冰壩潰決時(shí)水力要素變化特征

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(guò)流形態(tài)，另一方面冰壩以上河段水位逐漸抬升，同時(shí)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(dá)到一定程度時(shí)，終將造成潰壩。試驗(yàn)結(jié)果表明：冰壩高度不同，潰決時(shí)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(shí)水力要素變化特征，對(duì)于凌情災(zāi)害的預(yù)防具有重要的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：冰壩;壅冰;壅水;潰壩;試驗(yàn)研究

中圖分類(lèi)號(hào)：P333 文獻(xiàn)標(biāo)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(yán)重阻塞過(guò)水?dāng)嗝?，這種現(xiàn)象稱為冰壩。冰壩發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)具有隨機(jī)性，可在極短時(shí)間內(nèi)形成漫灘決堤的凌汛險(xiǎn)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(guò)岸邊及河床阻力，其冰蓋強(qiáng)度不能抵抗不斷增加的靜水壓力時(shí)，冰壩將潰決。

冰壩往往是由“武開(kāi)河”造成的，武開(kāi)河一般是上游流域氣溫突變或在開(kāi)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(kāi)河，流冰量多而集中，且冰質(zhì)堅(jiān)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(jī)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(kāi)河判別模型，模擬開(kāi)河期流量與冰蓋下壓力變化的關(guān)系，研究流量變化對(duì)開(kāi)河時(shí)機(jī)的影響[3]。對(duì)于冰壩危害模擬，史興隆等[4]以黃河寧蒙段凌汛期的險(xiǎn)工段為原型，首次建立了模擬黃河上游凌情的冰壩實(shí)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(lái)的危害。目前，針對(duì)冰壩潰決水流特性的研究成果并不多見(jiàn)，即便是對(duì)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(jìn)過(guò)程，而針對(duì)潰決時(shí)水流的水力特性、流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的研究較少[5]。

冰壩潰決時(shí)，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(dòng)量，對(duì)河道工程及涉河建筑物的安全將產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。研究冰壩潰決時(shí)的水力要素變化特征，對(duì)于預(yù)防和避免冰壩潰決帶來(lái)的安全隱患具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 冰凌模擬概述

2.1 冰凌運(yùn)動(dòng)的相似律

冰凌運(yùn)動(dòng)實(shí)際上是個(gè)兩相流問(wèn)題，冰塊是漂移質(zhì)，在流冰暢通的情況下，冰塊運(yùn)動(dòng)主要取決于表面水流流速，一旦冰塊運(yùn)動(dòng)遇到障礙，則冰塊運(yùn)動(dòng)（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(qiáng)度等）有關(guān)。只有液相和固相都滿足相似條件，才能達(dá)到冰凌運(yùn)動(dòng)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(duì)通過(guò)泄水建筑物的水流進(jìn)行模擬，一般按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，由于目前對(duì)冰凌運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究還不成熟，因此對(duì)其模型律的研究尚處于探索階段。冰凌運(yùn)動(dòng)的模擬，除了必須滿足水流條件相似外，還必須滿足冰凌運(yùn)動(dòng)的相似，主要包括以下5個(gè)相似條件[6-8]：①水流條件相似，即滿足重力相似準(zhǔn)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(yùn)動(dòng)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(zhǎng)，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(qiáng)度，t/m²。

2.2 模型概況

試驗(yàn)河段位于內(nèi)蒙古自治區(qū)清水河縣岔河口村，在萬(wàn)家寨水庫(kù)回水變動(dòng)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(wàn)家寨水庫(kù)大壩57.2km。黃河流經(jīng)此處已從河道蜿蜒的平原河段進(jìn)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(dòng)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(jìn)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(zhǎng)度21km，斷面布置見(jiàn)圖1，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)情況見(jiàn)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(yùn)動(dòng)時(shí)間比尺為1： 25.8[9]。

2.3 冰塊的模擬

流冰試驗(yàn)?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(yùn)動(dòng)特性的相似條件，因此試驗(yàn)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(yàn)?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(duì)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(wèn)題，試驗(yàn)過(guò)程中增加了自然形狀（無(wú)規(guī)則）冰及大塊岸冰來(lái)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(duì)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，隨著來(lái)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(shí)膨脹，使模型冰聚集形成冰塞，致使河道過(guò)流量減小，逐步形成了堵塞河道的冰壩。

據(jù)原型觀測(cè)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(yùn)動(dòng)特性相似[8]，并以一定級(jí)配定制成模型冰塊（見(jiàn)圖3）。加冰方法參考河道來(lái)冰量在模型進(jìn)口施放，輔以沿程兩岸加冰作為初始冰蓋層。

