姜連杰，劉 偉，李紅衛(wèi)

(黑龍江省引嫩工程管理處，黑龍江大慶163316)

消能網(wǎng)箱減小水庫(kù)壩體冰推力效果的分析

姜連杰，劉 偉，李紅衛(wèi)

(黑龍江省引嫩工程管理處，黑龍江大慶163316)

寒區(qū)平原水庫(kù)冬季冰層膨脹對(duì)岸坡造成嚴(yán)重破壞，傳統(tǒng)破冰方式具有較大局限性，采用消能網(wǎng)格(或箱)可以減小冬季冰層膨脹對(duì)岸坡造成的破壞。在適合情況下推廣，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

水庫(kù);封凍期;冰推力;護(hù)坡破壞;消能網(wǎng)箱;保護(hù)效果

1 基本概況

紅旗泡水庫(kù)位于大慶市區(qū)東北部，占地為大慶市和安達(dá)市。水庫(kù)樞紐主要由均質(zhì)土壩、進(jìn)水閘、泄水閘及泵站組成。大壩全長(zhǎng)25 km，庫(kù)區(qū)面積為35.3 km2，是我國(guó)北方典型的平原型水庫(kù)。水庫(kù)每年4月下旬開(kāi)始引水蓄水，11月上旬停止引水，水庫(kù)每年10月下旬～11月開(kāi)始形成冰蓋，次年3～4月開(kāi)始融化，冰層存在時(shí)間5個(gè)月，結(jié)冰厚度在1.0～1.2 m。每個(gè)結(jié)冰期有兩次大的冰推爬坡，第一次在12月上旬的封庫(kù)結(jié)束后，第二次在次年3月份開(kāi)春融冰開(kāi)庫(kù)前。紅旗泡水庫(kù)冰推護(hù)坡破壞見(jiàn)圖1。

圖1 2010年紅旗泡水庫(kù)冰推護(hù)坡破壞情景圖

2 冰推原因分析

紅旗泡水庫(kù)雖然每個(gè)結(jié)冰期有兩次冰推爬坡，根據(jù)水庫(kù)管理者多年的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，水庫(kù)的冰推破壞在第一次冰推時(shí)并不明顯，破壞主要發(fā)生在第二次冰推期，即:每年開(kāi)春冰融化季節(jié)。

冰融化季節(jié)冰推爬坡主要原因是由于冰溫升高引起冰的熱膨脹。冰作為固體材料向水相轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，在冰層得到正能量時(shí)，冰層溫度升高，由于熱脹冷縮的性質(zhì)，導(dǎo)致冰內(nèi)晶粒體積增大［1］。冰層剩余體積增量將會(huì)導(dǎo)致冰層產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，最后以冰層水平運(yùn)動(dòng)、冰層斷裂和爬坡的形式卸載，直至抵抗冰層運(yùn)動(dòng)的摩擦力同冰層內(nèi)應(yīng)力平衡時(shí)冰層才會(huì)穩(wěn)定融化。春季冰層內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)大靜冰壓力對(duì)水庫(kù)護(hù)坡產(chǎn)生破壞的原因主要有3點(diǎn):①在冰蓋壓力作用下，在熱膨脹過(guò)程中，冰體在豎直方向的靜冰壓力增長(zhǎng)速度小于在水平方向的增長(zhǎng)。②冰溫升降的變化相對(duì)氣溫變化有滯后的時(shí)間，且隨冰層深度增加滯后明顯，從而導(dǎo)致冰層上下部分膨脹不一致，上層膨脹受到下層膨脹約束，其體積膨脹產(chǎn)生的靜冰壓力在水平方向增長(zhǎng)較大［2］。③在冰層水平膨脹的過(guò)程中，由于受到護(hù)坡邊界條件的約束，冰層膨脹力對(duì)護(hù)坡及水庫(kù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。

3 傳統(tǒng)防冰推措施

多年來(lái)，紅旗泡水庫(kù)一直在探索水庫(kù)護(hù)坡防凍害的工程措施。目前最有效的措施是破冰開(kāi)槽，通過(guò)合理的破冰開(kāi)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，該方法對(duì)大型水庫(kù)有較好的適用性。

