Abstract: Ice problem is an puzzle in construction ofwater conservancy and waterpower engineering incold region, and many cases of ice problem in engi-neering construction in China are analyses, and sum-marize some efficiency measurement on ice problem.At last measurements of engineering and non-engi-neering can be use for references in other construc-tions of cold region.
Key words: cold region; water conservancy and waterpower engineering; construction; ice problem; measurement
摘　要:水利工程论文研究了寒冷地区水利水电工程施工期所遇到的冰问题,提出了相应的对策和措施,为以后类似工程施工期安全渡凌,提供了分析思路和可供借鉴的工程措施及非工程措施.

关键词:寒冷地区;水利水电工程;施工期;冰问题;对策

1　问题的提出
我国40°N以北地区,冬季最低气温可达-40°C左右,稳定封冻期长达120~150 d左右,冰厚达1.0 m左右[1].水利水电工程截流后,不论是明渠导流,还是隧洞导流,都将明显改变局部河段的流态和排冰通道,过流宽度明显缩窄,如白山水电站过流宽度仅为天然河道的1/7,莲花水电站过流宽度仅为天然河道的1/8,小山水电站仅为天然河道的1/6;截流后河势也有所改变,如尼尔基水利枢纽工程截流后,水流要经过“S”弯道才能进入导流明渠.因此水利水电工程截流后,河流在施工期排冰的条件恶化.另外,如果施工河段下游紧接着水库回水末端,则在一定条件下会形成严重的冰塞,并造成壅水,威胁上游工程施工的安全.　　因此,寒冷地区河流必须认真分析研究水利水电工程可能遇到的冰凌问题,并采取相应的对策,这些问题归纳起来主要有: 1)春季排冰期导流明渠或导流隧洞堵塞情况怎样,上游围堰水位壅高程度; 2)工程下游附近河段,是否会发生冰塞,如果发生冰塞,冰塞的壅高水位是多少; 3)应采取什么样的措施才能使工程安全渡凌.

2　工程冰问题分析
2.1　河流天然冰情的特点　　分析清楚河道的天然冰情特点,是决定采取工程措施和非工程措施的基础,具体内容包括开江特点、开江形式、开江最高水位、坝区附近河段冰坝、冰塞、坝址上下游人类活动情况、河道太阳辐射情况等,表1是东北地区已建或在建工程开江期冰情特性统计[2~4].　　从表1可以综合分析出工程所在河流开江期天然河流冰情特点:二松白山以上河段,开江期动力条件很充分(单宽流量大),两岸有高山遮挡,冰面接收太阳辐射少,开江期冰质坚硬,流冰疏密度接近于1.0时,容易形成冰坝;莲花由于上游人类活动影响,上游来冰量少,一般定性分析在坝区河段不会形成冰坝;尼尔基水利枢纽坝区河段上游,两岸山体低矮,河道宽阔,太阳辐射充分,开江期冰质较疏松,也很难形成冰坝.
2.2　工程渡凌形势分析　　根据模型试验和国内外工程渡凌的实践经验,当过冰宽度小于天然河宽的20%时,在密集流冰时,排冰进口发生冰块壅堵是难以避免的;其次工程截流后,对天然河流局部河段的河势也有很大的改变时,在局部河段也容易形成堵塞.表2列出了东北几座水利水电工程施工导流情况.　　因此,在有冰凌现象的河流上,无论采用何种导流形式(明渠、隧洞、底孔),均大大的改变了水流的天然流态,表现为水流下泄不畅,渡凌的形势往往恶化.
2.3　模型试验　　冰凌运动严格的讲不仅是个水力学问题,而且还与热力学有关,特别是秋季的冰花运动与温度密切相关,但开江期的冰凌运动主要是水力学问题,热力的影响可以忽略不计.另外,冰凌运动是个两相流问题,冰块的漂移,在流冰畅通的情况下,冰块的运动主要取决于表面的流速,当冰块运动一旦遇到障碍,则冰块运动(如下潜、插堵、破碎等)不仅与水力因素有关,而且还与冰块的力学性质(密度、摩擦系数、抗压抗弯强度等)有关.　　鉴于工程冰凌问题的复杂性,目前很难通过理论计算的途径解决.借助其它工程的渡凌经验,又受气候、地形、水文以及工程布置等条件的限制,很难直接引用.因此,人们自然想到水利工程中经常采用的物理模型试验的途径.众所周知,模型试验最大的特点是可以根据设计的要求,在模型上重复某种物理过程,研究其对工程的影响,并反复调整工程的布置结构形式,以达到设计的要求.但这种物理过程的重演,只有当模型上的物理量和原型对应量遵循一定的数学关系时,才有科学意义,也即必须满足一定的相似条件,才有可能推算原型.所以采用模型试验途径解决工程冰问题有一定的限制,为此在进行冰凌模型试验时,首先应该了解和掌握有关冰凌运动的规律.目前,用试验的方法模拟导流建筑物过冰可以做到重力相似、几何比尺相似、水流连续相似和阻力相似[5].但模型“冰”用工业白腊替代则很难做到摩擦系数和抗弯强度相似,模型试验结果是偏于安全的.　　通过模型试验[5],模拟和研究工程上所担心的某些冰凌问题,确定冰凌的堵塞部位和堵塞程度,为进一步分析工程冰情问题提供了定性的认识和定量的数据.

