王普慶 劉剛森 王暉

摘要：河道冰壩形成后，一方面改變了河道的過流形態(tài)，另一方面冰壩以上河段水位逐漸抬升，同時下游河段的流態(tài)也將發(fā)生根本性變化。當(dāng)冰塊和水量集聚達到一定程度時，終將造成潰壩。試驗結(jié)果表明：冰壩高度不同，潰決時形成的水流速度不同，壩體越高，潰壩流速越大。研究冰壩潰決時水力要素變化特征，對于凌情災(zāi)害的預(yù)防具有重要的參考價值。

關(guān)鍵詞：冰壩;壅冰;壅水;潰壩;試驗研究

中圖分類號：P333 文獻標志碼：A

1 概述

流冰在河道內(nèi)受阻，冰塊上爬下插或擠壓堆積形成阻水冰體，猶如在河道中筑起一座攔河浮壩，嚴重阻塞過水?dāng)嗝?，這種現(xiàn)象稱為冰壩。冰壩發(fā)生的時間、地點具有隨機性，可在極短時間內(nèi)形成漫灘決堤的凌汛險情[1]。冰壩形成后，水位不斷壅高，當(dāng)作用在冰蓋上的水壓力超過岸邊及河床阻力，其冰蓋強度不能抵抗不斷增加的靜水壓力時，冰壩將潰決。

冰壩往往是由“武開河”造成的，武開河一般是上游流域氣溫突變或在開河期有集中性降雨，導(dǎo)致河道水位迅速上漲，迫使冰蓋發(fā)生破裂而開河，流冰量多而集中，且冰質(zhì)堅硬，在特定的河道地形條件下，譬如河道束窄段、連續(xù)彎道、淺灘、未解凍的封凍河段等，造成冰凌的堆積，形成冰壩[2]。關(guān)于冰壩的演變，有學(xué)者基于冰蓋斷裂機理并耦合冰蓋材料熱力性質(zhì)，結(jié)合水力學(xué)模型，利用數(shù)值模擬得到開河判別模型，模擬開河期流量與冰蓋下壓力變化的關(guān)系，研究流量變化對開河時機的影響[3]。對于冰壩危害模擬，史興隆等[4]以黃河寧蒙段凌汛期的險工段為原型，首次建立了模擬黃河上游凌情的冰壩實體模型，研究成果表明，一旦形成冰壩，宜在2h內(nèi)采取爆破措施，促使其潰決，以減少冰壩帶來的危害。目前，針對冰壩潰決水流特性的研究成果并不多見，即便是對一般性的潰壩（例如土石壩、混凝土壩）水流特性的研究，也僅側(cè)重于壩下游的洪水演進過程，而針對潰決時水流的水力特性、流場結(jié)構(gòu)的研究較少[5]。

冰壩潰決時，河道下泄流量突然增大，有關(guān)河段易漫溢造成堤防決口，隨著潰口流速的突然增大，水流與冰塊具有較大的動量，對河道工程及涉河建筑物的安全將產(chǎn)生嚴重的影響。研究冰壩潰決時的水力要素變化特征，對于預(yù)防和避免冰壩潰決帶來的安全隱患具有重要的現(xiàn)實意義。

2 冰凌模擬概述

2.1 冰凌運動的相似律

冰凌運動實際上是個兩相流問題，冰塊是漂移質(zhì)，在流冰暢通的情況下，冰塊運動主要取決于表面水流流速，一旦冰塊運動遇到障礙，則冰塊運動（如下潛、插堵、破碎等）不僅與水力因素有關(guān)，而且與冰塊熱力學(xué)性質(zhì)（如密度、摩擦系數(shù)、抗壓抗彎強度等）有關(guān)。只有液相和固相都滿足相似條件，才能達到冰凌運動相似。

關(guān)于水力學(xué)的模型相似律，目前研究已比較成熟，對通過泄水建筑物的水流進行模擬，一般按重力相似準則設(shè)計，由于目前對冰凌運動規(guī)律研究還不成熟，因此對其模型律的研究尚處于探索階段。冰凌運動的模擬，除了必須滿足水流條件相似外，還必須滿足冰凌運動的相似，主要包括以下5個相似條件[6-8]：①水流條件相似，即滿足重力相似準則Q=λ_L²λ_H^0.5;②冰流量相似，即λ_Q'=λ_ηλ_Lλ_Hλ_ν;③冰塊運動相似，即;④堆冰潰決相似，即⑤浮冰相似，即λ_ρ'=1。式中：Q為流量，m³/S;Q'為冰流量，m³/s;η為流冰疏密度;L為河長，m;H為水深，m;v_c為冰塊下潛臨界流速，m/S;ρ、ρ'分別為水、冰的密度，t/m³;γ為水的密度，t/m³;v為水流流速，m/S;C為謝才系數(shù);R_i冰塊極限抗彎強度，t/m²。

