紅旗泡水庫破冰開槽作用的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

姜連杰，賈 青，李紅衛(wèi)，韓紅衛(wèi)，李志軍

(1.黑龍江省引嫩工程管理處，黑龍江大慶163000;2.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116024; 3.黑龍江大學(xué)，哈爾濱150086)

1 引言

黑龍江省地處高寒地區(qū)，平原水庫在冬季必然發(fā)生冰凍的現(xiàn)象。當(dāng)春季氣溫升高時(shí)，冰層內(nèi)部產(chǎn)生的熱膨脹力會(huì)對(duì)建筑物的安全構(gòu)成威脅［1］。1995年黑龍江省水科所對(duì)省內(nèi)7座平原水庫調(diào)研，發(fā)現(xiàn)7座水庫中護(hù)坡發(fā)生嚴(yán)重破壞的占所調(diào)查水庫的42.8%。護(hù)坡在冰壓力的作用下，通常會(huì)產(chǎn)生冰推、冰拔、流冰撞擊破壞［2－3］。多年來，水利專家們一直在探索水庫護(hù)坡防凍害的工程措施，使用的方法主要有:①塑料薄膜引滑［4－5］，此種方法利用塑料薄膜將護(hù)坡和冰層分開，減小冰層膨脹變形所受的阻力，引導(dǎo)冰體上滑，削減了對(duì)護(hù)坡的直接作用力，避免或減輕護(hù)坡的破壞。在北方冬季應(yīng)用塑料引滑防冰法是目前中小型水庫對(duì)護(hù)坡維護(hù)的一種行之有效的方法，既經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便又實(shí)用。②破冰開槽［6－7］，該方法對(duì)大型的水庫有較好的適用性，通過合理的破冰開槽切斷冰層靜冰壓力對(duì)護(hù)坡的直接作用，避免護(hù)坡出現(xiàn)冰推和冰拔破壞。

黑龍江省引嫩工程紅旗泡水庫是一座大型的平原水庫，位于大慶市龍鳳區(qū)以東12.5 km處［8］。根據(jù)2008～2010年2個(gè)冬季利用固定點(diǎn)對(duì)冰槽前后兩側(cè)的測(cè)量點(diǎn)位移變化，對(duì)該水庫傳統(tǒng)破冰開槽的保護(hù)作用進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，提出改進(jìn)冰槽開挖方式的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，進(jìn)一步獲取更有價(jià)值的測(cè)量結(jié)果，支持平原水庫減輕冰推護(hù)坡的管理措施。

2 傳統(tǒng)破冰開槽

紅旗泡水庫冬季冰層存在時(shí)間約5個(gè)月，結(jié)冰厚度一般為1.0～1.2 m［9］。水庫管理處根據(jù)多年的管理經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合水庫的特點(diǎn)，采取破冰開槽的方式保護(hù)護(hù)坡。

初冬水庫封凍時(shí)因水結(jié)冰相變過程的體積增大也會(huì)引起冰爬坡，但此時(shí)對(duì)應(yīng)的冰厚＜40 cm，其爬坡作用不會(huì)給護(hù)坡帶來較大破壞。所以每年都是在冰厚達(dá)到30 cm以上才開始破冰。傳統(tǒng)開挖方式是將冰槽兩側(cè)開挖成垂直的長(zhǎng)方體直槽，如圖1(a)所示。圖中:H為冰槽到坡面距離，冰槽寬度D=0.5 m。每次破冰時(shí)采用人工鑿開一條冰槽，開挖的冰槽底面離水面的距離h=10～20 cm，并將破碎的冰塊清理干凈。此種冰槽的缺陷是:當(dāng)冰內(nèi)變形l＞D，會(huì)產(chǎn)生隆起，隆起過程中會(huì)消耗一部分靜冰壓力，剩余的壓力將繼續(xù)向前傳遞，如圖1(b)所求。如果剩余的壓力較大，此時(shí)護(hù)坡仍然會(huì)遭受冰推破壞。

圖1 傳統(tǒng)破冰開槽斷面及冰層彎曲隆起示意圖

3 破冰開槽效果的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

在冰槽兩側(cè)的冰面上固定兩根木板作為測(cè)量靶點(diǎn)，將靠近大壩護(hù)坡一側(cè)定義為前測(cè)量點(diǎn)，位于冰槽另一側(cè)的為后測(cè)量點(diǎn)。在護(hù)坡上確定一固定點(diǎn)，在不同時(shí)刻分別測(cè)量固定點(diǎn)到前測(cè)點(diǎn)和后測(cè)點(diǎn)的位移，分別稱之L1和L2，如圖2所示。定義兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)不同測(cè)量時(shí)間內(nèi)的位移的差值為ΔL1=L1，t1－L1，t2，ΔL2=L2，t1－L2，t2，沿大壩護(hù)坡每隔一定距離布置一組觀測(cè)點(diǎn)。

