东北地区水利水电工程施工期冰情预报及度凌措施

白花琴，刘书宝

（1.水利部松辽水利委员会，吉林长春130021；2.中国水电顾问集团公司北京勘测设计研究院，北京100024）

东北地区冬季长达5～6个月，最低气温达-40℃左右，河流稳定封冻期长达120～150 d，冰厚达1.0 m左右。水利水电工程截流后，显著的改变了河流的天然状态，表现为坝区过流断面缩窄或河势改变，河道的过流能力明显降低，致使坝区河段在流凌期有可能形成冰塞或冰坝，对施工安全构成威胁。因此在东北地区水利水电工程施工期应加强冰情监测和预报，并辅以有效的工程措施，确保工程在施工期安全渡凌。

1 冰情预报方案的编制

根据东北地区莲花水电站、尼尔基水利枢纽工程渡凌期对冰凌洪水预报的要求，预报方案编制的主要内容为：封江日期预报、开江日期预报、开江期最高水位预报。

1）封江日期预报。河流封冻现象的发生本质上是热力因素起主导作用，故预报因子选择应着眼于热力因子。初冬气温稳定转负使河流水体不断的降温直达0℃，并达到过冷却产生冰凌现象。因此日平均气温稳定转负日期直接影响封冻日期的早晚，是影响封冻的主要因子。

气温转负后，每一年的降温过程都不同，直接影响水温的下降速度。观测资料表明：水温达到过冷却的速度与气温下降的强度有直接的关系，每一次寒潮的侵袭都会使气温的明显下降，同时也造成河流封冻过程的迅速发展，因此降温强度也是反映封冻日期早晚的重要因子，用气温转负日至气温小于-10℃出现日的间隔天数反映气温转负后的降温幅度。封江日期预报方案的表达式是：

式中：d封——封江日期；dt——坝区代表性气象站日平均气温稳定转负日；△Tf——为气温转负日至气温小于-10℃出现的间隔天数。

2）开江日期预报。开江日期预报通过河流封冻天数来间接预报。河流由封冻到解冻，本质上是热力因素作用的结果，因此开江日期预报方案编制时首先应考虑热力因子，据分析春季日均气温稳定转正以后，气温回升的强度对开江日期有较明显的影响，反映这一特征的指标是日平均气温达到5℃出现的日期。其次河流的封冻天数还与封江初始日期有关，封江初始日期早，当解冻日相同时，则封江历时长些，反之则短些，故封江日期也是影响开江日期的重要因子之一。开江日期预报方案的表达式为：

式中：ds——封冻天数；d5℃——坝区代表性气象站日均气温不小于5℃出现日期；d封——坝区河道前一年封冻日期。

3）开江最高水位预报。影响开江水位的因素是复杂的，河流从封冻到解冻，是冰情现象的一次突变，在这一变化过程中，水力和热力因素对开江最高水位（Zmax）都会有直接或间接的影响。从成因上分析，开江最高水位不仅与开江流量有关，同时与冰情变化也有直接的关系，大量的观测资料表明，冰情的动态变化对于固定断面的水位的影响是复杂的，具有不确定性。

影响开江水位最直接的水力因子是流量，但考虑到开江期水文测验困难，整编精度不高等因素，不宜直接采用该因子。经分析和筛选，采用以下2个因子来间接反映水力因素。a)预报依据站4月1日水位（Z4.1），这一指标反映开江前的基础水位即基础槽蓄量，其对开江最高水位（Zmax）是有影响的；b)冬季11月至开江前累积降水量∑P11～开，开江期水量补给与冬季的降水量有一定关系，常用来间接反映水力因素，但补给量与气温有关系。

影响开江最高水位的热力因子是开江期温度上升的强度，温度上升强度大开江快，反之则慢。反映这一指标的因子是气温稳定转正日至开江日的间隔日数（△Tk），间接的反映了气温转正后的增温过程，△Tk越小，增温梯度越大，开江较快，则冰情对开江最高水位影响大些，反之增温缓慢，水势平稳，水位涨幅可能小些。开江最高水位预报方案的表达式为：

式中：Zmax——开江最高水位，m；Z4.1——坝区依据水文站4月1日水位；△Tk——代表性气象站日平均气温稳定转正日至开江日的间隔时间，d；∑p11～开——去冬11月至开江前断面以上的降水总量，mm。

冰情预报要求工程渡凌期加强水文、气象观测，不断更新气象要素预报成果，并根据最新的观测资料对预报结果订正，确保其预报成果有一定的精度，为防凌工作的开展提供必要的技术支撑。