2.2 模型概況

試驗河段位于內(nèi)蒙古自治區(qū)清水河縣岔河口村，在萬家寨水庫回水變動區(qū)范圍內(nèi)，上距頭道拐水文站56.61km，上游14.9km處為拐上水位站，下距萬家寨水庫大壩57.2km。黃河流經(jīng)此處已從河道蜿蜒的平原河段進入深山峽谷段，斷面形態(tài)為U形，斷面平均寬度為300m。該河段坡陡流急，沖淤和擺動頻繁，彎多、灘多，喇嘛灣以下峽谷段比降逐漸增大至0.1%以上。

模型進口和出口水位分別由拐上水位站和荒地水位站控制，模擬河段長度21km，斷面布置見圖1，試驗現(xiàn)場情況見圖2。模型水平比尺為1：200，垂直比尺為1：60，流速比尺為1：7.75，流量比尺為1：92952，糙率比尺為1：0.81，水流運動時間比尺為1： 25.8[9]。

2.3 冰塊的模擬

流冰試驗?zāi)Ｐ图纫獫M足以阻力相似為主的水流相似條件，也應(yīng)滿足以重力相似為主的浮冰運動特性的相似條件，因此試驗要求冰塊的容重、摩擦系數(shù)等與原型相似，并且力求模型冰塊體積、大小、數(shù)量等與原型相似。

試驗?zāi)Ｐ筒捎檬灢⑻砑由倭渴喾圩鳛槟M冰，其容重為0.910t/m³，與天然冰的容重0.917t/m³接近。石蠟的摩擦系數(shù)較天然冰大，且石蠟具有非浸濕性，而天然冰是有浸濕性的。這些對于它與水的表面張力之間的相互影響以及冰塊之間的摩擦現(xiàn)象，難以做到完全相似。為減小冰塊間摩擦阻力不相似的問題，試驗過程中增加了自然形狀（無規(guī)則）冰及大塊岸冰來增加石蠟?zāi)Σ料禂?shù)，“冰塊”之間由于摩擦系數(shù)增大，其邊角極易搭接形成相對穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，隨著來冰量的增加，一旦出現(xiàn)較大冰塊觸岸或遇灘“擱淺”，就可能與上游的浮冰“粘連”疊加，由小到大，由薄而厚，冰壩體不斷被充實膨脹，使模型冰聚集形成冰塞，致使河道過流量減小，逐步形成了堵塞河道的冰壩。

據(jù)原型觀測資料，原型冰塊面積在300～900mm²之間。模型冰以工業(yè)石蠟和石膏粉為主要成分，容重為0.910t/m³，接近原型冰容重0.917t/m³，基本保障模型浮冰運動特性相似[8]，并以一定級配定制成模型冰塊（見圖3）。加冰方法參考河道來冰量在模型進口施放，輔以沿程兩岸加冰作為初始冰蓋層。

2.4 模型驗證

模型驗證是確認試驗相似的重要環(huán)節(jié)。模型的邊界條件主要包括地形和進、出口水位控制。模型地形是在2004年汛后實測斷面數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合萬分之一河道地形圖（1998年測繪）確定;模型進口水位采用拐上水位站相應(yīng)時段的水位控制，模型尾門水位采用壩前2005年凌汛開河期水位。在模型驗證方面，由于原型河段缺乏水文觀測資料，因此通常依據(jù)原型水位資料進行驗證，并依據(jù)試驗驗證情況，調(diào)整模型比尺、地形等，直至達到試驗要求的條件。從驗證情況看，在有冰條件下，拐上及沿程試驗觀測水位均與相應(yīng)原型表現(xiàn)出較好的一致性（見圖4）。試驗結(jié)果表明模型在水流運動、河床阻力等方面具備一定的相似性，模型可用于模擬天然河道水流運動情況。

