鏡鐵山高寒礦區排水渠改造工程防結冰措施分析及斷面設計優化

摘要：樺樹溝排水渠是鏡鐵山礦區安全生產的關鍵工程，渠道冬季結冰后會出現渠道結冰凍害，嚴重威脅礦區曲軌平臺及其他設施的安全運行，并造成局部水生態問題。為防止甘肅鏡鐵山礦業有限公司樺樹溝渠道水在下游入滲至礦體，造成開采困難及安全隱患，采用人工改造方式對樺樹溝排水渠進行改造工程，以保障礦區生產活動順利和恢復局部水生態環境。改造結果表明，在渠道設雙層聚氨酯夾芯板進行保溫，并在進出口采用防寒門進行封閉的基礎上，將原寬淺式梯形渠優化為窄深式“U”形渠，以增加小流量時的過流速度，實現了渠道冬季無結冰過流運行。改造后排水工程實施后經過4個冬季的安全運行，運行良好。由此可見，防寒保溫、增大流速的綜合防冰凍改造措施可實現高寒地區小流量渠道的冬季不結冰安全運行，這對寒冷地區冬季小流量排水工程設計及冬季安全運營起到一定的借鑒作用。

關鍵詞：鏡鐵山高寒礦區；排水渠；改造工程；防結冰；斷面結構；優化

中圖分類號：TV672.3；TV698.26 文獻標志碼：A 文章編號：2097-2172（2024）09-0834-05

doi：10.3969/j.is63b4221c688bff64d32228daf6a86d792cceb470390dbaaabf34f1ad24a42986sn.2097-2172.2024.09.010

Analysis of Anti-freezing Measures and Cross-section Design Optimization

for the Drainage Channel Reconstruction Project in the Cold

Mining Area of Jingtie Mountain

SHEN Hujun

（Gansu Jingtie Mountain Mining Co.， Ltd.， Jiayuguan Gansu 735101， China）

Abstract： The Huashugou drainage channel is a key project for safe production in the Jingtie mountain mining area. Ice formation in the channel during winter leads to frost damage， posing serious threats to the safe operation of the track platforms and other facilities， as well as causing localized water ecological problems. To prevent water from the Huashugou channel from infiltrating the orebody downstream， which could complicate mining and introduce safety hazards， a reconstruction project was implemented using artificial methods. The aim was to ensure smooth production activities in the mining area and restore the local water ecological environment. The results of the reconstruction showed that by using double-layer polyurethane sandwich panels for insulation and installing cold-resistant doors at the inlet and outlet， the original wide and shallow trapezoidal channel was optimized into a narrow and deep 'U'-shaped channel. This modification increased the flow velocity during low flow conditions， allowing for ice-free flow during winter. After four winters of operation， the drainage project ran safely and efficiently. This demonstrates that the comprehensive anti-freezing measures of insulation and increasing flow velocity can ensure ice-free and safe operation of low-flow channels in cold regions during winter， providing a reference for the design and safe operation of winter drainage projects in cold areas.

Key words： Cold mining area; Drainage channel; Reconstruction project; Anti-freezing; Cross-section structure; Optimization

鏡鐵山礦區位于祁連山區，年平均氣溫10.1 ℃，極端最高氣溫38.4 ℃，極端最低氣溫-29.8 ℃，年平均風速2.2 m/s，瞬時最大風速25.7 m/s，全年霜期最長225 d，歷年最大積雪深度16 cm，最大凍土深度177 cm。礦區樺樹溝為北大河一級支溝，流域面積28.1 km2，是礦區較大的洪水溝道，溝道下游通過樺樹溝礦體。

