冬季寒冷地區(qū)河流渠道流冰問題分析

冬季寒冷地區(qū)河流渠道流冰問題分析

中國南北的橫跨走廊非常長，寒冷地區(qū)的天然河流和人工渠道面臨著不同程度的冬季冰。入冬季節(jié)形成大量的冰花,嚴重時不僅會阻塞水電站及引水渠道的進水口而降低輸水能力,影響正常發(fā)電及供水,還有可能在彎道淺水處形成冰塞并向上游推進,使上游壅水漫溢造成淹沒性災害。春季溫度逐步回升,冰蓋強度下降,加上受流量、水位波動的影響,冰蓋破裂而形成流冰。流動的冰塊對建筑物危害很大,如遇有冰塊卡堵還會形成冰壩,使上游水位猛漲,也會引發(fā)洪水。天然河流出現(xiàn)冰塞、冰壩等冰害會導致嚴重災情,國內(nèi)對此問題的解決方法是利用上游水庫控制下泄流量、下游分水渠道適時分水或者爆破。前者要求對河流進行統(tǒng)一管理聯(lián)合調(diào)度,統(tǒng)籌協(xié)調(diào)難度大,有時難免顧此失彼,而且在彎道淺灘處效果不大;后者成本很高,爆破過程中還可能對堤防和水上建筑物產(chǎn)生危害。對于人工渠道中的冰害問題,通常是優(yōu)化渠道設計并利用沿線控制結構對水流進行調(diào)節(jié),形成連續(xù)冰蓋后實現(xiàn)冰蓋下輸水,以及建造排冰閘和蓄冰調(diào)節(jié)水庫。國內(nèi)在冰蓋輸水方面已經(jīng)進行了一些嘗試并積累了一定經(jīng)驗,而爆破法的主要缺點在于排冰的同時需要消耗大量水,并不經(jīng)濟。由此可見,盡管我國河流渠道冬季流冰問題嚴重,但是在流冰控制技術方面方法不多且有很多不足。目前,國外已經(jīng)發(fā)展了多種控冰結構形式,并在運用過程中表現(xiàn)出了良好的效果。例如,美國Hardwick在1994年之前的三十年間經(jīng)歷了十次凌洪災害,但是在建造運用控冰結構之后凌災就再沒出現(xiàn)。基于這種背景,本文從結構形式、基本原理、主要優(yōu)缺點及在運用過程中存在的限制等方面對國內(nèi)外控冰結構的運用現(xiàn)狀作了分類綜述與比較。1控冰結構功能一般認為,形成冰塞的大致過程是大量流冰向下游輸運,當遇到障礙物時(可以是冰自身形成的冰蓋,也可以是彎道淺灘等自然存在障礙物,還可以是人為設置的障礙物),如果流速超過流冰臨界下潛速度,流冰就會下潛并在流速較小的斷面上浮堆積。因此,冰塞形成過程除了要具備大量流冰及障礙物等基本物質(zhì)條件以外,還取決于水表面坡度及流速等水力條件?？乇Y構的功能就是作為人為設置在歷史上冰害問題經(jīng)常發(fā)生位置的上游的障礙物,改善水力條件來控制冰塞形成,實現(xiàn)攔冰,以降低輸向下游的冰量,即通過改變冰塞發(fā)生的地點,實現(xiàn)河流渠道中冰的再分布,從而降低下游河段形成冰害的物質(zhì)條件。各種結構根據(jù)其對冰條件及水力條件的適應性可以分為如下3類。1.1堰-閘墩結構堰通常指較低的溢流壩,是典型的坐底壅水式控冰結構。根據(jù)堰頂水深的不同,堰對流冰的控制作用分為兩種形式。一種作用形式是當堰頂水深較大時,漂浮冰塊不會在堰頂發(fā)生擱淺現(xiàn)象,而是從堰頂漂流過去,水流則被部分截斷。我國已經(jīng)將堰的這種特性應用于引水電站前池的排冰工作中。另外一種作用方式是當堰頂水深較淺時,堰通過壅水使上游水流流速降低至臨界流速以下,則可以在封河期間減緩流冰下潛促使其形成冰蓋。