浅谈冬季长距离输水渠道研究进展

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1、浅谈冬季长距离输水渠道研究进展摘要：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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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?Y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

7、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