鏡鐵山礦區樺樹溝排水渠是鏡鐵山礦區安全生產的關鍵工程，原樺樹溝排水渠運行過程中，由于渠道結冰，堵塞渠道，出現渠道結冰凍害，使渠道側墻、底板及消力池產生嚴重破壞，側墻、底板開裂，消力池下沉，渠尾陡坡段塌陷沖毀，渠道滲漏嚴重。冬季冰層堵塞及滲漏，造成渠水外溢后，涌入東側礦區排渣道路流動、結冰，導致排渣道路無法通行，并威脅礦區曲軌平臺及其他設施的安全運行，渠道滲漏對渠基、排渣路路基造成影響，并造成局部水生態問題。為防止樺樹溝道水在下游入滲至礦體，造成開采困難及安全隱患，甘肅鏡鐵山礦業有限公司采用人工改道方式，修建泄水洞及排水渠將樺樹溝改道至北側碎礦溝后排入北大河，消除安全隱患，恢復局部水生態環境，保障礦區生產活動順利進行及人員財產安全。

1 改造工程設計

1.1 設計目標

樺樹溝排水渠改造工程設計，是在分析原渠道結冰凍害問題的基礎上，采取相應的防凍脹、防結冰措施，并優化渠道斷面形式，在保證汛期排洪的前提下，實現極端寒冷（最大凍土深度177 cm）條件下的冬季不結冰排水目標。

1.2 設計思路

1.2.1 排水渠道的冬季運行方式 引水、輸水工程冬季防凍脹方式，一般采用蓄冰、排冰、輸冰、結冰蓋等其中一種或綜合輸排冰運行方式進行［1 ］。目前輸水渠道冬季運行方式大致可分為4種，一是蓄冰運行方式，二是輸排冰運行方式，三是結冰蓋運行方式，四是抽水融冰運行方式［2 ］。各運行方式所需要的外部條件和運行效果不同［3 ］，如蓄冰運行方式是通過水庫蓄冰后提高水溫，抽水融冰方式采用抽取地下水消融渠道產冰［4 ］，輸排冰和結冰蓋運行方式需要一定的流量保證。對于必須冬季運行的引水工程，多采用有壓管道輸水方式［5 ］。另外采取渠道保溫輸水，也是引調水工程采取的措施之一。

1.2.2 樺樹溝排水渠道的冬季防結冰設計思路 渠道內水流溫度的降低（或升高）主要與周圍土體溫度、進水口水溫及水流的流速有關，而且水流流速對流經暗渠內水溫的降低的影響最大，其次是進水口水溫的變化對流經暗渠內水溫的降低的影響，土體環境溫度對流經暗渠水流溫度降低的影響相對較小［6 ］。

某引水工程采用保溫的方式實現冬季安全運行［7 ］。該引水工程位于中國北方寒冷地區，冬季寒冷，年平均氣溫6.0～10.0 ℃，歷年極端最低氣溫-29.6 ℃，多年平均風速1.1～3.2 m/s。該工程渡槽中輸水流速為2.2 m/s，渡槽斷面為矩形，規格為寬4.40 m、高4.00 m、壁厚0.50 m。樺樹溝排水渠斷面大小與渡槽工程相似，氣候條件也基本接近。為保證冬季不間斷輸水，渠身采用全封閉保溫措施。研究發現，渡槽外壁粘貼聚氨酯保溫板在防止渡槽水流溫度降低方面的作用明顯，減小了約45%的水流溫度降低值，且流速越大，水溫降低值越小；模型試驗也表明，通過保溫措施，在較低環境溫度及較高流速下，可將渠道水溫降低值控制在1 ℃以內［8 ］，從而實現渠道安全運行。

《水工建筑物抗冰凍設計規范》規定，冬季運行明渠及輸水洞明流設計流速不宜小于1.2 m/s［1 ］。新疆部分地區已建冬季運行的水電站引水渠道采用結冰蓋設計，對于寒冷地區的引水式水電站引水渠道縱坡選擇考慮冬季最小流量時，渠道流速也是按大于1.2 m/s考慮的［9 ］。可見，在渠道采取保溫措施的基礎上，優化渠道斷面形式，增大冬季渠道水的流速是可以實現不結冰運行的。

