機械防凌破冰裝備任務分析與工況設定

劉一川LIU Yi-chuan；吳建明WU Jian-ming；劉彬LIU Bin；朱寧ZHU Ning

（軍械工程學院裝備指揮與管理系，石家莊 050003）

（Department of Equipment Command &Management，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

0 引言

任何裝備都是在一定任務背景下使用的，其承擔任務的分析深度決定了其未來裝備的生命力。同時，裝備工況的設定基于對環境的分析結論，以及對于現有和未來破冰方法應用的需求，對于裝備的適用性也將產生決定性的作用。因此，在對機械防凌破冰裝備進行概念設計前，必須要做好裝備的任務分析和工況設計。

1 裝備任務分析

裝備是為了執行規定的任務而設計制造的，因此，裝備的任務設定是工況分析的基礎。2010 年，國家防總、水利部委托黃河水利委員會在鄭州組織召開了“河道破冰減災應用技術研討會”，黃河防總針對黃河冰情特點，結合黃河防凌實際，提出以下五種河道破冰需求：一是封河期短河段冰蓋破除。該時期冰蓋的破除主要是針對流凌初封期，受短時冷空氣影響，局部河段出現較短長度的首次封凍。二是開河期長河段冰蓋破除。開河期河段上、下游已基本開通，但局部河段遲遲不開，嚴重影響上游冰凌洪水下泄，且可能在該河段形成冰壩，產生漫灘、決堤等凌汛災害。三是冰塞破除。主要表現：在流凌封河期，下游河段處于封河期，上游流凌冰花在局部河段逐漸形成冰塞，冰下過流能力減小，致使某河道斷面長時期為小流量過程，造成不利的防凌形勢。四是冰壩破除。在開河期，上游解凍破碎后的大冰塊在狹窄、彎道、淺灘、水庫回水末端等處上爬下插而形成冰壩，導致河水猛漲，類似于冰體堰塞湖。五是局部隱患消除。局部隱患主要是受河道邊界條件影響，大冰塊卡塞或冰塞冰壩位置處于橋梁或狹窄、彎道以及臨近工程等河段。

根據凌汛產生機理和防凌要求，確定的防凌破冰裝備的主要任務及指標如下：

1.1 開鑿流凌通道。冰壩攔水是凌災形成的終極條件，而這一條件的形成，必須有三個前提，一是上游來冰，二是有阻冰冰蓋，三是有較多的河槽蓄水。就目前的技術而言，上游來冰是無法阻止的，而河槽蓄水只能通過水庫調節而減少，但無法控制在凌災下限以內。因此，比較有效的方式是：在凌災險情高發地區的冰蓋上開鑿出流凌通道，以消除阻冰條件，從而消除該地區的凌災。

1.2 破碎大塊流凌。流凌通道開鑿以后，可能由于大粒徑、高密度的流凌產生阻礙，重新形成阻冰體，同時，對于某些人工建筑（如橋梁等），其橋墩跨距相對于流凌粒徑，其通過能力不足的情況也時有發生。因此，需要在大塊流凌接近易卡冰點之前將其破碎為小塊流凌。

1.3 破除冰壩?？紤]到經濟和工程實現方面的原因，不可能在幾千公里的戰線上，開鑿流凌通道，而且人們的偵察預警不可能做到百分之百的可靠，所以，在某些地段仍然可能快速地形成冰壩。因此，防凌裝備系列必須具有較強的偵察能力，特別是夜晚的偵察能力，以及快速破除冰壩的能力。

1.4 消除冰塞。冰塞是冰壩的前提，根據“主動干預，防患于未然”的思想，冰壩早期的冰塞應當消除。冰塞可分為兩類：一是冰蓋下的積冰，可能逐步發展為連底冰；二是冰蓋上游冰水分界線上的卡冰。消除冰塞的難點在于冰塞的可觀測性極差，因此，冰塞偵測成為消除冰塞的難點所在。防凌破冰裝備系列需要具備消除上述兩類冰塞的功能。

