堆石攔河壩流冰破壞分析及預(yù)防措施

高思德,董 權(quán),孫廣彥

(1.密山市青年灌區(qū)水利水?？傉九岬路终?黑龍江密山 158300;2.密山市知一灌區(qū)水利水保總站,黑龍江 密山 158300; 3.遜克縣庫(kù)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(xiàn)象,流冰期一般在每年的 4月上旬～5月上旬,支級(jí)河流為 5～7 d,干級(jí)河流為 10～20 d,冰厚一般在 0.7～1.4 m。流冰對(duì)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(duì)堆石攔河壩的破壞較為嚴(yán)重,每年需要投入較大的人力和財(cái)力進(jìn)行維修加固,是灌區(qū)較大的工程維護(hù)項(xiàng)目。

1 堆石攔河壩流冰破壞分析

流冰對(duì)攔河壩的破壞主要有冰塊的能量(動(dòng)能)和過(guò)流水深兩個(gè)因素。

1.1 冰塊攜帶的能量

冰塊攜帶的能量為動(dòng)能與重力勢(shì)能之和,計(jì)算公式為:

式中:E為冰塊攜帶的能量,J;E動(dòng)為動(dòng)能,J;E勢(shì)為重力勢(shì)能, J;m為冰塊質(zhì)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(guò)流水深達(dá)不到使冰塊漂浮時(shí),冰塊與攔河壩就產(chǎn)生碰撞,使攔河壩遭到破壞。根據(jù)相關(guān)資料和經(jīng)驗(yàn),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(dāng)堰頂水深 H堰＞H臨,堰底收縮斷面水深 H底＜H臨時(shí),冰塊通過(guò)堰頂沿壩后堰面下移,勢(shì)能除部分消耗外,全部轉(zhuǎn)換為動(dòng)能使冰塊漂移速度迅速增加,到達(dá)堰底水流收縮斷面時(shí)(躍前水深)速度達(dá)到最大,對(duì)壩體的撞擊力也達(dá)到最大值。冰塊與壩面堰底發(fā)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(dòng)或塌落。

2)H臨＞H堰＞0.9 d時(shí),冰塊與壩面發(fā)生局部碰撞,但在水流沖擊和后續(xù)冰塊的撞擊下可通過(guò)堰頂,并隨落差的減小勢(shì)能轉(zhuǎn)變成動(dòng)能而速度加快,沿堰面下滑通過(guò)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(xiàn)象。

3)H堰＜0.9 d時(shí),冰塊到達(dá)堰頂時(shí)不能完全浮起和動(dòng)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(yù)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(guò)流水深和減小個(gè)體冰塊的能量?jī)煞N方法。

2.1 保證攔河壩流冰期過(guò)流水深

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

根據(jù)歷年河流流冰期水量和經(jīng)驗(yàn),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(nèi),縮小的寬度不超過(guò)河道寬度的 1/3。每年灌溉結(jié)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?shù)膬蓚?cè)至要求寬度。灌溉前再將兩側(cè)塊石回砌到堰頂中部至設(shè)計(jì)高程。為減少來(lái)回搬砌工作量,也可以不回砌堰頂,待水位達(dá)不到灌溉要求時(shí)用編織袋裝沙土臨時(shí)加高堰頂。

2.2 破碎冰塊

對(duì)大面積的冰塊進(jìn)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(shí)使用,也可以單獨(dú)使用。特別是破碎武開河較大面積的流冰冰塊,對(duì)減輕冰塊對(duì)攔河壩和其它河道上水工建筑物的撞擊力,保證過(guò)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(shí)要注意以下幾個(gè)環(huán)節(jié):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(nèi)層用朔料袋封嚴(yán)防水,外層用棉花或柔軟物包裹,防止投擲時(shí)滾動(dòng)或彈跳,但不能包得過(guò)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(diǎn)要不影響工程安全,投擲手要有爆破,做好安全防護(hù),避免炸起的碎冰傷人。

3 結(jié)論及建議

保證攔河壩流冰期安全過(guò)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(jù)河道和工程的具體情況采用。建議在設(shè)計(jì)攔河壩時(shí),增加過(guò)冰相關(guān)內(nèi)容,確保攔河壩過(guò)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.