樺樹溝為常年性溝道，排水渠改造設計既要滿足洪水期排洪，又要保證冬季不結冰過水要求。洪水季節性變化大，雨季洪水期流量大，冬季不斷流，但流量較小，無法采用停止運行、蓄冰、輸排冰、結冰蓋、抽水融冰等運行方式安全過冬。只能通過采取保溫措施，并優化渠道斷面結構，提高渠道過流速度，實現冬季防結冰過水的要求。

1.3 排水渠保溫措施及斷面優化設計

1.3.1 保溫措施設計 保溫設計主要是保溫材料的選擇及厚度的確定。渠道保溫材料需要承擔一定荷載［10 ］，多采用擠塑聚苯乙烯板（XPS 板）材料，《渠道防滲襯砌工程技術標準》推薦采用聚苯乙烯泡沫塑料板或高分子防滲保溫卷材保溫，國內一些渠道建造或改造實例采用聚氨酯材料作為保溫板［7， 11 ］。聚氨酯材料導熱系數較小［12 ］，接近空氣（表1），本次改造工程選用聚氨酯夾芯板作為渠道保溫材料。

張宇峰等［13 ］對部分高寒區灌區渠道保溫防凍脹的研究表明，內蒙古河套灌區凍土層深為1.00～1.30 m，渠道適宜保溫苯板的厚度為8.0 cm；新疆沖忽爾灌區凍土層深為1.56 m，渠道適宜保溫苯板的厚度為10.0 cm；黑龍江蛤蟆通灌區凍土層深為1.98 m，渠道適宜保溫苯板的厚度為12.0 cm；而位于祁連山區（凍土層深為1.20～1.77 m）的鏡鐵山礦區利用張宇峰等［13 ］的方法計算可知，鏡鐵山礦區樺樹溝排水渠適宜保溫苯板的厚度為10.0～12.0 cm。由此可見，在凍脹較為嚴重的高寒區灌區渠道保溫苯板的最佳厚度應為8.0～12.0 cm。

按照《渠道防滲襯砌工程技術標準》（GB/T 50600 — 2020）規定，對于中小型渠道，保溫層的適宜厚度可取設計凍深的1/10～1/15［14 ］，按設計凍深1.20～1.77 m計，保溫層厚度為11.8～17.7 cm。

類比工程經驗及按照規范規定的保溫板計算厚度方法［14 ］，最終確定“U”型渠頂部采用雙層聚氨酯夾芯板［12.0 cm×（200～450） cm］保溫層，并包裹厚度為0.326 mm的鐵皮。同時，在排水渠進、出口設置無機布防寒卷簾門，作為封閉式保溫措施［1 ］，以加強渠道的封閉性，減少渠道內外空氣對流，減小空氣的熱交換。

1.3.2 渠道斷面優化設計 樺樹溝排水渠原為寬淺式梯形斷面，漿砌塊石砌筑，頂寬7.80 m、底寬5.80 m、深2.00 m（圖1），原排水渠長273 m，按地形條件分為平緩段、陡坡段、連接段3段，渠道比降為6.2%～65.5%。

本次斷面優化設計主要考慮凍脹及增加小流量時流速及水深等因素。

鏡鐵山礦區場地屬季節性凍土區，場地季節性凍土最大凍土深度1.77 m 。凍深范圍內渠基地層為沖洪積砂礫卵石層，其天然含水量為45 g/kg，場地內無地下水，平均凍脹率η≤1%，渠基土凍脹等級為Ⅰ級，凍脹類別屬不脹凍土［15 ］。但由于渠道滲漏，含水量可達120～155 g/kg，渠基土類別屬不脹凍土、弱凍脹土，凍脹等級為Ⅰ～Ⅱ級［15 ］。結合渠道防滲要求，為提高渠道防凍能力，渠道采用整體式混凝土襯砌［14 ］。