2.4 模型驗(yàn)證

模型驗(yàn)證是確認(rèn)試驗(yàn)相似的重要環(huán)節(jié)。模型的邊界條件主要包括地形和進(jìn)、出口水位控制。模型地形是在2004年汛后實(shí)測(cè)斷面數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合萬(wàn)分之一河道地形圖（1998年測(cè)繪）確定;模型進(jìn)口水位采用拐上水位站相應(yīng)時(shí)段的水位控制，模型尾門(mén)水位采用壩前2005年凌汛開(kāi)河期水位。在模型驗(yàn)證方面，由于原型河段缺乏水文觀測(cè)資料，因此通常依據(jù)原型水位資料進(jìn)行驗(yàn)證，并依據(jù)試驗(yàn)驗(yàn)證情況，調(diào)整模型比尺、地形等，直至達(dá)到試驗(yàn)要求的條件。從驗(yàn)證情況看，在有冰條件下，拐上及沿程試驗(yàn)觀測(cè)水位均與相應(yīng)原型表現(xiàn)出較好的一致性（見(jiàn)圖4）。試驗(yàn)結(jié)果表明模型在水流運(yùn)動(dòng)、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(yùn)動(dòng)情況。

3 水力要素變化特點(diǎn)

3.1冰壩壅冰高度及歷時(shí)

隨著河道上游持續(xù)開(kāi)河，河道水量和過(guò)冰量不斷增加，一旦出現(xiàn)較大冰塊觸岸或遇灘“擱淺”，進(jìn)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(shí)而膨脹，冰塊持續(xù)被阻滯，致使河道過(guò)流量減小，直至河道完全被攔截，形成冰壩。根據(jù)試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果，冰壩形成高度與下游控制水位有關(guān)，3個(gè)不同的控制水位，冰壩形成的時(shí)間分別為2.2、2.5、2.8 d，壅冰量分別為1.00萬(wàn)、1.15萬(wàn)、1.24萬(wàn)m³，見(jiàn)表1。

3.2 潰壩水流特性變化

試驗(yàn)過(guò)程中，隨著流冰量和流冰強(qiáng)度的增大，冰壩不斷升高，壅水壅冰長(zhǎng)度逐漸增大（圖5為冰壩形成時(shí)的情形），壩前動(dòng)水壓力與河道靜水壓力之和大體等于河道對(duì)冰壩的約束力[10]，當(dāng)冰壩達(dá)到一定高程時(shí)，壩前水壓力（動(dòng)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(yàn)觀測(cè)結(jié)果，當(dāng)局部裂口時(shí)，決口處單寬流量增大，局部水流速度增大，并持續(xù)一定時(shí)間。圖6為不同控制水位條件下，試驗(yàn)觀測(cè)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(guò)程中，流速總體上表現(xiàn)為2個(gè)提升過(guò)程：首先，大致歷時(shí)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(guò)約600s的潰口范圍擴(kuò)大，水流速度達(dá)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(jiàn)表2），試驗(yàn)中測(cè)得壩高為7.21m時(shí)瞬時(shí)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(kāi)始急速下降，此時(shí)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(shí)河道流量估算

潰壩流量計(jì)算多采用經(jīng)驗(yàn)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(jì)算可參考文獻(xiàn)[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(jì)算得到的潰壩流量見(jiàn)表2。按照該河段1-4月多年平均流量500m³/s計(jì)算，冰壩潰決所產(chǎn)生的瞬時(shí)流量為常年平均流量的8～10倍，這將對(duì)河道工程和涉河建筑物的安全運(yùn)行造成威脅。

4 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用實(shí)體模型試驗(yàn)解決各種水利工程問(wèn)題是公認(rèn)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(guò)對(duì)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(diǎn)，同時(shí)，通過(guò)試驗(yàn)觀測(cè)，取得了冰壩潰決時(shí)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(shí)，冰壩開(kāi)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(yàn)結(jié)果表明：壩高不同，冰壩潰決時(shí)形成的水流速度不同，壩體越高則潰壩流速越大，對(duì)河道和周?chē)こ痰钠茐淖饔迷綇?qiáng)，尤其是下游附近的涉河建筑物，如橋墩、護(hù)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(mén)高度重視，加強(qiáng)凌汛期對(duì)河道水文和冰情的監(jiān)測(cè)，采取相應(yīng)的預(yù)防措施。

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