红旗泡水库破冰开槽作用的现场观测

姜连杰，贾 青，李红卫，韩红卫，李志军

(1.黑龙江省引嫩工程管理处，黑龙江大庆163000;2.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连116024; 3.黑龙江大学，哈尔滨150086)

1 引言

黑龙江省地处高寒地区，平原水库在冬季必然发生冰冻的现象。当春季气温升高时，冰层内部产生的热膨胀力会对建筑物的安全构成威胁［1］。1995年黑龙江省水科所对省内7座平原水库调研，发现7座水库中护坡发生严重破坏的占所调查水库的42.8%。护坡在冰压力的作用下，通常会产生冰推、冰拔、流冰撞击破坏［2－3］。多年来，水利专家们一直在探索水库护坡防冻害的工程措施，使用的方法主要有:①塑料薄膜引滑［4－5］，此种方法利用塑料薄膜将护坡和冰层分开，减小冰层膨胀变形所受的阻力，引导冰体上滑，削减了对护坡的直接作用力，避免或减轻护坡的破坏。在北方冬季应用塑料引滑防冰法是目前中小型水库对护坡维护的一种行之有效的方法，既经济简便又实用。②破冰开槽［6－7］，该方法对大型的水库有较好的适用性，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。

黑龙江省引嫩工程红旗泡水库是一座大型的平原水库，位于大庆市龙凤区以东12.5 km处［8］。根据2008～2010年2个冬季利用固定点对冰槽前后两侧的测量点位移变化，对该水库传统破冰开槽的保护作用进行分析。在此基础上，提出改进冰槽开挖方式的现场试验，进一步获取更有价值的测量结果，支持平原水库减轻冰推护坡的管理措施。

2 传统破冰开槽

红旗泡水库冬季冰层存在时间约5个月，结冰厚度一般为1.0～1.2 m［9］。水库管理处根据多年的管理经验，并结合水库的特点，采取破冰开槽的方式保护护坡。

初冬水库封冻时因水结冰相变过程的体积增大也会引起冰爬坡，但此时对应的冰厚＜40 cm，其爬坡作用不会给护坡带来较大破坏。所以每年都是在冰厚达到30 cm以上才开始破冰。传统开挖方式是将冰槽两侧开挖成垂直的长方体直槽，如图1(a)所示。图中:H为冰槽到坡面距离，冰槽宽度D=0.5 m。每次破冰时采用人工凿开一条冰槽，开挖的冰槽底面离水面的距离h=10～20 cm，并将破碎的冰块清理干净。此种冰槽的缺陷是:当冰内变形l＞D，会产生隆起，隆起过程中会消耗一部分静冰压力，剩余的压力将继续向前传递，如图1(b)所求。如果剩余的压力较大，此时护坡仍然会遭受冰推破坏。

图1 传统破冰开槽断面及冰层弯曲隆起示意图

3 破冰开槽效果的现场观测

在冰槽两侧的冰面上固定两根木板作为测量靶点，将靠近大坝护坡一侧定义为前测量点，位于冰槽另一侧的为后测量点。在护坡上确定一固定点，在不同时刻分别测量固定点到前测点和后测点的位移，分别称之L1和L2，如图2所示。定义两个测量点不同测量时间内的位移的差值为ΔL1=L1，t1－L1，t2，ΔL2=L2，t1－L2，t2，沿大坝护坡每隔一定距离布置一组观测点。

图2 破冰槽变形测量示意图

经过现场观测，得到如下几种观测现象:

1)△L1、△L2都不随时间发生变化，说明此时冰层没有移动。

2)△L1、△L2都随时间发生变化，且△L1≈△L2，冰槽随着前后测点一起发生了移动，冰槽没有起到作用，观测也发现此处冰槽由于积雪的融化而被填平，未出现隆起。

3)△L1、△L2都随时间发生变化，且△L1＞△L2，表明后测点处冰层膨胀也向着大坝方向，现场观测出现明显的冰层爬坡现象，冰槽起到的作用不大。

4)△L1、△L2都随时间发生变化，且△L1＜△L2，后测点位移远大于前测点位移，直至将冰槽填平甚至后期出现隆起，说明此处的冰槽发挥了保护作用。

4 破冰开槽改进和现场试验设想

通过现场观测，发现破冰开槽位置及开槽形状的正确选取是冰槽发挥作用的关键。虽然水库管理处每年都花费人力进行破冰开槽，但春季冰层膨胀对护坡的破坏作用仍然存在，每年需要维修。