樺樹溝為天然溝道，排水渠道斷面一方面要滿足洪水期最大過水流量，另一方面，需減小渠底過流斷面面積，降低冬季小流量時的流速。排水渠選用窄深且底部為圓弧的“U”型渠結構（圖2），渠道采用C25鋼筋砼澆筑而成。排水渠直墻段凈寬3.50 m、深1.99 m，渠底呈弧形，弧深1.01 m（底弧半徑2.02 m，角度為120°）［16 - 17 ］。

通過優化排水渠縱斷面布置，以樺樹溝隧洞出口為起點至碎礦溝溝床，渠道劃分為過渡段-平緩段-陡坡段-過渡段，渠道比降為7.5%～45.5%。

2 排水優化改造效果分析

2.1 冬季水深及流速顯著提高

排水渠水深及流速采用曼寧公式如下：

Vc=1/n·Rc2/3·i1/2

式中，Vc為平均流速（m/s），Rc為平均水深或水力半徑（m），i為渠道比降（以小數計），n為渠道糙率［5 ］。

將渠道按比降地形條件分為平緩段、陡坡段、連接段，按冬季最小流量0.2 m3/s計算，采用曼寧公式計算原渠道及優化設計后渠道內水深、流速及過流時間（表2）。

在冬季最小過流量0.2 m3/s下，原渠道內水深為16.48～33.50 mm，流速1.03～2.09 m/s，水深較淺，大部分渠段流速小，渠道內水在218 s內通過渠道，水流在渠道內凍結，最終造成冰層堵塞及滲漏，渠水外溢，形成安全隱患及生態問題。

優化改造后，“U”型斷面渠道最大過流量為130.9 m3/s，滿足汛期最大過流要求。在冬季最小過流量下，渠道內水深為59.21～90.13 mm，流速可達2.78～4.55 m/s（遠大于1.20 m/s），渠道內水在73.1 s內即可快速通過渠道，水深、流速明顯增加，通過時間明顯減少，改造效果顯著。

2.2 防冰凍效果明顯

樺樹溝上游溝道內地表水冬季為冰蓋下過水的形式，水溫為0～2 ℃。利用樺樹溝排水隧洞長567 m，平均埋深150 m的保溫過水能力，通過隧洞地溫與水體的熱交換，隧洞出口段水溫提高2～3 ℃。但由于原渠道內水深小，流速小，且為開敞式，隧洞至渠道后，水流迅速降溫而結冰。

樺樹溝排水渠改造工程將原寬淺式梯形渠改造為窄深式“U”型渠，加之渠道保溫及進出口封閉措施，有效減緩了渠道內水溫的降低，經測量，渠道出口段水溫達1～2 ℃，從而將渠道水溫降低值控制在1～2 ℃以內，實現了排水渠冬季無結冰過流。

樺樹溝排水渠于2019年完成施工，經過2019 — 2023年4個冬季的運行，效果良好，證明渠道保溫運行及增大冬季渠道水流速的優化設計是可行的。

3 討論與小結

由于樺樹溝排水渠冬季流量較小，無法采用常規的蓄冰、排冰、輸冰、結冰蓋等措施實現渠道不結冰運行。采用人工改造方式對鏡鐵山礦區樺樹溝排水渠進行改造，改造結果表明，樺樹溝排水渠改造工程采取渠頂設聚氨酯夾芯板保溫層，在進出口采用防寒門進行保溫封閉等措施，并將原寬淺式梯形渠改造為窄深式“U”型渠，以增加小流量時的過流速度，在過流速度較快的前提下，將渠道水溫降低值控制在1～2 ℃以內，實現了渠道冬季無結冰過流運行。

為保證冬季小流量時不結冰排水，樺樹溝排水渠改造工程主要采取兩個方面措施，一是采取保溫防寒措施，減少水流與外界的熱交換，二是加大流速（一般大于1.20 m/s），盡量使渠道內水快速通過。工程實施后經過四個冬季的安全運行，證明防寒保溫、增大流速的綜合防冰凍措施是可行的，可以實現高寒地區小流量渠道的冬季不結冰安全運行。

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