冬季結冰蓋輸水實踐表明,水流流速降低至0.5m/s以下時就可以使流冰結成冰蓋,這個臨界流速數(shù)值和AndrewM.Tuthill對控冰結構的實際觀測也是一致的。形成的冰蓋不僅可以攔截上游來冰,還可以通過隔斷水體和大氣的熱交換減少冰花的產(chǎn)生,降低輸向下游輸冰能力較低河段的冰量和發(fā)生冰塞災害的可能性。開河期間,壅水能夠使流動的冰塊減速并在冰蓋前緣漂浮積聚,而水流則可以在積聚物下方從堰頂漫溢到下游。堰在封河期間若能保證足夠的壅水范圍則具有很高的可靠性。但是在開河期間,當冰蓋較薄時,若遇到水位上升或者來冰量過大,冰蓋強度不足以克服剪力的影響時,冰蓋就會破裂移向下游,使冰聚積物釋放,當河道較寬時這種現(xiàn)象更容易發(fā)生。因此,為提高結構開河期間的可靠性,堰通常還和其他結構聯(lián)合使用,如圖1所示的堰-閘墩結構形式。這種結構形式在堰頂部增加了以一定間隔布置的閘墩,前者用于產(chǎn)生壅水,而后者則主要用于穩(wěn)定形成的冰蓋或冰積聚物。柵欄/網(wǎng)相對來說屬于低成本的控冰結構。這種控冰結構安裝拆除方便,可以只在冬季使用且形式多樣。早期多是利用鋼纜或鋼架支撐排列好的木條組成柵欄,后來為進一步降低成本而多改用網(wǎng)結構。比較典型的是CRREL(1998)開發(fā)并在Ompompanoosuc河上進行現(xiàn)場測試的張力堰結構形式和BrainMorse(2006)提出的索-網(wǎng)結構形式。張力堰主要由繩網(wǎng)、支柱及頂部和底部兩道鋼纜組成。鋼纜由支柱撐起以保持一定間距,使繩網(wǎng)處于張緊狀態(tài),并將結構上面的載荷傳遞至岸邊深埋的水泥樁上面。當流冰在網(wǎng)上凍結或卡堵導致過水斷面束窄時,就可以在結構上游形成壅水,起到緩和上游水表面坡度及減緩流速的作用,如圖2所示。這種作用過程與堰通過壅水改善水力條件實現(xiàn)攔冰很相似。因結構橫斷整個斷面,在較大的水深或者較寬的河道中會有更大的水壓力作用在結構上,開河期間如果冰量過大,結構可能會失效,因此,這種結構適用于冰量較小且水深較淺的小型河流,且具有很好的經(jīng)濟性。BrainMorse提出的索-網(wǎng)結構形式是張力堰結構的一種改進形式。在索-網(wǎng)結構形式中,利用浮筒保持繩織網(wǎng)的張緊狀態(tài),這樣就在增加攔冰能力的同時取消了支柱的使用。帶來的問題是這種結構并不適用于很淺的水深,水深過淺會使下垂的浮筒凍結在河床上無法浮起,失去攔冰效果。坐底壅水式控冰結構中還有一種非典型的結構形式——壩。由于建壩成本高,故多是作為多功能的防洪發(fā)電結構而建造,為控制流冰而建壩的工程實例很少。壩體建成后,會在其上游形成水庫,如果庫容足夠大,則不僅可以為直接截留的冰花或冰塊提供儲存場所,還可以通過適當調(diào)蓄庫容,在很大程度上改變河道的熱力和水力條件進而影響上下游的冰情。大中型天然河流河道形態(tài)復雜,年徑流變化較大,流冰季節(jié)冰量大且冰情復雜,其他控冰結構形式的可靠性差。在這種河流上建造及運行水壩時,合理考慮壩對冰情的影響,充分發(fā)揮壩的控冰優(yōu)勢,可以在利用豐富水力資源的同時,實現(xiàn)工程的綜合效益。我國在黃河沿線水利設施的運行過程中,已對此有所認識,并且通過改進管理運行方式提高了對上下游冰情的控制力。1.2控冰結構形式的改進CRREL的研究人員經(jīng)過系統(tǒng)的冰水力學實驗提出了一種傾斜閘墩結構形式,并在美國佛蒙特州的Hardwick進行了原型測試。