謝志剛 曾賀 李根

摘 要：采用航彈或炮彈轟擊冰壩是我國(guó)常用的消除凌汛險(xiǎn)情手段。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，跨河橋梁和水工建筑物逐年增多，加之氣象條件限制、彈藥彈著點(diǎn)精度低，滿足實(shí)施轟炸條件的具體地點(diǎn)已很少。統(tǒng)計(jì)黃河上游寧蒙河段冰壩形成至自潰（或?qū)е碌谭罎⒖冢┑臍v史數(shù)據(jù)，以2018—2019年度黃河凌汛期觀測(cè)到的一處冰壩自潰過(guò)程為例，在綜合分析兩類爆破方式效果的基礎(chǔ)上，提出在冰壩形成初期采用無(wú)人機(jī)載破冰彈消除冰壩險(xiǎn)情的應(yīng)用時(shí)機(jī)和使用方法。

關(guān)鍵詞：冰壩險(xiǎn)情;爆破法;無(wú)人機(jī);破冰時(shí)機(jī);黃河

Abstract：The aerial bombs or shells are often used to bombard against ice dams for eliminating the danger of flood in China. With the development of economy and society， bridges across rivers and hydraulic structures have been increasing year by year and the disadvantages of meteorological conditions， the low precision of ammunition impact points has been becoming more and more prominent， so there are few specific sites that meet the bombardment conditions so far. Based on the historical data that ice dams formed to self-burst or causing dyke breach in the history of Ning-Meng reach of the Yellow River， taking an ice dam self break process observed in 2018-2019 ice flood season as an example， the application opportunity and method of using airborne bomb by unmanned aerial vehicle to eliminate the danger of ice dam in the early stage of ice dam formation were proposed.

Key words： ice dam risk; blasting method; unmanned aerial vehicle; opportunity of breaking ice; Yellow River

1 前 言

黃河在開河期經(jīng)常出現(xiàn)冰壩險(xiǎn)情。封凍河道開河時(shí)，若流冰在狹窄、彎曲河段或淺灘處受阻大量堆積，水流迫使冰塊上爬下插，形成冰壩，壅塞河道，將致使上游水位急劇漲高，造成漫灘偎堤的嚴(yán)重凌情[1]。冰壩壅水后形成的冰凌洪水極易造成堤防滲水、漏洞、坍塌、滑坡等險(xiǎn)情，嚴(yán)重時(shí)引發(fā)堤防潰決或漫決，造成凌洪災(zāi)害。凌汛災(zāi)害是冬春季節(jié)黃河最突出、最重大的自然災(zāi)害，主要發(fā)生在黃河流域上游的寧蒙河段、中游的北干流河段以及下游的利津至河口河段，2000年后基本集中在黃河中上游段，下游凌汛險(xiǎn)情較大程度上得到緩解。

1986年以來(lái)，黃河內(nèi)蒙古河段因冰壩壅水造成的堤防潰口共有7次，最近一次于2008年3月20日發(fā)生在內(nèi)蒙古杭錦旗的獨(dú)貴塔拉鎮(zhèn)奎素段，黃河大堤先后有兩處潰堤，造成整個(gè)獨(dú)貴塔拉鎮(zhèn)被冰凌洪水淹沒(méi)。消除冰壩險(xiǎn)情是防凌的重要防汛措施，我國(guó)常用爆破法，利用火藥爆炸后的沖擊力直接或帶動(dòng)水壓力沖擊冰塊，造成冰壩坍塌下泄洪水，排除險(xiǎn)情。

2 冰壩觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

河道內(nèi)冰壩險(xiǎn)情按類型和程度可分為卡冰、堆冰和冰壩[2]。卡冰指流動(dòng)的大塊冰停滯在河道某處，造成過(guò)水?dāng)嗝姹涣鞅采w的現(xiàn)象。通常而言，卡冰范圍在幾百米內(nèi)，且在較短的時(shí)間內(nèi)可以自行潰決;在一個(gè)晝夜的冷熱循環(huán)后，卡冰如果沒(méi)有發(fā)生自潰，則繼續(xù)攔阻上游來(lái)冰，形成堆冰現(xiàn)象，堆冰的范圍在1 km以上，堆積厚度更大;堆冰如不破除，將演變成冰壩，冰壩的堆積范圍更長(zhǎng)，通常為2～3 km，有的可達(dá)到10 km。

