堆石攔河壩流冰破壞分析及預防措施

高思德,董 權,孫廣彥

(1.密山市青年灌區水利水保總站裴德分站,黑龍江密山 158300;2.密山市知一灌區水利水保總站,黑龍江 密山 158300; 3.遜克縣庫爾濱流域水電有限公司,黑龍江遜克 164400)

受氣候影響,我省的大、中型河流都存在不同程度的流冰現象,流冰期一般在每年的 4月上旬～5月上旬,支級河流為 5～7 d,干級河流為 10～20 d,冰厚一般在 0.7～1.4 m。流冰對欄河閘、壩具有較大的破壞力,是影響河道上水工建筑物安全的主要因素,特別是對堆石攔河壩的破壞較為嚴重,每年需要投入較大的人力和財力進行維修加固,是灌區較大的工程維護項目。

1 堆石攔河壩流冰破壞分析

流冰對攔河壩的破壞主要有冰塊的能量(動能)和過流水深兩個因素。

1.1 冰塊攜帶的能量

冰塊攜帶的能量為動能與重力勢能之和,計算公式為:

式中:E為冰塊攜帶的能量,J;E動為動能,J;E勢為重力勢能, J;m為冰塊質量,k g;u為冰塊漂移速度,m/s;h為上下游水位差,m;g為重力加速度,取值9.8s/m2。

1.2 流冰破壞的臨界水深

攔河壩過流水深達不到使冰塊漂浮時,冰塊與攔河壩就產生碰撞,使攔河壩遭到破壞。根據相關資料和經驗,流冰破壞的臨界水深為:

式中:H臨為臨界水深,m;d為冰厚,m。

1.3 破壞形式

1)當堰頂水深 H堰＞H臨,堰底收縮斷面水深 H底＜H臨時,冰塊通過堰頂沿壩后堰面下移,勢能除部分消耗外,全部轉換為動能使冰塊漂移速度迅速增加,到達堰底水流收縮斷面時(躍前水深)速度達到最大,對壩體的撞擊力也達到最大值。冰塊與壩面堰底發生碰撞,使堰底塊石單塊或多塊下移,上部塊石失去支撐向下游滾動或塌落。

2)H臨＞H堰＞0.9 d時,冰塊與壩面發生局部碰撞,但在水流沖擊和后續冰塊的撞擊下可通過堰頂,并隨落差的減小勢能轉變成動能而速度加快,沿堰面下滑通過攔河壩。堰體表面受到冰塊撞擊,塊石依次向下游位移而滾落,俗稱“扒皮”現象。

3)H堰＜0.9 d時,冰塊到達堰頂時不能完全浮起和動能較小、速度較慢,易在堰前或堰上卡塞,形成冰壩。

2 堆石攔河壩流冰破壞預防措施

從以上堆石攔河壩流冰破壞分析得出,防止措施主要采取保證攔河壩流冰期安全過流水深和減小個體冰塊的能量兩種方法。

2.1 保證攔河壩流冰期過流水深

流冰期要保證堰底收縮斷面過流水深大于臨界水深,具體方法是降低堰頂高程和縮小過流斷面。

根據歷年河流流冰期水量和經驗,確定合理的堰頂高程和寬度。堰頂降低的高度一般在0.3 m以內,縮小的寬度不超過河道寬度的 1/3。每年灌溉結束后,用人工將堰頂中部的塊石減至要求降低到的高程,砌筑到堰頂的兩側至要求寬度。灌溉前再將兩側塊石回砌到堰頂中部至設計高程。為減少來回搬砌工作量,也可以不回砌堰頂,待水位達不到灌溉要求時用編織袋裝沙土臨時加高堰頂。

2.2 破碎冰塊

對大面積的冰塊進行人工破碎是降低單塊能量、減少撞擊力的有效辦法,可以與上述辦法同時使用,也可以單獨使用。特別是破碎武開河較大面積的流冰冰塊,對減輕冰塊對攔河壩和其它河道上水工建筑物的撞擊力,保證過冰安全有較好的效果。

破碎冰塊,一般采用人工投擲爆破方法。破碎時要注意以下幾個環節:①藥量:一般采用普通民用硝銨炸藥,按每5 m2一管(約70g)配量;②藥包:內層用朔料袋封嚴防水,外層用棉花或柔軟物包裹,防止投擲時滾動或彈跳,但不能包得過厚,以免減弱爆破效果;③投擲:將藥包投擲到冰塊的幾何中心;④安全:爆炸點要不影響工程安全,投擲手要有爆破,做好安全防護,避免炸起的碎冰傷人。

3 結論及建議

保證攔河壩流冰期安全過冰水深,減少和減輕冰塊與壩體的撞擊;破碎冰塊,減少單塊冰塊能量是防止攔河壩流冰破壞的有效方法,工程管理單位可根據河道和工程的具體情況采用。建議在設計攔河壩時,增加過冰相關內容,確保攔河壩過冰安全。

[1] 單景有,伊樹文,馬治人.芻議面板堆石壩[J].黑龍江水利科技,2007,35(2):201.