消能網(wǎng)箱減小水庫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)

消能網(wǎng)箱減小水庫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)平原水庫冬季冰層膨脹對岸坡造成嚴重破壞，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岸坡造成的破壞。在適合情況下推廣，具有較高的經(jīng)濟價值。

水庫;封凍期;冰推力;護坡破壞;消能網(wǎng)箱;保護效果

1 基本概況

紅旗泡水庫位于大慶市區(qū)東北部，占地為大慶市和安達市。水庫樞紐主要由均質(zhì)土壩、進水閘、泄水閘及泵站組成。大壩全長25 km，庫區(qū)面積為35.3 km2，是我國北方典型的平原型水庫。水庫每年4月下旬開始引水蓄水，11月上旬停止引水，水庫每年10月下旬～11月開始形成冰蓋，次年3～4月開始融化，冰層存在時間5個月，結(jié)冰厚度在1.0～1.2 m。每個結(jié)冰期有兩次大的冰推爬坡，第一次在12月上旬的封庫結(jié)束后，第二次在次年3月份開春融冰開庫前。紅旗泡水庫冰推護坡破壞見圖1。

圖1 2010年紅旗泡水庫冰推護坡破壞情景圖

2 冰推原因分析

紅旗泡水庫雖然每個結(jié)冰期有兩次冰推爬坡，根據(jù)水庫管理者多年的觀測發(fā)現(xiàn)，水庫的冰推破壞在第一次冰推時并不明顯，破壞主要發(fā)生在第二次冰推期，即:每年開春冰融化季節(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)化的過程中，在冰層得到正能量時，冰層溫度升高，由于熱脹冷縮的性質(zhì)，導致冰內(nèi)晶粒體積增大［1］。冰層剩余體積增量將會導致冰層產(chǎn)生內(nèi)應力，最后以冰層水平運動、冰層斷裂和爬坡的形式卸載，直至抵抗冰層運動的摩擦力同冰層內(nèi)應力平衡時冰層才會穩(wěn)定融化。春季冰層內(nèi)產(chǎn)生強大靜冰壓力對水庫護坡產(chǎn)生破壞的原因主要有3點:①在冰蓋壓力作用下，在熱膨脹過程中，冰體在豎直方向的靜冰壓力增長速度小于在水平方向的增長。②冰溫升降的變化相對氣溫變化有滯后的時間，且隨冰層深度增加滯后明顯，從而導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較大［2］。③在冰層水平膨脹的過程中，由于受到護坡邊界條件的約束，冰層膨脹力對護坡及水庫結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。

3 傳統(tǒng)防冰推措施

多年來，紅旗泡水庫一直在探索水庫護坡防凍害的工程措施。目前最有效的措施是破冰開槽，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，該方法對大型水庫有較好的適用性。

圖2 傳統(tǒng)破冰模式圖

傳統(tǒng)的破冰開槽方法具有很大的局限性，首先是冰凍是一增長、變化的過程，具體把握在什么時間開始破冰不好掌握，二是破冰的深度不好掌握，完全破透冰層，水庫下層液相水會補充上來，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傳遞壓力，如果剩余壓力較大，此時護坡仍然會遭受冰推破壞。

4 防冰推的設想

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水工建筑物的破壞，常規(guī)做法是采取人工開槽破冰的方式，以減少冰的東脹推力;在一個冰凍期期間，須多次或持續(xù)破冰，而由于受開槽深度、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)，進入冰凍期，當冰凍達到一定厚度時，一次開槽破冰將網(wǎng)格(或箱)置入冰凍水面。當冰凍期結(jié)束時將網(wǎng)格(或箱)取出回收循環(huán)利用。此方式用來消除冰凍推力有以下3點: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)、持久地對建筑物產(chǎn)生作用;②通過網(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)，在秋季水庫水位較高時，在重點地段下到壩坡前固定，首先解決秋季大風期風浪對壩體的破壞，冬季在冰層中起到緩解靜冰壓力對壩體的作用。該方案時，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)冰凍水面得以應用，對受冰凍脹力損害的水工建筑物，將起到很好的保護作用，可節(jié)省大量的管理、維護、維修費用，延長水工建筑物使用壽命，將會產(chǎn)生顯著的社會和經(jīng)濟效益。

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

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

TV653

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1007-7596(2011)04-0168-02

2011-06-20

姜連杰(1966-)，男，黑龍江安達人，高級工程師，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，黑龍江安達人，助理工程師，從事水利工程管理工作。