每年開河期黃河河道都會(huì)多次形成冰壩，但并非每次都能引發(fā)堤防險(xiǎn)情。冰壩的形成、結(jié)構(gòu)特征、能否自潰與河道水流動(dòng)力、流冰數(shù)量和密度、熱力因素、河道彎曲程度、跨河建筑物阻擋等諸多因素有關(guān)，具有顯著的隨機(jī)性，預(yù)測(cè)難度大。已有統(tǒng)計(jì)資料顯示，1951—1983年黃河上游形成冰壩180次，其中39.4%的冰壩為自潰，人工干預(yù)致使其潰決的占51.7%，其他未記載潰決方式。引發(fā)堤防潰口的僅有兩個(gè)年度，共12處。

依據(jù)有冰壩發(fā)生和消亡數(shù)據(jù)的記錄，統(tǒng)計(jì)結(jié)壩歷時(shí)分時(shí)段頻次，見圖1。冰壩自行潰壩58次，結(jié)壩歷時(shí)最小值為2 h，最大值為76 h，中位值為24 h，其中28次記錄了冰壩高，壩高為0.3～3.0 m，潰壩次數(shù)較多的壩高是1.0 m和2.0 m，分別為9次和6次。采用航彈或炮彈轟擊潰壩72次，結(jié)壩歷時(shí)最小值為1 h，最大值為265 h，中位值為20.5 h，其中53次記錄了冰壩高度，壩高為0.5～3.5 m，潰壩次數(shù)較多的壩高是2.0 m和1.5 m，分別為16次和11次。其他50次冰壩生消數(shù)據(jù)不完整。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，自潰和爆破的冰壩歷時(shí)呈現(xiàn)了相同的統(tǒng)計(jì)特征。半數(shù)的冰壩都在形成24 h后消亡，每增加24 h，潰壩的數(shù)量都有較大的增長(zhǎng)。極少數(shù)冰壩存在時(shí)間能夠超過(guò)72 h。對(duì)于冰壩而言，每經(jīng)歷一次晝夜的熱力循環(huán)，就會(huì)增加潰壩的概率。

隨著龍羊峽、海勃灣水庫(kù)相繼投入運(yùn)行，黃河上游河道開河期的水量與天然河道時(shí)期相比明顯增大，堆冰和水位壅高速度加快。

2019年3月11日—12日，萬(wàn)家寨庫(kù)區(qū)水泥廠以上河段形成冰壩。壩頭位置在水泥廠水位計(jì)設(shè)置點(diǎn)下游附近。堆冰范圍自水泥廠一直到上游的S103大橋附近，長(zhǎng)度近7 km。3月11日冰壩形成，河槽靠向左岸附近（見圖2（a））;12日16時(shí)，左岸堆冰嚴(yán)重，河槽已移向右岸附近，壩下河道基本呈斷流無(wú)水狀態(tài)（見圖2（b））;12日18時(shí)45分冰壩發(fā)生自潰，河槽開始出現(xiàn)過(guò)水，至19時(shí)壩頭堆冰完全破裂，河道內(nèi)浮冰開始下泄，19時(shí)30分整個(gè)河道開河（見圖2（c）和圖2（d）），21時(shí)，河段內(nèi)堆冰和水量下泄完成。壩頭上游側(cè)的水位計(jì)記錄了水位變化過(guò)程，見圖3。

水位計(jì)記錄的數(shù)據(jù)表明，冰壩自形成到潰決，歷時(shí)35 h，壩高約為2.5 m，整個(gè)過(guò)程經(jīng)歷了兩個(gè)階段。第一階段自11日8時(shí)至19時(shí)，發(fā)生卡冰現(xiàn)象，造成水位急劇升高。第二階段為11日19時(shí)第一次卡冰壅水到12日19時(shí)自潰，歷時(shí)約24 h。其間，左側(cè)河槽卡冰后壅高水位，11日20時(shí)前后發(fā)生一次自潰，水位短時(shí)間下降后，流冰繼續(xù)堵塞河道，形成冰壩。12日18時(shí)至19時(shí)，水位再次達(dá)到峰值后壩體潰決。

3 破除時(shí)機(jī)

3.1 破冰的原則

冰壩的破除須遵循“安全第一，主動(dòng)防御，自下而上，先急后緩”的原則[2]。因?yàn)楸鶋坞U(xiǎn)情具有突發(fā)性強(qiáng)、發(fā)展迅速、發(fā)生位置不可預(yù)估的特點(diǎn)，實(shí)施爆破破冰一般均希望達(dá)到“一次實(shí)施，全面除險(xiǎn)”的目的，所以破冰時(shí)機(jī)的選擇是影響破冰效果最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

