海勃湾水利枢纽坝址段的凌汛分析及防凌度汛方案措施

概述
　　
　　黄河内蒙古河段由于地理纬度上的差异自西南流向东北，黄河上游气温较高，而下游气温较低，极易形成凌灾。冬季严寒，年极端最低气温可达 -30. 7℃ ~- 36. 3℃ ,1 月份为最冷，月平均气温在 - 9℃ ~- 12℃ .冬季寒冷多风，负温期长，每年从 11 月上旬开始气温逐渐下降，河水水温降低，从微冰、岸冰最终结成冰盖，即为封冻。流凌至封冻一般为17 d,最长为30 d,最短为 6 d.内蒙古河段封冻特点： 一般顺直河段封冻较晚，多为平封，且冰层较薄。弯道狭窄、浅滩河段封冻较早，多为立封，冰层较厚。
　　根据多年资料统计，黄河乌海段开河日期约在每年的 3 月 15 日左右，凌汛历时一般 5 ~10 d.开河特点： 一般顺直河段先开，下游后开。当上游开河形成凌峰，而此时下游还未达到自然开河条件时，冰层以下的过流能力不足以通过上游的凌峰，冰块在强大水流的推动下向下游移动，在狭窄段或弯道浅滩等地带，冰块上浮下插，阻拦冰水去路，易形成冰坝。造成内蒙古段封河自下而上，而开河自上而下的规律。这种封开河顺序，使冰厚由上而下逐渐增厚，极易形成冰塞和冰坝，凌汛期沿程流量加大，造成河水上涨，淹滩漫地，形成特殊的凌汛现象。
　　1 坝址段的凌汛分析
　　
　　1. 1 坝址河段封河期冰情
　　黄河海勃湾水利枢纽工程是一座防凌、发电等综合利用工程。海勃湾水利枢纽工程为Ⅱ等工程，工程规模为大（ 2） 型，枢纽主要建筑物由河床电站、泄洪闸、土石坝等建筑物组成。海勃湾水利枢纽工程坝址处天然情况下的封河是由冰花堆积而封河，或者说是冰塞封河，为下游冰塞上延所致。
　　坝址河段冬季流凌日期一般在 12 月中旬左右，封河期水位一般抬高约 1. 4 m.坝址 12 月份 10 年一遇洪峰流量为982 m3/ s.根据畅流期坝址下游水位流量关系，明渠出口河道水位 1 066. 5 m,海勃湾坝址水位加 1. 4 m 为 1 067. 9 m.2010 ~2011 年枢纽封河期实测最高水位壅高 50 ~ 70 cm,水位 1 067. 36 m.工程施工导流设计标准为 10 年一遇洪水，相应洪峰流量为4 000 m3/ s,畅流期明渠上游水位 1 071. 48 m,下游水位1 068. 58 m,设计值高于封河期最高水位，封河期水位不会对围堰及其围护下施工的泄洪闸、电站厂房形成威胁。
　　1. 2 坝址河段开河期冰情
　　由于黄河海勃湾水利枢纽工程坝址河段为冰灾多发地段，开河易形成“武开河”局面，在弯道狭窄处，易卡冰结坝，壅高水位，使防洪堤出现险情，造成凌灾。且在施工导流阶段河道和水流条件发生变化，河道由原河床 575 m 束窄至 375 m,水位壅高，极易发生洪水、漫滩、围堰堰堤坍塌、工程损毁以及次生衍生灾害。
　　2 主要防凌度汛项目
　　
　　海勃湾水利枢纽工程防凌体系作为乌海段防凌工程体系的一部分，承担着水利枢纽建设工程范围内的防凌任务。
　　由于 2010 年 10 月份导截流施工，围堰已进行了部分预进占，改变了河床边界条件及流势、水面缩窄，以及明渠交通桥的影响，在导流明渠进口前及明渠内极易发生冰塞、冰坝。因此，在此阶段，工程防凌度汛项目主要为： 导流明渠及预进占围堰区域，凌汛期应重点防范这些部位处水鼓冰开、卡冰结坝、壅高水位造成的堰堤坍塌、溃坝等灾害，并做好各项应急准备工作。
　　3 主要防凌度汛方案措施
　　
　　3. 1 建立防凌度汛预警体系
　　为预防凌汛灾害，成立由项目主要领导责任人担任防凌安全领导小组组长的组织机构和防凌抢险队伍。明确各自职责，加强对防凌安全工作的领导和统一协调指挥，做到组织落实、分工明确、措施到位、责任到人。密切关注天气变化，及时了解和掌握冰情，为采取相应对策提供依据。与枢纽段防凌度汛指挥部建立了联络机制，建立凌情预报系统，紧密依靠、积极配合枢纽及当地政府的防凌度汛工作。在开河期间围堰上下游出现卡冰结坝情况后，根据河道冰情发生状况，将冰情及时上报业主和当地政府防汛指挥部，根据防汛指挥部的统一安排，进行处理。
　　3. 2 坚持凌情监测与险情巡查制度
　　加强凌汛期间值班工作，设专人值班，巡视挡水、泄水建筑物安全状况。值班人员要坚守岗位，保持24 h通讯畅通，加强巡视、观测，及时发现隐患，及时上报，及时处理。
　　利用枢纽工程围堰上、下游及导流明渠水位标尺，每天 8∶ 00、16∶ 00 各观测一次水位，特殊时段每隔2 h 观测一次。保持与业主的通讯联系，做好凌汛期间的流量、水位、冰厚、录像、拍照等封开河凌情记录。并及时将信息上报各级防凌领导小组。
　　3. 3 排凌破冰措施及防护措施
　　3. 3. 1 排冰破冰措施
　　破冰要根据冰情预报、河道封冻情况，选择破冰时机，同时，要根据预测，选择可能形成冰凌卡塞、壅冰的河段进行破冰。根据以往经验，排凌破冰的措施方法主要有： 爆破法（ 飞机轰炸、炮击和药包爆破） 、砂石破冰法、破冰船破冰、人工机械扰动等。
　　砂石破冰一般适用于冰厚较薄，两岸较平坦，能有较长日照、流速较大的河段，本河段冰层较厚，故不适用。
　　破冰船主要用于破碎水面冰层，开辟航道，保障舰船进出冰封港口、锚地，或引导舰船在冰区航行破冰，施工造价高，且体型较大，在黄河河段亦不适用。
　　根据本工程围堰及导流明渠 2010 ~ 2011 年度凌汛期施工现状，经测量封河期冰层厚度已达到80 cm左右厚度，开河阶段为防止“武开河”现象的发生，在开河前短时间内突击破冰，主要采用的是爆破法中的药包爆破和人工机械扰动进行排冰、破冰。
　　（ 1） 药包爆破法： 为确保爆破破冰的安全，根据当地政府防汛指挥部的安排，主河床段冰层药包爆破破冰主要由当地武警执行，项目部配合。①布孔。按爆破目的不同而异。为打开过冰水道可采用沿水流方向分两行成折线形或直线形或菱形布孔，见图 1.本工程采用的是直线型。【图1】