3　对策及措施
3.1　工程措施
3.1.1　上游围堰　　为了估计开江期上游围堰可能的壅水高度,首先要确定工程的渡凌标准;第二要分析计算开江期的设计流量;第三要选择开江期的典型洪水过程线;第四放大设计洪水过程线;第五根据堵塞系数修正泄流曲线.堵塞系数K是某一水位实际减小的泄流量ΔQ与正常泄流量Q的比值:K =ΔQ/Q式中:Q为某水位时导流洞无冰凌堵塞影响时的泄流量(m3•s-1);ΔQ为某水位时导流洞因冰凌堵塞所减少的泄流量(m3•s-1).　　表3列出了东北地区几座大型水库的堵塞系数成果;最后进行调洪验算,确定上游围堰开江期应达到的高程.
3.1.2　下游围堰如果施工河段在已建水库的末端附近,当入库冰花或冰块数量较多时,易于堆积形成冰塞,造成壅水,给上游水利枢纽工程围堰和施工带来威胁.因此在确定施工初期下游围堰高程时,要考虑下游水库末端形成冰塞的最高壅水值,冰塞的壅水高度主要取决于流冰期的来冰量和来水量.
3.1.3　重点河段应在开江前预先破冰　　保证导流系统顺利排冰的基本条件是:流冰通过的各主要河段应处于畅通状态,特别是导流建筑物的上下游一定河段内在开江期要保持畅通状态.导流建筑物上游破冰,是因为开江期导流建筑物上游来冰的流程短,冰块体积很大,破碎后能顺畅的向下游排泄;导流建筑物下游破冰,是防止下游河道堵塞而抬高水位.　　破冰的方法有人工爆破、炮轰、打冰槽、撒沙土融冰等方法.目前,以人工爆破法应用最多,也非常有效;打冰槽对坝基已做防渗处理或局部河段需特别保护是最合适的方法.　　人工爆破破冰一般沿主流爆破冰面宽的60%,爆破长度根据工程布置情况而定.冰孔布设为梅花状,打穿冰盖,将炸药放置冰底水下,采用多炮共爆方式,这样不但可充分发挥炸药的威力,同时还可利用水波振荡的力量,取得较好的爆破效果.爆破顺序先下游,后上游,爆破时机为当地最高气温稳定转正后.　　冰盖爆破后一般均能达到截断、破碎的效果,主流区基本畅通,出现部分敞露水面,为上游来冰打开了通道,使工程安全渡凌.　　东北地区一些大、中型水电站施工过程中,采用人工破冰等措施,取得了较好的效果.第二松花江上的白山电站施工采用一次截流右岸明渠底孔导流方式,为两个9 m×14.2 m的门洞型底孔,其有效过冰宽度约为天然河宽的1/6.白山河段春季开江流冰强度很大,开江时最大冰厚可达0.9~1.1m, 1977年开江前在底孔上游1.5 km,下游2.5km的河段内进行了爆破破冰,开江最大流量1 000m3•s-1,总流冰量70×104m3,排冰较畅,堵塞系数仅0.1;牡丹江上的莲花水电站施工时用两条洞径13.7 m的隧洞导流(一条长870 m,另一条长695 m),过流宽度为天然河宽的1/8,为了确保导流隧洞安全排冰, 1995年春,在隧洞进口以上1.5km,出口以下约2 km范围进行了破冰,并在隧洞出口用双层棉帘封堵洞口,不使冷空气在洞内流动,减小洞内冰厚.以上措施确保了1995年开江时安全排冰.
3.1.4　利用上游水库控制排冰期流量　　河流上修建大型水库后,由于水库的调蓄作用,将明显地改变河流天然径流过程.一般在枯水期水库下泄流量将明显地比天然状态要大,这样水库下游河流结冰期,封冻期水位要有所提高,冰盖下的过流能力有所增大.到4月份开江期,水库水位一般都很低,年调节水库的库水位将接近死水位.这样就有条件利用水库调节开江期的流量,防止下游发生武开江.
3.1.5　应急措施　　当冰坝在导流建筑物附近已经形成而发生水位持续上涨,威胁工程施工安全时,通常应动用当地驻军或武装部门群炮轰击或人工放置炸药包等手段摧毁冰坝,但这些方法通常只能轰击冰盖表层,投资大,效果较差,如果有条件应让弹头或炸药包在冰盖底下爆破,则效果会明显提高.
3.2　非工程措施
3.2.1　防汛部门应在凌汛前开始工作　　工程的防汛指挥机构应在每年的3月1日开始工作,其任务是负责了解和掌握工程所在河段的水文、气象、冰情、工情的变化情况,发布冰情预报,制定防凌方案,指挥防凌斗争.基层防凌部门要由防凌队伍,防凌物资,确保工程安全渡凌.
3.2.2　建立可靠的通信系统　　无论是汇总水文、气象、冰情信息,制作和发布预报,还是指挥防凌斗争,都需要有一个先进、可靠的信息传递系统.因此,在工程所在河段必须建立一套可靠的通信系统.
3.2.3　做好水情、冰情监测及预报工作　　开江期的冰凌洪水受气温、降水、河道形态等多种因素影响,它是有先兆的,并是有规律可循的.因此加强冰情观测,随时掌握水文气象和河道冰情变化的动态,是防凌、抗凌的基础.　　在坝区重点河段设立临时水位站,监测水情、冰情变化,同时应搜集河流上下游的水情、冰情和气象信息,做到流凌期准确掌握流域的水文、气象资料,并呈报给工程防汛指挥部.　　冰情预报是防汛指挥部防凌的重要决策依据,做好预报工作,可以争取预见期并在防凌斗争中取得主动.预报的重点应放在开江期.预报的内容有两方面: 1)气象预报.气象预报是春季渡凌工作的关键,因为冰情主要受热力作用控制,所以气象预报是冰情预报的依据,气象预报的主要内容是月、旬平均气温的预报及冷、暖空气活动时间和强度预报,天气预报由气象部门发布; 2)冰情预报.冰情预报的主要内容是:开江形势、开江日期、开江最高水位、开江最大流量以及可能形成冰坝的地点和冰坝最高壅水位等.开江期冰情预报的方法主要是以物理成因为基础的经验相关法,另外目前还用多元回归方法进行开江期最高水位预报.

