堆石拦河坝流冰破坏分析及预防措施

高思德,董 权,孙广彦

(1.密山市青年灌区水利水保总站裴德分站,黑龙江密山 158300;2.密山市知一灌区水利水保总站,黑龙江 密山 158300; 3.逊克县库尔滨流域水电有限公司,黑龙江逊克 164400)

受气候影响,我省的大、中型河流都存在不同程度的流冰现象,流冰期一般在每年的 4月上旬～5月上旬,支级河流为 5～7 d,干级河流为 10～20 d,冰厚一般在 0.7～1.4 m。流冰对栏河闸、坝具有较大的破坏力,是影响河道上水工建筑物安全的主要因素,特别是对堆石拦河坝的破坏较为严重,每年需要投入较大的人力和财力进行维修加固,是灌区较大的工程维护项目。

1 堆石拦河坝流冰破坏分析

流冰对拦河坝的破坏主要有冰块的能量(动能)和过流水深两个因素。

1.1 冰块携带的能量

冰块携带的能量为动能与重力势能之和,计算公式为:

式中:E为冰块携带的能量,J;E动为动能,J;E势为重力势能, J;m为冰块质量,k g;u为冰块漂移速度,m/s;h为上下游水位差,m;g为重力加速度,取值9.8s/m2。

1.2 流冰破坏的临界水深

拦河坝过流水深达不到使冰块漂浮时,冰块与拦河坝就产生碰撞,使拦河坝遭到破坏。根据相关资料和经验,流冰破坏的临界水深为:

式中:H临为临界水深,m;d为冰厚,m。

1.3 破坏形式

1)当堰顶水深 H堰＞H临,堰底收缩断面水深 H底＜H临时,冰块通过堰顶沿坝后堰面下移,势能除部分消耗外,全部转换为动能使冰块漂移速度迅速增加,到达堰底水流收缩断面时(跃前水深)速度达到最大,对坝体的撞击力也达到最大值。冰块与坝面堰底发生碰撞,使堰底块石单块或多块下移,上部块石失去支撑向下游滚动或塌落。

2)H临＞H堰＞0.9 d时,冰块与坝面发生局部碰撞,但在水流冲击和后续冰块的撞击下可通过堰顶,并随落差的减小势能转变成动能而速度加快,沿堰面下滑通过拦河坝。堰体表面受到冰块撞击,块石依次向下游位移而滚落,俗称“扒皮”现象。

3)H堰＜0.9 d时,冰块到达堰顶时不能完全浮起和动能较小、速度较慢,易在堰前或堰上卡塞,形成冰坝。

2 堆石拦河坝流冰破坏预防措施

从以上堆石拦河坝流冰破坏分析得出,防止措施主要采取保证拦河坝流冰期安全过流水深和减小个体冰块的能量两种方法。

2.1 保证拦河坝流冰期过流水深

流冰期要保证堰底收缩断面过流水深大于临界水深,具体方法是降低堰顶高程和缩小过流断面。

根据历年河流流冰期水量和经验,确定合理的堰顶高程和宽度。堰顶降低的高度一般在0.3 m以内,缩小的宽度不超过河道宽度的 1/3。每年灌溉结束后,用人工将堰顶中部的块石减至要求降低到的高程,砌筑到堰顶的两侧至要求宽度。灌溉前再将两侧块石回砌到堰顶中部至设计高程。为减少来回搬砌工作量,也可以不回砌堰顶,待水位达不到灌溉要求时用编织袋装沙土临时加高堰顶。

2.2 破碎冰块

对大面积的冰块进行人工破碎是降低单块能量、减少撞击力的有效办法,可以与上述办法同时使用,也可以单独使用。特别是破碎武开河较大面积的流冰冰块,对减轻冰块对拦河坝和其它河道上水工建筑物的撞击力,保证过冰安全有较好的效果。

破碎冰块,一般采用人工投掷爆破方法。破碎时要注意以下几个环节:①药量:一般采用普通民用硝铵炸药,按每5 m2一管(约70g)配量;②药包:内层用朔料袋封严防水,外层用棉花或柔软物包裹,防止投掷时滚动或弹跳,但不能包得过厚,以免减弱爆破效果;③投掷:将药包投掷到冰块的几何中心;④安全:爆炸点要不影响工程安全,投掷手要有爆破,做好安全防护,避免炸起的碎冰伤人。

3 结论及建议

保证拦河坝流冰期安全过冰水深,减少和减轻冰块与坝体的撞击;破碎冰块,减少单块冰块能量是防止拦河坝流冰破坏的有效方法,工程管理单位可根据河道和工程的具体情况采用。建议在设计拦河坝时,增加过冰相关内容,确保拦河坝过冰安全。

[1] 单景有,伊树文,马治人.刍议面板堆石坝[J].黑龙江水利科技,2007,35(2):201.