3.2 影響破冰時(shí)機(jī)的因素

影響破冰時(shí)機(jī)的主要因素為氣象條件、水動(dòng)力條件。

（1）氣象條件。無(wú)論是飛機(jī)投彈還是榴彈炮轟擊，均為非精準(zhǔn)性爆破，需要在目視條件良好的情況下進(jìn)行。夜晚、云量多且低于800 m的白天、雨雪天氣，能見度很低，無(wú)法開展爆破作業(yè)。根據(jù)氣象統(tǒng)計(jì)，內(nèi)蒙古河段開河期日均氣溫在-10～5 ℃之間，對(duì)爆破作業(yè)影響不大?？紤]日內(nèi)熱力變化的規(guī)律，日中后，冰壩及灘岸逐步積累熱量使地溫在15時(shí)左右達(dá)到最大，此時(shí)灘岸對(duì)冰塊的阻力最小，壩體最為松散。因此，在14時(shí)至16時(shí)破冰，破裂后的冰塊不易再次堆結(jié)，利于河道水量下泄。

（2）水動(dòng)力條件。河道水量表征了破冰的水動(dòng)力條件。在保證堤防安全的前提下，選擇河道內(nèi)水量處于較大值時(shí)破冰，增大了冰壩上下游的水位差，有利于冰壩潰決和增大水流流速，減小冰塊復(fù)卡的概率。潰壩洪水的洪峰流量和破壞力遠(yuǎn)大于暴雨洪水。王普慶等[3]在模擬冰壩潰壩物理模型試驗(yàn)基礎(chǔ)上，提出冰壩潰壩流量的計(jì)算可使用如下公式：

此項(xiàng)研究通過(guò)比較模擬河段同期多年平均流量，分析得出冰壩潰決發(fā)生的瞬時(shí)流量為常年平均流量的8～10倍[4]。由此可見，在估算河道槽蓄水增量、確定河道下泄流量的同時(shí)，還需計(jì)算潰壩后的瞬時(shí)流量，使其控制在允許范圍內(nèi)，以免影響河道工程和涉河建筑物安全運(yùn)行，引發(fā)次生災(zāi)害。

3.3 時(shí)機(jī)選擇

冰壩形成后壅高水位的速度較快，本著“以防為主，防搶結(jié)合，搶早搶小”的搶險(xiǎn)原則，在冰壩形成初期，盡早實(shí)施爆破，減少堤防險(xiǎn)情的發(fā)生。從上述分析看，冰壩在形成后的12～24 h內(nèi)自潰的概率較大，爆破時(shí)機(jī)宜選在冰壩形成24 h后開展。若受觀測(cè)條件限制，無(wú)法確定冰壩結(jié)壩的初始時(shí)間，則應(yīng)在冰壩歷經(jīng)一個(gè)晝夜后即刻開展破壩。

4 爆破方法

4.1 傳統(tǒng)爆破方法和局限性

冰壩形成后，人工干預(yù)消除冰壩是有效的防護(hù)和搶險(xiǎn)措施。分析現(xiàn)有應(yīng)用實(shí)例和科研成果，爆破消除冰壩法分為兩類，一類為使用航彈、迫擊炮彈或榴彈的轟擊式，另一類為定點(diǎn)施放高效炸藥的破擊式。自20世紀(jì)50年代，我國(guó)開始在黃河的開河期使用空軍轟炸機(jī)投彈爆破內(nèi)蒙古河段冰壩，70 a來(lái)幾乎年年實(shí)施。同時(shí)根據(jù)需要，也采用榴彈炮、迫擊炮等形式轟擊冰壩，都發(fā)揮了相應(yīng)的除險(xiǎn)作用;炸藥定點(diǎn)破冰是一種主動(dòng)干預(yù)的開河技術(shù)，主要應(yīng)用在開河前期，對(duì)面積大、厚度大、未發(fā)生松動(dòng)的冰蓋進(jìn)行多點(diǎn)連續(xù)爆破，造成冰體破裂，從而解除河段可能發(fā)生的卡冰威脅。從應(yīng)用情況看，這兩類方法僅對(duì)排除卡冰險(xiǎn)情效果較好。