閘墩呈傾斜狀會使部分冰塊爬升,這種現(xiàn)象一方面會使結構垂向受力增加而提高結構穩(wěn)定性,降低建造成本,另一方面也會改變冰的破壞模式,即由擠壓破壞或屈曲破壞變?yōu)閺澢茐摹Ｓ捎诒膹澢鷱姸鹊陀跀D壓強度和屈曲強度,部分冰塊會破裂繼續(xù)輸向下游,特別是當冰塊比較薄時這種情況會更嚴重,從而增加了下游再次發(fā)生冰壩的可能性。CRREL的研究人員在為美國紐約州的CazenoviaCreek設計控冰結構時對此做了改進,采用圓柱結構形式來代替傾斜結構形式。冰水力學實驗結果表明這種方法可以提高攔冰效果。限制這兩種結構使用的不足之處在于它們要求對灘地河道相交處以及閘墩附近的河床和河岸進行保護,以減輕水流沖刷對結構穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響,同時還要求有相鄰的灘地讓水流經(jīng)過,限制了選址范圍。由于封冰期間閘墩上游不能形成冰蓋,為使開河期間結構前緣形成有效卡堵保證結構攔冰的可靠性,閘墩間距不能太大。實際觀測表明,上述兩種結構在布置形式經(jīng)過優(yōu)化設計后可以在流速1.0m/s的河道保證攔冰效果。如果在坡度更陡水流更急的河道中采用閘墩結構形式,勢必要大大減小結構之間的間隔以保證結構的攔冰效果,使得閘墩結構的優(yōu)勢變得不明顯。對此,BrainMorse(2006)提出了一種柱網(wǎng)形式的控冰結構。在這種結構形式中,由一定間隔的圓柱結構支撐懸網(wǎng),并且利用索扣把網(wǎng)的下端固定在河床上。模型實驗結果表明,一旦有冰塊擠入網(wǎng)中,這種結構形式就可以輕易地攔截流冰。柱網(wǎng)結構對閘墩結構主要改進之處在于它通過使用網(wǎng)結構增加了閘墩間距而不損失結構攔冰能力,從而減少了閘墩的數(shù)目。人工島作為坐底非壅水式控冰結構,和上述三種典型的坐底非壅水式控冰結構形式存在較大差異,這是由于它們的運用環(huán)境不同造成的。上述三種結構形式通常運用在河道中,在冰塊堆積體形成后可以通過河道的摩擦減輕結構的受力。但是,迄今為止,唯一應用人工島作為冰控結構的工程實例是在河湖匯合處。河流在此處變得坦寬,輸冰能力顯著下降,流冰通常聚集形成大面積的冰原并在水力風力驅動下發(fā)生移動。和其他控冰結構形式相比,人工島的最大優(yōu)勢在于其龐大的體積能夠可靠地抵抗冰原移動產(chǎn)生的巨大整體推力。1.3攔冰索與漂冰網(wǎng)控冰結構攔冰索是最典型的浮式控冰結構,如圖4所示,它通常由一系列的原木或者鐵制浮筒組成,用鐵鏈或者鋼索串在一起橫排在河面上,并用錨固端將兩端固定在岸邊。原木或浮筒之間留有一定距離以防止相互碰撞,錨固端附近也留有一定長度自由段以適應水深變化。攔冰索形式多樣,設計靈活,可以根據(jù)需要設計成單跨或者多跨,原木或浮筒截面可以是圓形或者矩形,并可以設計成雙排形式以增加原木或浮筒的穩(wěn)性,提高攔冰效果。傳統(tǒng)的攔冰索設計過程中一般認為攔冰索上游水力條件應滿足平均表面流速V≤0.7m/s,平均水深傅汝德數(shù)Fr≤0.08,即流冰在總體水平上可以平靠在攔冰索處,而不會下潛被沖向下游。盡管每年安裝和拆除攔冰索會帶來運營麻煩和成本增加,但是攔冰索建造成本和對環(huán)境負面影響都相對較低的優(yōu)勢使它成為應用最廣泛的控冰結構。需要注意的是,攔冰索是順應式的控冰結構,當作用在攔冰索的冰載荷超過一定程度時,浮筒就會部分下潛釋放截留下來的流冰以防止結構被破壞,由此引發(fā)的結構失效等后果在設計時必須加以考慮。