2 工程度凌措施

2.1 工程度凌破冰河段的选择

水利水电工程施工期破冰的目的是在导流河段及其下游在开江期形成畅流河段。原苏联的一些水电工程的度凌实践总结表明，要求破除防护工程上下游10 km河道的冰盖，显然这些对我国而言从经济上都不易做到，对我国东北地区施工期渡凌应因地制宜，具体问题具体分析，选择合理的破冰河段及长度。

东北地区白山水电站、莲花水电站、小山水电站、尼尔基水利枢纽等几个工程渡凌河道破冰长度的实例表明，河道破冰长度达到了渡凌的效果。一般情况下，根据冰情条件，在导流工程上下游一定距离，河流易形成拥堵的弯段、束窄段、桥墩、闸前等阻塞冰凌的障碍处进行爆破除冰。破碎冰的范围，其长度一般可延伸至窄深、弯道等上下游一定距离,一般不少于河宽的3倍。若导流工程上下游河道比较顺直，根据导流工程的导流形式和形态规模等条件，其各自破冰长度一般也不必超过5 km。

2.2 破冰宽度

国内外大量工程渡凌的实践经验表明,河道破冰宽度一般为天然河道冬季河宽的50%左右。对天然河道而言，靠近岸边有效水深已很小，甚至有相当宽度的连底冻，而且开江期由于水力因素的作用，往往是河流中泓先开江，因此破冰选择河道中心线左右约50%是合适的。

2.3 破冰时机

当日最高气温稳定转正后即可进行爆破,此时冰盖，质地尚坚硬，效率高，而且破冰后不易复冻。破冰过早会破而复冻，甚至前功尽弃，造成浪费；破冰过晚，匆忙被动甚至有一定的危险，并且冰层发粘，破冰效果不好。

3 工程渡凌的非工程措施

3.1 成立安全渡凌领导小组

严重的凌汛可能导致基坑被冰水混合物所淹，进而影响工程的施工工期，因此工程建设管理部门应该像重视汛期洪水一样重视凌汛洪水，在凌汛到来时要成立工程度凌领导小组，负责应急预案的制定，防凌物资的准备，防凌工作的演习等工作，确保防凌队伍来之能战，战之能胜，确保在发生特殊情况时工程能够安全度凌。

3.2 冰情监测工作

工程度凌期要做好冰情监测工作，监测的项目包括基坑上下游的水位，导流建筑物附近的水位等，增加观测次数。加强巡测工程区整个河段的冰情，发现水位大幅度上涨及工程上下游发生冰凌壅堵等不利于工程度凌的情况，要及时报告防凌指挥部门，采取有效措施，确保工程安全度凌。

3.3 冰情预报工作

寒冷地区施工的水利水电工程，在工程招标阶段要进行有关冰情预报方案的编制招标工作，在工程截流前完成冰情预报方案的编制工作。在预报过程中要根据最新实测的水文气象资料，对冰情预报结果进行修订，使冰情预报结果有一定的精度。

4 结语

1）东北地区水利水电工程施工期均存在冰情问题，冰凌洪水是东北地区常见的洪水，他的特别之处是一旦洪水进入基坑，清除冰水混合物要花费大量的人力物力，甚至影响施工工期，因此在寒冷地区施工导流期应重视工程的防凌渡凌工作。

2）在工程招标阶段，工程渡凌的冰情观测、冰情预报方案的编制、工程渡凌的工程措施均应纳入正常的招标程序，确保工程渡凌的工程措施和非工程措施的实施。

3）根据寒冷地区水利水电工程水文气象特性，编制施工期冰情预报，加强冰情观测，是当好防汛部门耳目和参谋的基础。

4）施工期应选择基坑上下游对工程渡凌不利的河段进行冰盖爆破，在开江期预先形成畅流河段，使上游河段的冰凌能顺利通过该河段，确保基坑安全。

5）在凌汛期成立工程渡凌领导小组，制定应急预案，储备必要的防凌物资，做好应急情况演练是做好工程安全渡凌的关键。

［1］杨昕，刘书宝，等嫩江尼尔基水利枢纽工程施工期冰情预报方案编制报告［R］.

［2］段元胜，等.冰凌爆破技术探讨［J］.冰川冻土，2003（S2）.

［3］王铁锋，刘书宝，等.寒冷地区水利水电工程施工期冰问题及对策［J］.冰川冻土，2003（S2）.