無人機載破冰彈消除冰壩險情的時機與方法

謝志剛 曾賀 李根

摘 要：采用航彈或炮彈轟擊冰壩是我國常用的消除凌汛險情手段。隨著經濟社會的發展，跨河橋梁和水工建筑物逐年增多，加之氣象條件限制、彈藥彈著點精度低，滿足實施轟炸條件的具體地點已很少。統計黃河上游寧蒙河段冰壩形成至自潰（或導致堤防潰口）的歷史數據，以2018—2019年度黃河凌汛期觀測到的一處冰壩自潰過程為例，在綜合分析兩類爆破方式效果的基礎上，提出在冰壩形成初期采用無人機載破冰彈消除冰壩險情的應用時機和使用方法。

關鍵詞：冰壩險情;爆破法;無人機;破冰時機;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

黃河在開河期經常出現冰壩險情。封凍河道開河時，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、滑坡等險情，嚴重時引發堤防潰決或漫決，造成凌洪災害。凌汛災害是冬春季節黃河最突出、最重大的自然災害，主要發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，下游凌汛險情較大程度上得到緩解。

1986年以來，黃河內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日發生在內蒙古杭錦旗的獨貴塔拉鎮奎素段，黃河大堤先后有兩處潰堤，造成整個獨貴塔拉鎮被冰凌洪水淹沒。消除冰壩險情是防凌的重要防汛措施，我國常用爆破法，利用火藥爆炸后的沖擊力直接或帶動水壓力沖擊冰塊，造成冰壩坍塌下泄洪水，排除險情。

2 冰壩觀測數據分析

河道內冰壩險情按類型和程度可分為卡冰、堆冰和冰壩[2]。卡冰指流動的大塊冰停滯在河道某處，造成過水斷面被流冰覆蓋的現象。通常而言，卡冰范圍在幾百米內，且在較短的時間內可以自行潰決;在一個晝夜的冷熱循環后，卡冰如果沒有發生自潰，則繼續攔阻上游來冰，形成堆冰現象，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，通常為2～3 km，有的可達到10 km。

每年開河期黃河河道都會多次形成冰壩，但并非每次都能引發堤防險情。冰壩的形成、結構特征、能否自潰與河道水流動力、流冰數量和密度、熱力因素、河道彎曲程度、跨河建筑物阻擋等諸多因素有關，具有顯著的隨機性，預測難度大。已有統計資料顯示，1951—1983年黃河上游形成冰壩180次，其中39.4%的冰壩為自潰，人工干預致使其潰決的占51.7%，其他未記載潰決方式。引發堤防潰口的僅有兩個年度，共12處。

依據有冰壩發生和消亡數據的記錄，統計結壩歷時分時段頻次，見圖1。冰壩自行潰壩58次，結壩歷時最小值為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，結壩歷時最小值為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次冰壩生消數據不完整。從統計結果看，自潰和爆破的冰壩歷時呈現了相同的統計特征。半數的冰壩都在形成24 h后消亡，每增加24 h，潰壩的數量都有較大的增長。極少數冰壩存在時間能夠超過72 h。對于冰壩而言，每經歷一次晝夜的熱力循環，就會增加潰壩的概率。

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

2019年3月11日—12日，萬家寨庫區水泥廠以上河段形成冰壩。壩頭位置在水泥廠水位計設置點下游附近。堆冰范圍自水泥廠一直到上游的S103大橋附近，長度近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，左岸堆冰嚴重，河槽已移向右岸附近，壩下河道基本呈斷流無水狀態（見圖2（b））;12日18時45分冰壩發生自潰，河槽開始出現過水，至19時壩頭堆冰完全破裂，河道內浮冰開始下泄，19時30分整個河道開河（見圖2（c）和圖2（d）），21時，河段內堆冰和水量下泄完成。壩頭上游側的水位計記錄了水位變化過程，見圖3。

水位計記錄的數據表明，冰壩自形成到潰決，歷時35 h，壩高約為2.5 m，整個過程經歷了兩個階段。第一階段自11日8時至19時，發生卡冰現象，造成水位急劇升高。第二階段為11日19時第一次卡冰壅水到12日19時自潰，歷時約24 h。其間，左側河槽卡冰后壅高水位，11日20時前后發生一次自潰，水位短時間下降后，流冰繼續堵塞河道，形成冰壩。12日18時至19時，水位再次達到峰值后壩體潰決。

3 破除時機

3.1 破冰的原則

冰壩的破除須遵循“安全第一，主動防御，自下而上，先急后緩”的原則[2]。因為冰壩險情具有突發性強、發展迅速、發生位置不可預估的特點，實施爆破破冰一般均希望達到“一次實施，全面除險”的目的，所以破冰時機的選擇是影響破冰效果最為關鍵的環節。

3.2 影響破冰時機的因素

影響破冰時機的主要因素為氣象條件、水動力條件。

（1）氣象條件。無論是飛機投彈還是榴彈炮轟擊，均為非精準性爆破，需要在目視條件良好的情況下進行。夜晚、云量多且低于800 m的白天、雨雪天氣，能見度很低，無法開展爆破作業。根據氣象統計，內蒙古河段開河期日均氣溫在-10～5 ℃之間，對爆破作業影響不大。考慮日內熱力變化的規律，日中后，冰壩及灘岸逐步積累熱量使地溫在15時左右達到最大，此時灘岸對冰塊的阻力最小，壩體最為松散。因此，在14時至16時破冰，破裂后的冰塊不易再次堆結，利于河道水量下泄。