圖2 傳統(tǒng)破冰模式圖

傳統(tǒng)的破冰開(kāi)槽方法具有很大的局限性，首先是冰凍是一增長(zhǎng)、變化的過(guò)程，具體把握在什么時(shí)間開(kāi)始破冰不好掌握，二是破冰的深度不好掌握，完全破透冰層，水庫(kù)下層液相水會(huì)補(bǔ)充上來(lái)，很快又形成完整的冰體，不完全破透冰層，剩余厚度冰層仍然會(huì)傳遞壓力，如果剩余壓力較大，此時(shí)護(hù)坡仍然會(huì)遭受冰推破壞。

4 防冰推的設(shè)想

在三北高寒地區(qū)的冰凍水面上，為減少或降低冰凍脹推力對(duì)水工建筑物的破壞，常規(guī)做法是采取人工開(kāi)槽破冰的方式，以減少冰的東脹推力;在一個(gè)冰凍期期間，須多次或持續(xù)破冰，而由于受開(kāi)槽深度、寬度以及破冰次數(shù)的(間隔周期)連續(xù)性的制約，降低或消除冰凍脹推力的效果不是很理想，采用柔性材料在冰槽位置形成隔離帶，對(duì)于冰推消能效果明顯。

1)擬采用柔性可壓縮材料(如聚乙烯泡沫)制作成一定寬度、高度、不同形狀的網(wǎng)格(或箱)，進(jìn)入冰凍期，當(dāng)冰凍達(dá)到一定厚度時(shí)，一次開(kāi)槽破冰將網(wǎng)格(或箱)置入冰凍水面。當(dāng)冰凍期結(jié)束時(shí)將網(wǎng)格(或箱)取出回收循環(huán)利用。此方式用來(lái)消除冰凍推力有以下3點(diǎn):①網(wǎng)格(或箱)置入，使原連續(xù)冰凍層有了隔斷分為兩塊，致使冰凍推力不能連續(xù)、持久地對(duì)建筑物產(chǎn)生作用;②通過(guò)網(wǎng)格(或箱)壓縮分解作用，致使冰凍推力大部分消散和分解;③網(wǎng)格(或箱)高度是冰凍期內(nèi)冰層最大厚度設(shè)定，其寬度和形狀以能夠最大效能消散和分解冰凍推力而設(shè)定。

2)擬采用柔性可壓縮材料(如聚乙烯泡沫)制作成一定寬度、高度、不同形狀的網(wǎng)格(或箱)，在秋季水庫(kù)水位較高時(shí)，在重點(diǎn)地段下到壩坡前固定，首先解決秋季大風(fēng)期風(fēng)浪對(duì)壩體的破壞，冬季在冰層中起到緩解靜冰壓力對(duì)壩體的作用。該方案時(shí)，網(wǎng)格(或箱)上必須要有不同比例配重，網(wǎng)格(或箱)之間采用凸凹槽嵌接。

圖3 消能網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)圖

5 預(yù)期效果

消能網(wǎng)箱減成果在三北高寒地區(qū)冰凍水面得以應(yīng)用，對(duì)受冰凍脹力損害的水工建筑物，將起到很好的保護(hù)作用，可節(jié)省大量的管理、維護(hù)、維修費(fèi)用，延長(zhǎng)水工建筑物使用壽命，將會(huì)產(chǎn)生顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

［1］馬蘇里，張來(lái)文，等.冰推力作用對(duì)泥河水庫(kù)工程的影響［J］.黑龍江水利科技，2007，35(2):111-112.

［2］姜連杰，盧永超，等.紅旗泡水庫(kù)冰層變形及護(hù)坡破壞現(xiàn)象成因分析［J］.水利水電技術(shù)，2011(7):33-36.

TV653

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1007-7596(2011)04-0168-02

2011-06-20

姜連杰(1966-)，男，黑龍江安達(dá)人，高級(jí)工程師，從事水利工程管理工作;劉偉(1968-)女，黑龍江哈爾濱人，助理工程師，從事水利工程管理工作;李紅衛(wèi)(1968-)，男，黑龍江安達(dá)人，助理工程師，從事水利工程管理工作。