機(jī)械防凌破冰裝備任務(wù)分析與工況設(shè)定

劉一川LIU Yi-chuan；吳建明WU Jian-ming；劉彬LIU Bin；朱寧ZHU Ning

（軍械工程學(xué)院裝備指揮與管理系，石家莊 050003）

（Department of Equipment Command &Management，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

0 引言

任何裝備都是在一定任務(wù)背景下使用的，其承擔(dān)任務(wù)的分析深度決定了其未來裝備的生命力。同時(shí)，裝備工況的設(shè)定基于對(duì)環(huán)境的分析結(jié)論，以及對(duì)于現(xiàn)有和未來破冰方法應(yīng)用的需求，對(duì)于裝備的適用性也將產(chǎn)生決定性的作用。因此，在對(duì)機(jī)械防凌破冰裝備進(jìn)行概念設(shè)計(jì)前，必須要做好裝備的任務(wù)分析和工況設(shè)計(jì)。

1 裝備任務(wù)分析

裝備是為了執(zhí)行規(guī)定的任務(wù)而設(shè)計(jì)制造的，因此，裝備的任務(wù)設(shè)定是工況分析的基礎(chǔ)。2010 年，國(guó)家防總、水利部委托黃河水利委員會(huì)在鄭州組織召開了“河道破冰減災(zāi)應(yīng)用技術(shù)研討會(huì)”，黃河防總針對(duì)黃河冰情特點(diǎn)，結(jié)合黃河防凌實(shí)際，提出以下五種河道破冰需求：一是封河期短河段冰蓋破除。該時(shí)期冰蓋的破除主要是針對(duì)流凌初封期，受短時(shí)冷空氣影響，局部河段出現(xiàn)較短長(zhǎng)度的首次封凍。二是開河期長(zhǎng)河段冰蓋破除。開河期河段上、下游已基本開通，但局部河段遲遲不開，嚴(yán)重影響上游冰凌洪水下泄，且可能在該河段形成冰壩，產(chǎn)生漫灘、決堤等凌汛災(zāi)害。三是冰塞破除。主要表現(xiàn)：在流凌封河期，下游河段處于封河期，上游流凌冰花在局部河段逐漸形成冰塞，冰下過流能力減小，致使某河道斷面長(zhǎng)時(shí)期為小流量過程，造成不利的防凌形勢(shì)。四是冰壩破除。在開河期，上游解凍破碎后的大冰塊在狹窄、彎道、淺灘、水庫(kù)回水末端等處上爬下插而形成冰壩，導(dǎo)致河水猛漲，類似于冰體堰塞湖。五是局部隱患消除。局部隱患主要是受河道邊界條件影響，大冰塊卡塞或冰塞冰壩位置處于橋梁或狹窄、彎道以及臨近工程等河段。

根據(jù)凌汛產(chǎn)生機(jī)理和防凌要求，確定的防凌破冰裝備的主要任務(wù)及指標(biāo)如下：

1.1 開鑿流凌通道。冰壩攔水是凌災(zāi)形成的終極條件，而這一條件的形成，必須有三個(gè)前提，一是上游來冰，二是有阻冰冰蓋，三是有較多的河槽蓄水。就目前的技術(shù)而言，上游來冰是無法阻止的，而河槽蓄水只能通過水庫(kù)調(diào)節(jié)而減少，但無法控制在凌災(zāi)下限以內(nèi)。因此，比較有效的方式是：在凌災(zāi)險(xiǎn)情高發(fā)地區(qū)的冰蓋上開鑿出流凌通道，以消除阻冰條件，從而消除該地區(qū)的凌災(zāi)。

1.2 破碎大塊流凌。流凌通道開鑿以后，可能由于大粒徑、高密度的流凌產(chǎn)生阻礙，重新形成阻冰體，同時(shí)，對(duì)于某些人工建筑（如橋梁等），其橋墩跨距相對(duì)于流凌粒徑，其通過能力不足的情況也時(shí)有發(fā)生。因此，需要在大塊流凌接近易卡冰點(diǎn)之前將其破碎為小塊流凌。

1.3 破除冰壩?？紤]到經(jīng)濟(jì)和工程實(shí)現(xiàn)方面的原因，不可能在幾千公里的戰(zhàn)線上，開鑿流凌通道，而且人們的偵察預(yù)警不可能做到百分之百的可靠，所以，在某些地段仍然可能快速地形成冰壩。因此，防凌裝備系列必須具有較強(qiáng)的偵察能力，特別是夜晚的偵察能力，以及快速破除冰壩的能力。

1.4 消除冰塞。冰塞是冰壩的前提，根據(jù)“主動(dòng)干預(yù)，防患于未然”的思想，冰壩早期的冰塞應(yīng)當(dāng)消除。冰塞可分為兩類：一是冰蓋下的積冰，可能逐步發(fā)展為連底冰；二是冰蓋上游冰水分界線上的卡冰。消除冰塞的難點(diǎn)在于冰塞的可觀測(cè)性極差，因此，冰塞偵測(cè)成為消除冰塞的難點(diǎn)所在。防凌破冰裝備系列需要具備消除上述兩類冰塞的功能。

2 工況設(shè)定

工況是防凌破冰裝備運(yùn)行過程中必須考慮的因素，一般包括環(huán)境、冰蓋、流凌通道、水流、堤岸與灘地等方面。本文以黃河內(nèi)蒙河段為例，分析相應(yīng)的工況設(shè)定情況。