4　结论　　
(1)调查分析清楚工程所在河流的天然冰情规律,根据工程所在地区天然冰情,就可以大致的判断出工程施工过程中所遇到的冰问题的严重程度,以决定是否采取相应的措施.　　(2)有些工程冰凌问题,目前很难通过理论计算途径解决,借助其它工程的经验又受各种条件限制.虽然目前关于冰凌运动理论和相似律的研究尚不完善,但众多的水利水电工程设计、试验和运行实践证明,通过模型试验解决工程的冰凌问题,是一种可取的途径.在一定条件下,它可以为排冰建筑物合理设计提供依据.但鉴于目前条件,工程冰凌模型试验的内容受到限制,成果的应用应谨慎.　　(3)解决施工期工程的排冰问题,要工程措施和非工程措施并举.工程措施就是要根据施工排冰期导流建筑物的堵塞情况,估计开江期的水位壅高,要求施工围堰在排冰期应达到设计高程,还可以利用上游水库调节开江期下泄流量、导流建筑物上下游河段破冰形成通畅的过冰通道等手段,降低开江期上游围堰水位壅高,消除或减轻工程渡凌可能形成的冰塞、冰坝.同时要结合开江期的冰情、气象预报,组织好防凌队伍,应对开江期的突发事件,使工程安全渡凌.

参考文献(References)
[1]　陈储军.东北地区水旱灾害[M].长春:吉林人民出版社,2002.
[2]　水电部东北勘测设计研究院.小山水电站1995年开江期导流排冰分析报告[R].长春:水电部东北勘测设计研究院, 1994.
[3]　水电部东北勘测设计研究院.莲花水电站施工导流期冰情分析及渡凌措施报告[R].部东北勘测设计研究院, 994.
[4] hydropower department northeast survey design institute for research. In 2002 NiErJi water conservancy hub spring crossing ling summary report [R]. Changchun: hydropower department northeast survey design institute for research, 2002.
[5] ChuJun Chen. Use model experiment to solve engineering problems in ice [J]. http://www.elunwen.org/slgclw/Hydrological science and technology information, 1997, (4) :-62.