2 工況設定

工況是防凌破冰裝備運行過程中必須考慮的因素，一般包括環境、冰蓋、流凌通道、水流、堤岸與灘地等方面。本文以黃河內蒙河段為例，分析相應的工況設定情況。

2.1 氣象環境分析與工況設定 一個地方的氣象環境一般是固定的，也是有規律的，對于機械防凌破冰裝備工作的一般氣象環境也是穩定的，而這些環境條件對于機械防凌破冰裝備承載平臺而言沒有太多困難，因此，就以此作為防凌破冰裝備工況要求。具體工況設定如下：開河時間在2 月中旬～3 月下旬；開河期溫度平均溫度0～5℃，最低-5℃，最高15℃；開河期一般風力3～5 級，正常情況風力≤7 級，風向多為西北風；一般以晴為主，偶有小到中雨和小雪。

2.2 冰蓋分析與工況設定 據內蒙古防辦給出的指導性意見，黃河冰厚一般在30～60cm，個別年份的局部河段最厚可達1m。因此，破冰裝備的工作的冰蓋厚度范圍設定為30～100cm。根據課題組調查分析和實地調查，以及2008 年11 月制定的《黃河防凌綜合能力建設實施方案》中提出的“3～5 年內爭取實現30km 以內河段人工干預開河”的指標，設定需要機械防凌破冰裝備承載平臺黃河冰蓋為1km～30km。冰蓋是由冰層組成的，其主要分為三種：一是單純冰結構；二是三層冰結構；三是四層冰結構。單純冰結構即簡單均勻冰結構。三層冰結構，即最上層的立茬冰結構，中層的冰水分布結構，最下層為致密冰結構。四層冰結構是在三層冰結構的基礎上，增加堆積冰層。

2.3 流凌通道分析與設定 流凌通道的長度一般與冰蓋長度相等，通常在1km～30km 范圍以內。流凌通道的寬度，應根據河道的具體情況判定。流凌通道的軸線，應當綜合考慮主河槽與主流線帶情況而定。但在枯水期時，可觀察到主河槽的位置與形狀，而在封河期，則難以確定主流線帶和主河槽的位置，故在沒有精確探測的條件下，將最近一次枯水期時的主河槽中線設定為流凌通道的軸線。

2.4 水流分析與工況設定 水流情況對于水面裝備和水中裝備有較大的影響，也對破碎后冰體的順利排放產生影響，故它也是防凌破冰裝備設計需要考慮的問題之一。經過課題組的調研，黃河寧蒙段開河期的流速在1m/s～2m/s 之間，極端情況下為3m/s，故設定防凌破冰裝備工況如下：流速≤3m/s；在同一斷面上的流速不均勻，并且可能多個峰值并存；有“漩渦”和大型“平面環流”；不同深度上的流速也是不均勻的；可能出現表面或河底“垂直環流”。

2.5 堤岸與灘地分析與設定 堤岸和灘地是運載平臺到達作業地點可能要經過的地帶，故其也是防凌破冰裝備設計工況所需要考慮的因素之一。

堤防頂部一般為瀝青或砂石路面，主要供輕型巡堤車輛機動，內蒙古防辦要求：輪式車輛一般不超過4 噸，履帶車輛不超過12 噸，堤高一般為3m～6m，堤體坡度≤40 度，但在一定間隔內有下堤土路，主要是為灘地上的可耕地服務的，一般的車輛均可慢速通過，內堤高度通常在0.5m～2m，土質為粘土。

灘地一般為農墾地，有田埂、灌溉渠、小型農機具通行道路。堤防與主河槽距離大約為200m～3000m 不等。

3 結束語

本文闡述了防凌破冰的五項需求及防凌破冰裝備的四大任務，并經過查閱資料、課題組研討，以及與內蒙古防辦商定，確定了裝備工作的工況標準與要求。下一步，將以本文研究成果為基礎，繼續做好防凌破冰裝備及其承載平臺的設計工作。

[1]閆新光.黃河破冰減災應用研究[J].中國防汛抗旱，2011，（1）：17-20.

[2]丁留謙，何秉順，閆新光.破冰防凌新技術探討[J].中國防汛抗旱，2010（2）：19-24.

[3]蔡琳，等.中國江河冰凌[M].鄭州：黃河水利出版社，2008.