邊緣區(qū)內(nèi)正凍結(jié)鋒面?zhèn)?，有孔隙冰形成，但不出現(xiàn)凍脹，在成冰后土中水在梯度作用下通過邊緣區(qū)的未凍水膜向孔隙冰處聚集并凍結(jié)成冰才產(chǎn)生凍脹，此為第二凍脹理論。

20世紀90年代以來，熱力學模型開始提出，蔡中民等認為只有當應(yīng)力超過長期強度時，才會產(chǎn)生塑性流動，把總應(yīng)變率分解為衰減蠕變的和非衰減蠕變的兩部分，建立了一個適用于靜荷載或重復加載的，反映溫度效應(yīng)的粘彈塑性本構(gòu)模型。沙際德等通過對粉土凍脹參數(shù)的實驗研究指出：在土的凍結(jié)過程中，由于凍土組構(gòu)特征不同，其縱向與橫向的凍脹特征亦不同，應(yīng)將凍土作為正交各向異性體對待，土中自由水的動向，亦具有不可忽視的影響，把凍土與建筑物作為一個整體進行溫度場、變形場和應(yīng)力場三場耦合分析，提出了一種求解凍土與基礎(chǔ)相互作用的通用數(shù)值分析方法，其中的參數(shù)采用實測數(shù)據(jù)，研究的是封閉系統(tǒng)情況下的凍脹位移和應(yīng)力。

國內(nèi)外對冬季輸水渠道的研究成果絕大多數(shù)是冰情方面的，包括冰情數(shù)值模擬，冰情分析、冰情控制、反向輸水冰情控制、冰期運行過渡模式、冰期的水力響應(yīng)，以便解決冰層加厚堵塞形成冰害。而對冬季輸水渠道的凍脹破壞研究方面。曹興山等收集了烏什水水庫冬季引水渠的資料，該渠冬季采用冰蓋下輸水，以達到對渠水的密封和保溫作用，但重建該水渠經(jīng)2年運行后發(fā)現(xiàn)渠道混凝土板斷裂，斷裂位置發(fā)生在渠邊坡的上部。王林對冬季輸水渠的凍脹破壞機制進行了總結(jié)，并給出冰蓋下輸水時襯砌層力學模型，該力學模型直接將冬季不輸水渠道襯砌層的凍脹力作用方式和大小作用于冬季輸水渠道的襯砌層之上，很顯然，渠水位以下部位基土并未凍結(jié)，因而考慮此處有凍脹力顯然是不合理的。

4.冬季長距離輸水渠道自動化控制模式研究進展

輸水渠系中央集中自動化控制是渠系運行調(diào)度的發(fā)展趨勢，是現(xiàn)代水利建設(shè)的要求。渠系自動化控制的目標主要包括：確保渠系運行安全；適時適量輸水，減小棄水和供水不足現(xiàn)象。長距離輸水渠系因自身具有多渠池耦合和大滯后性，還受到風浪、計劃外取水等干擾，造成長距離輸水渠系自動化控制復雜。

長距離輸水渠系由節(jié)制閘阻隔成的多個渠池串聯(lián)構(gòu)成，受水庫或河道引水水溫、線路長、沿線的渠道走向、建筑物、氣象條件等影響，造成渠系沿線的冰情發(fā)展過程不同步。不同冰情階段影響渠系水力響應(yīng)的關(guān)鍵因子不同，造成的渠系水力響應(yīng)不同，因此，需要研究冬季的渠系響應(yīng)特性，針對不同冰情進行分段優(yōu)化控制，提高渠系冬季運行的安全性、靈活性和輸水效益。

國外渠系自動化技術(shù)實踐始于20世紀30年代，最先用于渠系管理的是一些水力自動化閘門。美國墾務(wù)局（USBR）于1966年開始進行有關(guān)渠系自動控制運行的研究，形成了較完整的渠系運行控制理論。Amorocho（1965）等對給定的閘門開度模擬渠道中水流瞬變過程；BrianJ.Boman（1990）等提出的線性規(guī)劃運行模型；Balogun用了線性二次調(diào)節(jié)理論；Brian實現(xiàn)了渠網(wǎng)的下游水位自動反饋控制。許多成果都已應(yīng)用于實際工程的運行管理中。

國內(nèi)渠道自動化運行控制技術(shù)從最初的水力自動閘門發(fā)展為中央集中控制。在渠系建模及運行方面：方神光對渠系概化建模時的建筑物處理方式和建筑物水頭損失計算方法進行了分析。呂宏興對渠道在配水過程中由于節(jié)制閘調(diào)節(jié)而引起的非恒定流問題進行了分析。楊開林分析了閘門特性的動態(tài)系統(tǒng)辨識。阮新建采用有限差分法解圣·維南方程，建成多輸入多輸出的多變量渠系控制系統(tǒng)，將現(xiàn)代控制理論應(yīng)用到渠道系統(tǒng)運行管理之中，分析了系統(tǒng)的響應(yīng)特性，研究了反饋增益矩陣的幾種確定方法以及權(quán)矩陣的選擇方法。盡管國內(nèi)外學者在冰情模擬和渠系自動化控制方面均取得了豐碩成果，但渠系冬季自動化控制的響應(yīng)機理、安全性、靈活性、高效性等方面尚需要進一步深入研究。

5.結(jié)論

綜上所述，通過總結(jié)冰期自適應(yīng)運行控制、渠道破壞機理及防治破壞措施以及分區(qū)段優(yōu)化自動控制模型，對冬季長距離輸水渠道進行了詳細概述，為長距離輸水渠道方面的科研、設(shè)計和管理工作者提供了參考。

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