漂浮攔冰網(wǎng)控冰結構最早是在1990年由Sahlberg開發(fā)出來的。他通過在鋼纜后增加漂浮帶狀網(wǎng)的方法治理瑞典Ume河上一些水電站取水口處由于冰花堵塞導致輸水能力下降的問題。AndrewLiddiard等人在解決加拿大蒙特利爾市的河流流冰問題中受到啟發(fā)。他們用攔冰索替代鋼纜和攔冰網(wǎng)組合使用,提高了攔冰能力,如圖5所示。測試原型監(jiān)測結果表明,由于冰花在帶狀網(wǎng)上的凍結使得攔冰索能夠在表面流速高達0.9m/s的河段促成冰蓋形成,而傳統(tǒng)攔冰索只能在平均表面流速不超過0.7m/s的河段才能達到預定效果。攔冰網(wǎng)結構放寬了攔冰索的適用水力條件限制,但也帶來了一些問題。主要問題是漂浮的帶狀網(wǎng)往往損壞嚴重,每年都需要修補更換;在有船只航行的河流中,帶狀網(wǎng)還可能纏繞推進器,影響航運;另外,受水流的影響,帶狀網(wǎng)還會發(fā)生卷曲及相鄰網(wǎng)之間的折疊而降低使用效果。2是否可以采用波動來考慮流冰的原因不同結構形式由于其特性各異,各自適用的冰條件和水力條件也有很大差異,如表1所示。坐底式結構從河床向上貫穿整個或部分水流斷面,所以相對于浮式控冰結構,這類結構更適用于攔截因為水流流速過大或者水表面坡度過陡而發(fā)生下潛的流冰,特別是對于其中利用混凝土、巖石等材料建造的永久性控冰結構,攔冰量大,表現(xiàn)出很高的可靠性,但其建造成本高昂,結構運用受水深限制嚴重。網(wǎng)結構降低結構成本的同時也降低了結構的攔冰量,所以在小型河流中顯示出良好的經(jīng)濟性。坐底壅水式結構在控制流冰時通過壅水改善上游水力條件后減緩流冰下潛實現(xiàn)攔冰的,因此必須考慮使用年限過長造成淤積產(chǎn)生的影響。坐底非壅水式控冰結構和坐底壅水式控冰結構相比,并沒有通過壅水來改善水力條件,而是利用原有不利水力條件,使流動冰塊下潛堆積形成連底凍或部分連底凍,而后使水流改道從相鄰的灘地泄向下游。舍棄壅水結構的做法,一方面避免了采用堰等壅水結構所受到的限制,使結構建造成本大大降低,從而對水深及河寬有更廣的適應性,并且因不會明顯改變上下游的水位,減輕了對生態(tài)環(huán)境的影響;另一方面則由于沒有壅水,冰花或碎冰無法在結構上游并置形成冰蓋,削弱了結構在封冰期間的作用,只適用于在開河期間攔截流動的冰塊。浮式控冰結構通常是利用漂浮的柔性結構對流冰進行控制,相對于坐底式控冰結構來說其受水深限制較小,但是對下潛的流冰控制力也較弱,所以這類結構一般對水力條件有嚴格的限制,要求流冰不能下潛或者僅少量下潛堆積。另一方面,相對于那些利用混凝土、巖石等材料建造的控冰結構來說,浮式控冰結構攔冰量小,一般只用于在封河期間攔截流動的冰花和碎冰促成冰蓋的形成或者在開河期間對流動冰塊起導漂作用或者短暫的攔截作用。人工輸水渠道在冬季為保證輸水安全而采取結冰蓋運行方式時,水流流速一般控制得較低,而且常對流冰采取分段消化的方法,以保護節(jié)制閘、倒虹吸、渡槽、取水口等水工建筑物所處的脆弱斷面。另外,人工輸水渠道一般河道寬度不大,形成的冰蓋或冰積聚物還可以由河道摩擦力為其平衡提供有利條件,從而降低結構受力,防止失效。因此,攔冰索在人工輸水渠道中有良好的適用性,且已應用于我國的工程實踐。3控冰結構設計運用問題我國冬季寒冷地區(qū)的河流渠道受流冰影響嚴重,控制方法有待改進和豐富。多