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.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧大連116024; 3.黑龍江大學，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。當春季氣溫升高時，冰層內(nèi)部產(chǎn)生的熱膨脹力會對建筑物的安全構成威脅［1］。1995年黑龍江省水科所對省內(nèi)7座平原水庫調(diào)研，發(fā)現(xiàn)7座水庫中護坡發(fā)生嚴重破壞的占所調(diào)查水庫的42.8%。護坡在冰壓力的作用下，通常會產(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坡和冰層分開，減小冰層膨脹變形所受的阻力，引導冰體上滑，削減了對護坡的直接作用力，避免或減輕護坡的破壞。在北方冬季應用塑料引滑防冰法是目前中小型水庫對護坡維護的一種行之有效的方法，既經(jīng)濟簡便又實用。②破冰開槽［6－7］，該方法對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護坡的直接作用，避免護坡出現(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個冬季利用固定點對冰槽前后兩側(cè)的測量點位移變化，對該水庫傳統(tǒng)破冰開槽的保護作用進行分析。在此基礎上，提出改進冰槽開挖方式的現(xiàn)場試驗，進一步獲取更有價值的測量結果，支持平原水庫減輕冰推護坡的管理措施。

2 傳統(tǒng)破冰開槽

紅旗泡水庫冬季冰層存在時間約5個月，結冰厚度一般為1.0～1.2 m［9］。水庫管理處根據(jù)多年的管理經(jīng)驗，并結合水庫的特點，采取破冰開槽的方式保護護坡。

初冬水庫封凍時因水結冰相變過程的體積增大也會引起冰爬坡，但此時對應的冰厚＜40 cm，其爬坡作用不會給護坡帶來較大破壞。所以每年都是在冰厚達到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:當冰內(nèi)變形l＞D，會產(chǎn)生隆起，隆起過程中會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，此時護坡仍然會遭受冰推破壞。

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)場觀測

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

圖2 破冰槽變形測量示意圖

經(jīng)過現(xiàn)場觀測，得到如下幾種觀測現(xiàn)象:

1)△L1、△L2都不隨時間發(fā)生變化，說明此時冰層沒有移動。

2)△L1、△L2都隨時間發(fā)生變化，且△L1≈△L2，冰槽隨著前后測點一起發(fā)生了移動，冰槽沒有起到作用，觀測也發(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都隨時間發(fā)生變化，且△L1＞△L2，表明后測點處冰層膨脹也向著大壩方向，現(xiàn)場觀測出現(xiàn)明顯的冰層爬坡現(xiàn)象，冰槽起到的作用不大。

4)△L1、△L2都隨時間發(fā)生變化，且△L1＜△L2，后測點位移遠大于前測點位移，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)揮了保護作用。

4 破冰開槽改進和現(xiàn)場試驗設想

通過現(xiàn)場觀測，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)揮作用的關鍵。雖然水庫管理處每年都花費人力進行破冰開槽，但春季冰層膨脹對護坡的破壞作用仍然存在，每年需要維修。

為了更好地認識破冰開槽的合理性，設計在2010～2011年冬季的現(xiàn)場觀測中，開展一些試驗。試驗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

在試驗段內(nèi)，按距離坡面20 m、30 m、40 m、50 m分成4段，每段長約300 m，在每個300 m距離內(nèi)又以150 m為分界，將冰槽開挖成兩種形式，進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)點是期望隆起的冰層可以沿著斜面向上滑動，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 改進后的破冰開槽斷面及冰層斷裂示意圖

當初春氣溫持續(xù)升高時，水庫冰層膨脹，水庫內(nèi)冰層產(chǎn)生的橫向應力、護坡與冰槽之間的冰層產(chǎn)生的橫向應力兩者同時在冰槽處釋放出來，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。這樣爬坡會比圖5更容易釋放應力。

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比結果分析，找到最佳的開挖位置和開挖形式。

2)在冬季現(xiàn)場觀測資料基礎上，進一步開展理論分析。

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)平原水庫護坡冬季運行破壞及預防措施［J］.黑龍江水利科技，1997，25(3):25－27.

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［5］ 李平化，劉乃福.勝利水庫壩坡塑料薄膜引滑防冰法多年應用效果淺析［J］.黑龍江科技信息，2008(5):35.

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