3 水力要素變化特點

3.1冰壩壅冰高度及歷時

隨著河道上游持續(xù)開河，河道水量和過冰量不斷增加，一旦出現(xiàn)較大冰塊觸岸或遇灘“擱淺”，進而與浮冰“粘連”疊加，由小到大，由薄而厚，由低到高，隨著大小不等的冰塊的下潛和摻人，冰壩體不斷被充實而膨脹，冰塊持續(xù)被阻滯，致使河道過流量減小，直至河道完全被攔截，形成冰壩。根據(jù)試驗觀測結(jié)果，冰壩形成高度與下游控制水位有關(guān)，3個不同的控制水位，冰壩形成的時間分別為2.2、2.5、2.8 d，壅冰量分別為1.00萬、1.15萬、1.24萬m³，見表1。

3.2 潰壩水流特性變化

試驗過程中，隨著流冰量和流冰強度的增大，冰壩不斷升高，壅水壅冰長度逐漸增大（圖5為冰壩形成時的情形），壩前動水壓力與河道靜水壓力之和大體等于河道對冰壩的約束力[10]，當(dāng)冰壩達到一定高程時，壩前水壓力（動水與靜水壓力）將大于冰壩自身所承受的極限壓力值，壩體冰凌失去前端支撐而逐步潰散，逐步下滑并破裂，最終形成潰壩。

根據(jù)試驗觀測結(jié)果，當(dāng)局部裂口時，決口處單寬流量增大，局部水流速度增大，并持續(xù)一定時間。圖6為不同控制水位條件下，試驗觀測的潰決口斷面局部水流特性變化情況，由圖6可看出，在冰壩潰決過程中，流速總體上表現(xiàn)為2個提升過程：首先，大致歷時400s，由零增大至6.7～7.0m/s，局部水流速度增大較多;然后，再經(jīng)過約600s的潰口范圍擴大，水流速度達到最大，最大流速大致在9.5～11.0m/s之間，流速的大小與壩體的高度有關(guān)，壩體越高則最大流速越大（見表2），試驗中測得壩高為7.21m時瞬時流速為11.07m/s。潰口水位在經(jīng)歷短暫（約2000s）的快速泄流后，水位開始急速下降，此時泄流量由峰值轉(zhuǎn)向谷底，而潰口寬度變化梯度較大，約在1000s內(nèi)接近定值。

3.3 冰壩潰決時河道流量估算

潰壩流量計算多采用經(jīng)驗公式，冰壩潰決雖異于一般的土石壩潰決，但二者的水流變化規(guī)律相近，鑒于此，潰壩流量的計算可參考文獻[11]中的修正公式：式中：Q為潰壩流量，m³/s;B為河寬，m;h。為壩前水深，m;g為重力加速度，m²/s。

河道寬度為300m，計算得到的潰壩流量見表2。按照該河段1-4月多年平均流量500m³/s計算，冰壩潰決所產(chǎn)生的瞬時流量為常年平均流量的8～10倍，這將對河道工程和涉河建筑物的安全運行造成威脅。

4 結(jié)語

應(yīng)用實體模型試驗解決各種水利工程問題是公認的一種有效技術(shù)手段，冰壩的形成和潰決涉及水流、氣候、河道邊界條件等因素。根據(jù)模型相似律，通過對冰壩的形成和潰決的模擬，了解和掌握冰壩形成和潰決的基本特點，同時，通過試驗觀測，取得了冰壩潰決時水力要素的變化特性，為凌汛期的防洪防凌提供了理論依據(jù)。冰壩的高度與下游控制水位有關(guān)，水位越高，形成的壩體越高，壅冰量越大;冰壩壅高至一定程度時，冰壩開始潰決，潰壩初期，最大流速在6.5～7.0m/5之間，隨著裂口寬度的增大，最終冰壩完全潰決，最大流速大致在9.5～11.0m/5之間。試驗結(jié)果表明：壩高不同，冰壩潰決時形成的水流速度不同，壩體越高則潰壩流速越大，對河道和周圍工程的破壞作用越強，尤其是下游附近的涉河建筑物，如橋墩、護岸工程等。因此，在凌汛期，尤其是易形成冰塞、冰壩的河段，應(yīng)引起河道防汛和交通安全管理部門高度重視，加強凌汛期對河道水文和冰情的監(jiān)測，采取相應(yīng)的預(yù)防措施。

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