为了更好地认识破冰开槽的合理性，设计在2010～2011年冬季的现场观测中，开展一些试验。试验段位置选在水库南站和东站之间，此处是该水库经常发生冰推破坏的区域。在距离坡面一定距离并沿着平行于坝轴线方向分别开挖，现场开挖平面布置如图3所示。

图3 冰槽开挖平面布置示意图

在试验段内，按距离坡面20 m、30 m、40 m、50 m分成4段，每段长约300 m，在每个300 m距离内又以150 m为分界，将冰槽开挖成两种形式，进行冰槽开挖效果的比较分析。A型:即传统开挖形式，冰槽两侧为垂直开挖，如图1(a)所示; B型:即改进后的开挖形式，将靠近岸边一侧改为45°倾斜开挖，如图4(a)所示。

B型冰槽开挖方式对传统开挖方式做了改变，将靠近岸边一侧挖成45°斜面，其优点是期望隆起的冰层可以沿着斜面向上滑动，消耗大部分的静冰压力，可以避免冰槽两侧冰层之间互相“顶牛”，如图4(b)。

图4 改进后的破冰开槽断面及冰层断裂示意图

当初春气温持续升高时，水库冰层膨胀，水库内冰层产生的横向应力、护坡与冰槽之间的冰层产生的横向应力两者同时在冰槽处释放出来，产生位移，使冰槽处隆起，甚至于冰槽两侧发生断裂。A型冰槽处冰层会产生弯曲隆起现象，如图5;我们期望B型冰槽的隆起类似冰层爬坡(图6)的效果。这样爬坡会比图5更容易释放应力。

图5 破冰开槽处冰面隆起

图6 冰层沿倾斜表面上爬

5 建议

1)通过破冰开槽传统开挖方式与新型开挖方式的对比结果分析，找到最佳的开挖位置和开挖形式。

2)在冬季现场观测资料基础上，进一步开展理论分析。

3)在红旗泡水库建立示范基地，之后在其它寒区平原水库中推广。

［1］ 孙江岷，侯春燕，王德民，等.高寒地区平原水库护坡冬季运行破坏及预防措施［J］.黑龙江水利科技，1997，25(3):25－27.

［2］ 马苏里，张来文，范雨耕.冰推力作用对泥河水库工程的影响［J］.黑龙江水利科技，2007，35(2):111－112.

［3］ 赵明国.浅谈水工建筑物的冰冻破坏及防治［J］.黑龙江科技信息，2007，35(9):217.

［4］ 孙长江，宋怀杰，张连侠.塑料布“V”形铺设法在水库引冰爬坡中的应用［J］.东北水利水电，2001，19(6):16－17.

［5］ 李平化，刘乃福.胜利水库坝坡塑料薄膜引滑防冰法多年应用效果浅析［J］.黑龙江科技信息，2008(5):35.

［6］ 王川，李志军，贾青，等.红旗泡水库破冰槽观测与分析［J］.黑龙江水专学报，2009，36(3):119－122.

［7］ 李长玉，李海滨，赵庆吉.水库主坝平台处护坡工程破坏原因分析［J］.黑龙江水利科技，2005，33(5):42－43.

［8］ 李志军，贾青，黄文峰，等.水库淡水冰的晶体和气泡及密度特征分析［J］.水利学报，2009，40(11):1333－1338.

［9］ 李志军，杨宇，彭旭明，等.黑龙江红旗泡水库冰生长过程现场观测数据的剖析［J］.西安理工大学学报，2009，25(3):270－274.