2.1 氣象環(huán)境分析與工況設(shè)定 一個(gè)地方的氣象環(huán)境一般是固定的，也是有規(guī)律的，對(duì)于機(jī)械防凌破冰裝備工作的一般氣象環(huán)境也是穩(wěn)定的，而這些環(huán)境條件對(duì)于機(jī)械防凌破冰裝備承載平臺(tái)而言沒有太多困難，因此，就以此作為防凌破冰裝備工況要求。具體工況設(shè)定如下：開河時(shí)間在2 月中旬～3 月下旬；開河期溫度平均溫度0～5℃，最低-5℃，最高15℃；開河期一般風(fēng)力3～5 級(jí)，正常情況風(fēng)力≤7 級(jí)，風(fēng)向多為西北風(fēng)；一般以晴為主，偶有小到中雨和小雪。

2.2 冰蓋分析與工況設(shè)定 據(jù)內(nèi)蒙古防辦給出的指導(dǎo)性意見，黃河冰厚一般在30～60cm，個(gè)別年份的局部河段最厚可達(dá)1m。因此，破冰裝備的工作的冰蓋厚度范圍設(shè)定為30～100cm。根據(jù)課題組調(diào)查分析和實(shí)地調(diào)查，以及2008 年11 月制定的《黃河防凌綜合能力建設(shè)實(shí)施方案》中提出的“3～5 年內(nèi)爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)30km 以內(nèi)河段人工干預(yù)開河”的指標(biāo)，設(shè)定需要機(jī)械防凌破冰裝備承載平臺(tái)黃河冰蓋為1km～30km。冰蓋是由冰層組成的，其主要分為三種：一是單純冰結(jié)構(gòu)；二是三層冰結(jié)構(gòu)；三是四層冰結(jié)構(gòu)。單純冰結(jié)構(gòu)即簡(jiǎn)單均勻冰結(jié)構(gòu)。三層冰結(jié)構(gòu)，即最上層的立茬冰結(jié)構(gòu)，中層的冰水分布結(jié)構(gòu)，最下層為致密冰結(jié)構(gòu)。四層冰結(jié)構(gòu)是在三層冰結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加堆積冰層。

2.3 流凌通道分析與設(shè)定 流凌通道的長(zhǎng)度一般與冰蓋長(zhǎng)度相等，通常在1km～30km 范圍以內(nèi)。流凌通道的寬度，應(yīng)根據(jù)河道的具體情況判定。流凌通道的軸線，應(yīng)當(dāng)綜合考慮主河槽與主流線帶情況而定。但在枯水期時(shí)，可觀察到主河槽的位置與形狀，而在封河期，則難以確定主流線帶和主河槽的位置，故在沒有精確探測(cè)的條件下，將最近一次枯水期時(shí)的主河槽中線設(shè)定為流凌通道的軸線。

2.4 水流分析與工況設(shè)定 水流情況對(duì)于水面裝備和水中裝備有較大的影響，也對(duì)破碎后冰體的順利排放產(chǎn)生影響，故它也是防凌破冰裝備設(shè)計(jì)需要考慮的問題之一。經(jīng)過課題組的調(diào)研，黃河寧蒙段開河期的流速在1m/s～2m/s 之間，極端情況下為3m/s，故設(shè)定防凌破冰裝備工況如下：流速≤3m/s；在同一斷面上的流速不均勻，并且可能多個(gè)峰值并存；有“漩渦”和大型“平面環(huán)流”；不同深度上的流速也是不均勻的；可能出現(xiàn)表面或河底“垂直環(huán)流”。

2.5 堤岸與灘地分析與設(shè)定 堤岸和灘地是運(yùn)載平臺(tái)到達(dá)作業(yè)地點(diǎn)可能要經(jīng)過的地帶，故其也是防凌破冰裝備設(shè)計(jì)工況所需要考慮的因素之一。

堤防頂部一般為瀝青或砂石路面，主要供輕型巡堤車輛機(jī)動(dòng)，內(nèi)蒙古防辦要求：輪式車輛一般不超過4 噸，履帶車輛不超過12 噸，堤高一般為3m～6m，堤體坡度≤40 度，但在一定間隔內(nèi)有下堤土路，主要是為灘地上的可耕地服務(wù)的，一般的車輛均可慢速通過，內(nèi)堤高度通常在0.5m～2m，土質(zhì)為粘土。

灘地一般為農(nóng)墾地，有田埂、灌溉渠、小型農(nóng)機(jī)具通行道路。堤防與主河槽距離大約為200m～3000m 不等。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了防凌破冰的五項(xiàng)需求及防凌破冰裝備的四大任務(wù)，并經(jīng)過查閱資料、課題組研討，以及與內(nèi)蒙古防辦商定，確定了裝備工作的工況標(biāo)準(zhǔn)與要求。下一步，將以本文研究成果為基礎(chǔ)，繼續(xù)做好防凌破冰裝備及其承載平臺(tái)的設(shè)計(jì)工作。

[1]閆新光.黃河破冰減災(zāi)應(yīng)用研究[J].中國(guó)防汛抗旱，2011，（1）：17-20.

[2]丁留謙，何秉順，閆新光.破冰防凌新技術(shù)探討[J].中國(guó)防汛抗旱，2010（2）：19-24.

[3]蔡琳，等.中國(guó)江河冰凌[M].鄭州：黃河水利出版社，2008.