消能网箱减小水库坝体冰推力效果的分析

2011-01-19姜连杰李红卫

黑龙江水利科技 2011年4期

关键词：冰层冰冻网箱

姜连杰，刘伟，李红卫

(黑龙江省引嫩工程管理处，黑龙江大庆163316)

消能网箱减小水库坝体冰推力效果的分析

姜连杰，刘伟，李红卫

(黑龙江省引嫩工程管理处，黑龙江大庆163316)

寒区平原水库冬季冰层膨胀对岸坡造成严重破坏，传统破冰方式具有较大局限性，采用消能网格(或箱)可以减小冬季冰层膨胀对岸坡造成的破坏。在适合情况下推广，具有较高的经济价值。

水库;封冻期;冰推力;护坡破坏;消能网箱;保护效果

1 基本概况

红旗泡水库位于大庆市区东北部，占地为大庆市和安达市。水库枢纽主要由均质土坝、进水闸、泄水闸及泵站组成。大坝全长25 km，库区面积为35.3 km2，是我国北方典型的平原型水库。水库每年4月下旬开始引水蓄水，11月上旬停止引水，水库每年10月下旬～11月开始形成冰盖，次年3～4月开始融化，冰层存在时间5个月，结冰厚度在1.0～1.2 m。每个结冰期有两次大的冰推爬坡，第一次在12月上旬的封库结束后，第二次在次年3月份开春融冰开库前。红旗泡水库冰推护坡破坏见图1。

图1 2010年红旗泡水库冰推护坡破坏情景图

2 冰推原因分析

红旗泡水库虽然每个结冰期有两次冰推爬坡，根据水库管理者多年的观测发现，水库的冰推破坏在第一次冰推时并不明显，破坏主要发生在第二次冰推期，即:每年开春冰融化季节。

冰融化季节冰推爬坡主要原因是由于冰温升高引起冰的热膨胀。冰作为固体材料向水相转化的过程中，在冰层得到正能量时，冰层温度升高，由于热胀冷缩的性质，导致冰内晶粒体积增大［1］。冰层剩余体积增量将会导致冰层产生内应力，最后以冰层水平运动、冰层断裂和爬坡的形式卸载，直至抵抗冰层运动的摩擦力同冰层内应力平衡时冰层才会稳定融化。春季冰层内产生强大静冰压力对水库护坡产生破坏的原因主要有3点:①在冰盖压力作用下，在热膨胀过程中，冰体在竖直方向的静冰压力增长速度小于在水平方向的增长。②冰温升降的变化相对气温变化有滞后的时间，且随冰层深度增加滞后明显，从而导致冰层上下部分膨胀不一致，上层膨胀受到下层膨胀约束，其体积膨胀产生的静冰压力在水平方向增长较大［2］。③在冰层水平膨胀的过程中，由于受到护坡边界条件的约束，冰层膨胀力对护坡及水库结构产生破坏。

3 传统防冰推措施

多年来，红旗泡水库一直在探索水库护坡防冻害的工程措施。目前最有效的措施是破冰开槽，通过合理的破冰开槽切断冰层静冰压力对护坡的直接作用，避免护坡出现冰推和冰拔破坏，该方法对大型水库有较好的适用性。

图2 传统破冰模式图

传统的破冰开槽方法具有很大的局限性，首先是冰冻是一增长、变化的过程，具体把握在什么时间开始破冰不好掌握，二是破冰的深度不好掌握，完全破透冰层，水库下层液相水会补充上来，很快又形成完整的冰体，不完全破透冰层，剩余厚度冰层仍然会传递压力，如果剩余压力较大，此时护坡仍然会遭受冰推破坏。

4 防冰推的设想

在三北高寒地区的冰冻水面上，为减少或降低冰冻胀推力对水工建筑物的破坏，常规做法是采取人工开槽破冰的方式，以减少冰的东胀推力;在一个冰冻期期间，须多次或持续破冰，而由于受开槽深度、宽度以及破冰次数的(间隔周期)连续性的制约，降低或消除冰冻胀推力的效果不是很理想，采用柔性材料在冰槽位置形成隔离带，对于冰推消能效果明显。

1)拟采用柔性可压缩材料(如聚乙烯泡沫)制作成一定宽度、高度、不同形状的网格(或箱)，进入冰冻期，当冰冻达到一定厚度时，一次开槽破冰将网格(或箱)置入冰冻水面。当冰冻期结束时将网格(或箱)取出回收循环利用。此方式用来消除冰冻推力有以下3点:①网格(或箱)置入，使原连续冰冻层有了隔断分为两块，致使冰冻推力不能连续、持久地对建筑物产生作用;②通过网格(或箱)压缩分解作用，致使冰冻推力大部分消散和分解;③网格(或箱)高度是冰冻期内冰层最大厚度设定，其宽度和形状以能够最大效能消散和分解冰冻推力而设定。

2)拟采用柔性可压缩材料(如聚乙烯泡沫)制作成一定宽度、高度、不同形状的网格(或箱)，在秋季水库水位较高时，在重点地段下到坝坡前固定，首先解决秋季大风期风浪对坝体的破坏，冬季在冰层中起到缓解静冰压力对坝体的作用。该方案时，网格(或箱)上必须要有不同比例配重，网格(或箱)之间采用凸凹槽嵌接。