　　爆破时自下游向上游； 先主流后边流。为打酥、打透冰盖，可采用打方格网的办法，见图 2.【图2】

　　
　　②孔距。本工程段冰厚约 0. 8 m,孔距控制在 5 m.③下药包深度。本工程段采用水下爆破。下药包深度 1~ 1. 5 m.④装药量 C 一般按下列公式计算：
　　C = K hi 2r
　　式中 C-装药量，kg;
　　hi-冰厚，m;
　　r-爆破半径，m;
　　K-系数。
　　爆破半径 r 取下药包深度的 2 倍。下药包深度从冰盖低面起计算。K 值和炸药性能、质量、药包大小、冰厚、水深、封冻形式、冰花数量、流速及风向等有关，故亦应通过试验确定。本工程主要采用的装药量控制，见表 1.⑤装药方法有两种，即水下悬吊药包和冰层埋药包。本工程段主要采用水下悬吊药包。先在冰盖上用冰钻或风、油钻开小孔，以少量炸药扩成直径为40 cm 的孔，再将炸药包用绳绑住垂入水中（ 也可将药包绑在木杆上） ,插入冰孔，见图 3.【图3.表1】


　　
　　（ 2） 机械扰动法： 导流明渠段由于导流明渠桥已经建成通车，该段破冰主要采用在导流明渠桥上采用25 t 吊车吊破碎锥反复击打冰面，打酥、打裂冰块。击碎的较大的冰块则采用25 m 液压长臂反铲挖除，使上游冰块在开河时顺利通过桥墩下泄。破碎锥采用预制混凝土锥或焊接的钢锥。
　　3. 3. 2 其他防护措施
　　（ 1） 加强围堰及导流明渠巡堤查险工作，重点防范明渠进口前冰塞的形成，和对明渠、围堰的破坏，布置专人对重点部位进行观察，实行重点防守，随时做好围堰抢护、加固准备。发现冰塞趋势及时采取爆破等有效措施，明渠及围堰受到破坏后应及时修复。
　　（ 2） 凌汛期，一旦发生超过设防标准时，基坑不可避免过水时，按照防凌指挥部紧急转移指令，立即组织人员、材料及设备安全撤离工作。
　　（ 3） 必要时采取拆除部分堰体破堰分流，使河水经河床基坑下泄，保障河道防凌安全。
　　3. 4 防凌汛物资储备
　　根据围堰发生险情的程度储备必要的堤防抢险物资，配置机械设备，重点防范折冲水流对堤岸造成冲刷破坏时，或发生堰体塌陷、决堤等险情时及时采取补救措施。
　　4 结语
　　
　　经过爆破和人工机械扰动处理后，黄河乌海海勃湾枢纽段 2010 ~2011 年度安全顺利度过凌汛，确保了工程后续施工和乌海人民财产安全。根据本次防凌度汛的处理经验，其成功的关键是： ①凌汛期间的预警机制、体系及值班制度完善，职责分明，体系运行良好。②选择正确的破冰时机和破冰方法。③完善的应急预案及防凌汛物资储备。