圖2 破冰槽變形測(cè)量示意圖

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，得到如下幾種觀測(cè)現(xiàn)象:

1)△L1、△L2都不隨時(shí)間發(fā)生變化，說明此時(shí)冰層沒有移動(dòng)。

2)△L1、△L2都隨時(shí)間發(fā)生變化，且△L1≈△L2，冰槽隨著前后測(cè)點(diǎn)一起發(fā)生了移動(dòng)，冰槽沒有起到作用，觀測(cè)也發(fā)現(xiàn)此處冰槽由于積雪的融化而被填平，未出現(xiàn)隆起。

3)△L1、△L2都隨時(shí)間發(fā)生變化，且△L1＞△L2，表明后測(cè)點(diǎn)處冰層膨脹也向著大壩方向，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)出現(xiàn)明顯的冰層爬坡現(xiàn)象，冰槽起到的作用不大。

4)△L1、△L2都隨時(shí)間發(fā)生變化，且△L1＜△L2，后測(cè)點(diǎn)位移遠(yuǎn)大于前測(cè)點(diǎn)位移，直至將冰槽填平甚至后期出現(xiàn)隆起，說明此處的冰槽發(fā)揮了保護(hù)作用。

4 破冰開槽改進(jìn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)想

通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)破冰開槽位置及開槽形狀的正確選取是冰槽發(fā)揮作用的關(guān)鍵。雖然水庫管理處每年都花費(fèi)人力進(jìn)行破冰開槽，但春季冰層膨脹對(duì)護(hù)坡的破壞作用仍然存在，每年需要維修。

為了更好地認(rèn)識(shí)破冰開槽的合理性，設(shè)計(jì)在2010～2011年冬季的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)中，開展一些試驗(yàn)。試驗(yàn)段位置選在水庫南站和東站之間，此處是該水庫經(jīng)常發(fā)生冰推破壞的區(qū)域。在距離坡面一定距離并沿著平行于壩軸線方向分別開挖，現(xiàn)場(chǎng)開挖平面布置如圖3所示。

圖3 冰槽開挖平面布置示意圖

在試驗(yàn)段內(nèi)，按距離坡面20 m、30 m、40 m、50 m分成4段，每段長(zhǎng)約300 m，在每個(gè)300 m距離內(nèi)又以150 m為分界，將冰槽開挖成兩種形式，進(jìn)行冰槽開挖效果的比較分析。A型:即傳統(tǒng)開挖形式，冰槽兩側(cè)為垂直開挖，如圖1(a)所示; B型:即改進(jìn)后的開挖形式，將靠近岸邊一側(cè)改為45°傾斜開挖，如圖4(a)所示。

B型冰槽開挖方式對(duì)傳統(tǒng)開挖方式做了改變，將靠近岸邊一側(cè)挖成45°斜面，其優(yōu)點(diǎn)是期望隆起的冰層可以沿著斜面向上滑動(dòng)，消耗大部分的靜冰壓力，可以避免冰槽兩側(cè)冰層之間互相“頂牛”，如圖4(b)。

圖4 改進(jìn)后的破冰開槽斷面及冰層斷裂示意圖

當(dāng)初春氣溫持續(xù)升高時(shí)，水庫冰層膨脹，水庫內(nèi)冰層產(chǎn)生的橫向應(yīng)力、護(hù)坡與冰槽之間的冰層產(chǎn)生的橫向應(yīng)力兩者同時(shí)在冰槽處釋放出來，產(chǎn)生位移，使冰槽處隆起，甚至于冰槽兩側(cè)發(fā)生斷裂。A型冰槽處冰層會(huì)產(chǎn)生彎曲隆起現(xiàn)象，如圖5;我們期望B型冰槽的隆起類似冰層爬坡(圖6)的效果。這樣爬坡會(huì)比圖5更容易釋放應(yīng)力。

圖5 破冰開槽處冰面隆起

圖6 冰層沿傾斜表面上爬

5 建議

1)通過破冰開槽傳統(tǒng)開挖方式與新型開挖方式的對(duì)比結(jié)果分析，找到最佳的開挖位置和開挖形式。

2)在冬季現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展理論分析。

3)在紅旗泡水庫建立示范基地，之后在其它寒區(qū)平原水庫中推廣。

［1］ 孫江岷，侯春燕，王德民，等.高寒地區(qū)平原水庫護(hù)坡冬季運(yùn)行破壞及預(yù)防措施［J］.黑龍江水利科技，1997，25(3):25－27.

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［3］ 趙明國(guó).淺談水工建筑物的冰凍破壞及防治［J］.黑龍江科技信息，2007，35(9):217.

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