東北地區水利水電工程施工期冰情預報及度凌措施

白花琴，劉書寶

（1.水利部松遼水利委員會，吉林長春130021；2.中國水電顧問集團公司北京勘測設計研究院，北京100024）

東北地區冬季長達5～6個月，最低氣溫達-40℃左右，河流穩定封凍期長達120～150 d，冰厚達1.0 m左右。水利水電工程截流后，顯著的改變了河流的天然狀態，表現為壩區過流斷面縮窄或河勢改變，河道的過流能力明顯降低，致使壩區河段在流凌期有可能形成冰塞或冰壩，對施工安全構成威脅。因此在東北地區水利水電工程施工期應加強冰情監測和預報，并輔以有效的工程措施，確保工程在施工期安全渡凌。

1 冰情預報方案的編制

根據東北地區蓮花水電站、尼爾基水利樞紐工程渡凌期對冰凌洪水預報的要求，預報方案編制的主要內容為：封江日期預報、開江日期預報、開江期最高水位預報。

1）封江日期預報。河流封凍現象的發生本質上是熱力因素起主導作用，故預報因子選擇應著眼于熱力因子。初冬氣溫穩定轉負使河流水體不斷的降溫直達0℃，并達到過冷卻產生冰凌現象。因此日平均氣溫穩定轉負日期直接影響封凍日期的早晚，是影響封凍的主要因子。

氣溫轉負后，每一年的降溫過程都不同，直接影響水溫的下降速度。觀測資料表明：水溫達到過冷卻的速度與氣溫下降的強度有直接的關系，每一次寒潮的侵襲都會使氣溫的明顯下降，同時也造成河流封凍過程的迅速發展，因此降溫強度也是反映封凍日期早晚的重要因子，用氣溫轉負日至氣溫小于-10℃出現日的間隔天數反映氣溫轉負后的降溫幅度。封江日期預報方案的表達式是：

式中：d封——封江日期；dt——壩區代表性氣象站日平均氣溫穩定轉負日；△Tf——為氣溫轉負日至氣溫小于-10℃出現的間隔天數。

2）開江日期預報。開江日期預報通過河流封凍天數來間接預報。河流由封凍到解凍，本質上是熱力因素作用的結果，因此開江日期預報方案編制時首先應考慮熱力因子，據分析春季日均氣溫穩定轉正以后，氣溫回升的強度對開江日期有較明顯的影響，反映這一特征的指標是日平均氣溫達到5℃出現的日期。其次河流的封凍天數還與封江初始日期有關，封江初始日期早，當解凍日相同時，則封江歷時長些，反之則短些，故封江日期也是影響開江日期的重要因子之一。開江日期預報方案的表達式為：

式中：ds——封凍天數；d5℃——壩區代表性氣象站日均氣溫不小于5℃出現日期；d封——壩區河道前一年封凍日期。

3）開江最高水位預報。影響開江水位的因素是復雜的，河流從封凍到解凍，是冰情現象的一次突變，在這一變化過程中，水力和熱力因素對開江最高水位（Zmax）都會有直接或間接的影響。從成因上分析，開江最高水位不僅與開江流量有關，同時與冰情變化也有直接的關系，大量的觀測資料表明，冰情的動態變化對于固定斷面的水位的影響是復雜的，具有不確定性。

影響開江水位最直接的水力因子是流量，但考慮到開江期水文測驗困難，整編精度不高等因素，不宜直接采用該因子。經分析和篩選，采用以下2個因子來間接反映水力因素。a)預報依據站4月1日水位（Z4.1），這一指標反映開江前的基礎水位即基礎槽蓄量，其對開江最高水位（Zmax）是有影響的；b)冬季11月至開江前累積降水量∑P11～開，開江期水量補給與冬季的降水量有一定關系，常用來間接反映水力因素，但補給量與氣溫有關系。

影響開江最高水位的熱力因子是開江期溫度上升的強度，溫度上升強度大開江快，反之則慢。反映這一指標的因子是氣溫穩定轉正日至開江日的間隔日數（△Tk），間接的反映了氣溫轉正后的增溫過程，△Tk越小，增溫梯度越大，開江較快，則冰情對開江最高水位影響大些，反之增溫緩慢，水勢平穩，水位漲幅可能小些。開江最高水位預報方案的表達式為：

式中：Zmax——開江最高水位，m；Z4.1——壩區依據水文站4月1日水位；△Tk——代表性氣象站日平均氣溫穩定轉正日至開江日的間隔時間，d；∑p11～開——去冬11月至開江前斷面以上的降水總量，mm。