（2）水動力條件。河道水量表征了破冰的水動力條件。在保證堤防安全的前提下，選擇河道內水量處于較大值時破冰，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，減小冰塊復卡的概率。潰壩洪水的洪峰流量和破壞力遠大于暴雨洪水。王普慶等[3]在模擬冰壩潰壩物理模型試驗基礎上，提出冰壩潰壩流量的計算可使用如下公式：

此項研究通過比較模擬河段同期多年平均流量，分析得出冰壩潰決發生的瞬時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，還需計算潰壩后的瞬時流量，使其控制在允許范圍內，以免影響河道工程和涉河建筑物安全運行，引發次生災害。

3.3 時機選擇

冰壩形成后壅高水位的速度較快，本著“以防為主，防搶結合，搶早搶小”的搶險原則，在冰壩形成初期，盡早實施爆破，減少堤防險情的發生。從上述分析看，冰壩在形成后的12～24 h內自潰的概率較大，爆破時機宜選在冰壩形成24 h后開展。若受觀測條件限制，無法確定冰壩結壩的初始時間，則應在冰壩歷經一個晝夜后即刻開展破壩。

4 爆破方法

4.1 傳統爆破方法和局限性

冰壩形成后，人工干預消除冰壩是有效的防護和搶險措施。分析現有應用實例和科研成果，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，另一類為定點施放高效炸藥的破擊式。自20世紀50年代，我國開始在黃河的開河期使用空軍轟炸機投彈爆破內蒙古河段冰壩，70 a來幾乎年年實施。同時根據需要，也采用榴彈炮、迫擊炮等形式轟擊冰壩，都發揮了相應的除險作用;炸藥定點破冰是一種主動干預的開河技術，主要應用在開河前期，對面積大、厚度大、未發生松動的冰蓋進行多點連續爆破，造成冰體破裂，從而解除河段可能發生的卡冰威脅。從應用情況看，這兩類方法僅對排除卡冰險情效果較好。

采用航彈和重炮轟擊的方式優勢在于破壞力強、爆破范圍廣，特別適用于堆冰長度大的冰壩。河道彎曲、狹窄段和橋梁上游段是冰壩的易發地段，在無控制爆破下，高爆量對河床形態、堤防和水工程安全、涉河設施安全影響較大。隨著經濟社會的發展，跨河橋梁和水工建筑物逐年增多，村鎮建設發展迅速，適合開展爆破的地點已經很少。此外，受氣象條件、地面引導的限制，著彈點精度不易控制。

爆破點的確定直接影響破冰除險效果。根據內蒙古工業大學取得的冰壩潰壩條件研究成果，爆破點位置距壩頭前緣B/6處效果最好[5-6]。冰壩形成后，壩下斷流，堆冰布滿整個河道，如遇雪天，從空中和堤防上均很難準確確定冰壩頭部位置。爆破點如果設置在壩下無水區域，將只能破碎冰塊而達不到利用水壓力沖擊壩體引發潰決的效果。中國水利水電科學研究院、黃河水利科學研究院和大連中睿科技有限公司聯合采用無人機搭載雷達和高清攝像機在黃河和松花江上監測冰壩[7]，在測量冰厚的同時能夠探測到壩下河槽，并連續記錄冰厚分布的位置坐標，提高了爆破點的定位精度。

4.2 無人機載破冰彈定點消除冰壩方法

山東特種工業集團與黃河水利科學研究院在前期研究成果基礎上，研發了無人機定點消除冰壩裝備，見圖4。該裝備以國內某多旋翼無人機為飛控平臺，綜合使用定位、傘降、冰下爆破和自毀技術，集成圖像獲取機構、破冰彈掛載釋放機構、全保險安全裝置，形成“偵察+破冰”的破冰系統。該裝備最大荷載30 kg，作業環境風力要求不大于5級，單發破冰彈炸藥量為8～13 kg，航程時間1 h，能適應高原作業。著彈點偏差半徑不大于25 m。

該裝備可與無人機雷達測冰厚裝備組合使用，接收爆破點坐標后，飛臨爆破點上空約120 m投彈。破冰彈經空中傘降調姿，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。多架次操作可靈活控制爆破點走向和調整爆破量，能在卡冰、堆冰和冰壩形成的初期多階段實施，快速、精準、安全地破除冰壩。整套系統操作簡便，具備多級安全裝置并具有自毀功能，爆破安全性高，實現了民用化。接到破冰指令，該裝備短時間內即可抵達破冰現場，迅速抓住破冰時機，滿足機動、靈活、應急反應迅速的破冰需求。

5 結 語

爆破破冰是高效消除冰壩險情的常用手段。依據冰壩結壩歷時統計資料，破冰的時機在結壩24 h后為宜。無人機載破冰彈裝備具備定位準確、落點精度高、操作安全簡便的特點，有很強的作業機動性和靈活性，適用于卡冰、堆冰和冰壩形成初期多個階段。

參考文獻：

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[6] 卜小龍，佟錚，史興隆，等.黃河冰壩爆破模擬試驗研究[J].工程爆破，2014，20（3）：33-36.

[7] 王濤，郭新蕾，付輝，等.冰塞冰壩快速探測及防治技術和裝備[J].中國防汛抗旱，2017，27（增刊1）：8-12.

【責任編輯 張 帥】