采用航彈和重炮轟擊的方式優(yōu)勢(shì)在于破壞力強(qiáng)、爆破范圍廣，特別適用于堆冰長(zhǎng)度大的冰壩。河道彎曲、狹窄段和橋梁上游段是冰壩的易發(fā)地段，在無(wú)控制爆破下，高爆量對(duì)河床形態(tài)、堤防和水工程安全、涉河設(shè)施安全影響較大。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，跨河橋梁和水工建筑物逐年增多，村鎮(zhèn)建設(shè)發(fā)展迅速，適合開展爆破的地點(diǎn)已經(jīng)很少。此外，受氣象條件、地面引導(dǎo)的限制，著彈點(diǎn)精度不易控制。

爆破點(diǎn)的確定直接影響破冰除險(xiǎn)效果。根據(jù)內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)取得的冰壩潰壩條件研究成果，爆破點(diǎn)位置距壩頭前緣B/6處效果最好[5-6]。冰壩形成后，壩下斷流，堆冰布滿整個(gè)河道，如遇雪天，從空中和堤防上均很難準(zhǔn)確確定冰壩頭部位置。爆破點(diǎn)如果設(shè)置在壩下無(wú)水區(qū)域，將只能破碎冰塊而達(dá)不到利用水壓力沖擊壩體引發(fā)潰決的效果。中國(guó)水利水電科學(xué)研究院、黃河水利科學(xué)研究院和大連中?？萍加邢薰韭?lián)合采用無(wú)人機(jī)搭載雷達(dá)和高清攝像機(jī)在黃河和松花江上監(jiān)測(cè)冰壩[7]，在測(cè)量冰厚的同時(shí)能夠探測(cè)到壩下河槽，并連續(xù)記錄冰厚分布的位置坐標(biāo)，提高了爆破點(diǎn)的定位精度。

4.2 無(wú)人機(jī)載破冰彈定點(diǎn)消除冰壩方法

山東特種工業(yè)集團(tuán)與黃河水利科學(xué)研究院在前期研究成果基礎(chǔ)上，研發(fā)了無(wú)人機(jī)定點(diǎn)消除冰壩裝備，見圖4。該裝備以國(guó)內(nèi)某多旋翼無(wú)人機(jī)為飛控平臺(tái)，綜合使用定位、傘降、冰下爆破和自毀技術(shù)，集成圖像獲取機(jī)構(gòu)、破冰彈掛載釋放機(jī)構(gòu)、全保險(xiǎn)安全裝置，形成“偵察+破冰”的破冰系統(tǒng)。該裝備最大荷載30 kg，作業(yè)環(huán)境風(fēng)力要求不大于5級(jí)，單發(fā)破冰彈炸藥量為8～13 kg，航程時(shí)間1 h，能適應(yīng)高原作業(yè)。著彈點(diǎn)偏差半徑不大于25 m。

該裝備可與無(wú)人機(jī)雷達(dá)測(cè)冰厚裝備組合使用，接收爆破點(diǎn)坐標(biāo)后，飛臨爆破點(diǎn)上空約120 m投彈。破冰彈經(jīng)空中傘降調(diào)姿，在接觸冰面后瞬間完成破冰穿孔，并在冰下爆破，利用水壓沖擊破壞冰壩半徑大于4 m，且不影響河床形態(tài)。多架次操作可靈活控制爆破點(diǎn)走向和調(diào)整爆破量，能在卡冰、堆冰和冰壩形成的初期多階段實(shí)施，快速、精準(zhǔn)、安全地破除冰壩。整套系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便，具備多級(jí)安全裝置并具有自毀功能，爆破安全性高，實(shí)現(xiàn)了民用化。接到破冰指令，該裝備短時(shí)間內(nèi)即可抵達(dá)破冰現(xiàn)場(chǎng)，迅速抓住破冰時(shí)機(jī)，滿足機(jī)動(dòng)、靈活、應(yīng)急反應(yīng)迅速的破冰需求。

5 結(jié) 語(yǔ)

爆破破冰是高效消除冰壩險(xiǎn)情的常用手段。依據(jù)冰壩結(jié)壩歷時(shí)統(tǒng)計(jì)資料，破冰的時(shí)機(jī)在結(jié)壩24 h后為宜。無(wú)人機(jī)載破冰彈裝備具備定位準(zhǔn)確、落點(diǎn)精度高、操作安全簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，有很強(qiáng)的作業(yè)機(jī)動(dòng)性和靈活性，適用于卡冰、堆冰和冰壩形成初期多個(gè)階段。

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