冰情預報要求工程渡凌期加強水文、氣象觀測，不斷更新氣象要素預報成果，并根據最新的觀測資料對預報結果訂正，確保其預報成果有一定的精度，為防凌工作的開展提供必要的技術支撐。

2 工程度凌措施

2.1 工程度凌破冰河段的選擇

水利水電工程施工期破冰的目的是在導流河段及其下游在開江期形成暢流河段。原蘇聯的一些水電工程的度凌實踐總結表明，要求破除防護工程上下游10 km河道的冰蓋，顯然這些對我國而言從經濟上都不易做到，對我國東北地區施工期渡凌應因地制宜，具體問題具體分析，選擇合理的破冰河段及長度。

東北地區白山水電站、蓮花水電站、小山水電站、尼爾基水利樞紐等幾個工程渡凌河道破冰長度的實例表明，河道破冰長度達到了渡凌的效果。一般情況下，根據冰情條件，在導流工程上下游一定距離，河流易形成擁堵的彎段、束窄段、橋墩、閘前等阻塞冰凌的障礙處進行爆破除冰。破碎冰的范圍，其長度一般可延伸至窄深、彎道等上下游一定距離,一般不少于河寬的3倍。若導流工程上下游河道比較順直，根據導流工程的導流形式和形態規模等條件，其各自破冰長度一般也不必超過5 km。

2.2 破冰寬度

國內外大量工程渡凌的實踐經驗表明,河道破冰寬度一般為天然河道冬季河寬的50%左右。對天然河道而言，靠近岸邊有效水深已很小，甚至有相當寬度的連底凍，而且開江期由于水力因素的作用，往往是河流中泓先開江，因此破冰選擇河道中心線左右約50%是合適的。

2.3 破冰時機

當日最高氣溫穩定轉正后即可進行爆破,此時冰蓋，質地尚堅硬，效率高，而且破冰后不易復凍。破冰過早會破而復凍，甚至前功盡棄，造成浪費；破冰過晚，匆忙被動甚至有一定的危險，并且冰層發粘，破冰效果不好。

3 工程渡凌的非工程措施

3.1 成立安全渡凌領導小組

嚴重的凌汛可能導致基坑被冰水混合物所淹，進而影響工程的施工工期，因此工程建設管理部門應該像重視汛期洪水一樣重視凌汛洪水，在凌汛到來時要成立工程度凌領導小組，負責應急預案的制定，防凌物資的準備，防凌工作的演習等工作，確保防凌隊伍來之能戰，戰之能勝，確保在發生特殊情況時工程能夠安全度凌。

3.2 冰情監測工作

工程度凌期要做好冰情監測工作，監測的項目包括基坑上下游的水位，導流建筑物附近的水位等，增加觀測次數。加強巡測工程區整個河段的冰情，發現水位大幅度上漲及工程上下游發生冰凌壅堵等不利于工程度凌的情況，要及時報告防凌指揮部門，采取有效措施，確保工程安全度凌。

3.3 冰情預報工作

寒冷地區施工的水利水電工程，在工程招標階段要進行有關冰情預報方案的編制招標工作，在工程截流前完成冰情預報方案的編制工作。在預報過程中要根據最新實測的水文氣象資料，對冰情預報結果進行修訂，使冰情預報結果有一定的精度。

4 結語

1）東北地區水利水電工程施工期均存在冰情問題，冰凌洪水是東北地區常見的洪水，他的特別之處是一旦洪水進入基坑，清除冰水混合物要花費大量的人力物力，甚至影響施工工期，因此在寒冷地區施工導流期應重視工程的防凌渡凌工作。

2）在工程招標階段，工程渡凌的冰情觀測、冰情預報方案的編制、工程渡凌的工程措施均應納入正常的招標程序，確保工程渡凌的工程措施和非工程措施的實施。

3）根據寒冷地區水利水電工程水文氣象特性，編制施工期冰情預報，加強冰情觀測，是當好防汛部門耳目和參謀的基礎。

4）施工期應選擇基坑上下游對工程渡凌不利的河段進行冰蓋爆破，在開江期預先形成暢流河段，使上游河段的冰凌能順利通過該河段，確保基坑安全。

5）在凌汛期成立工程渡凌領導小組，制定應急預案，儲備必要的防凌物資，做好應急情況演練是做好工程安全渡凌的關鍵。

［1］楊昕，劉書寶，等嫩江尼爾基水利樞紐工程施工期冰情預報方案編制報告［R］.

［2］段元勝，等.冰凌爆破技術探討［J］.冰川凍土，2003（S2）.

［3］王鐵鋒，劉書寶，等.寒冷地區水利水電工程施工期冰問題及對策［J］.冰川凍土，2003（S2）.