河流和渠道中的控冰结构运用现状评述

李学华，黄 焱

（天津大学 建筑工程学院，天津 300072）

河流和渠道中的控冰结构运用现状评述

李学华，黄 焱

（天津大学 建筑工程学院，天津 300072）

我国冬季寒冷地区的河流渠道都会面临流冰问题，控制流冰，减轻冰害意义重大。该文以流冰的结构控制方法为出发点，从结构形式、基本原理、主要优缺点及在运用过程中存在的限制等方面对国内外现存控冰结构形式作了分类评述，以期拓宽我国冰控制技术的发展思路，并为工程中选用最优结构形式提供借鉴。

河流；渠道；流冰；控冰结构

我国南北跨越纬度大，寒冷地区的天然河流和人工渠道都面临不同程度的冬季流冰问题。入冬季节形成大量的冰花，严重时不仅会阻塞水电站及引水渠道的进水口而降低输水能力，影响正常发电及供水，还有可能在弯道浅水处形成冰塞并向上游推进，使上游壅水漫溢造成淹没性灾害。春季温度逐步回升，冰盖强度下降，加上受流量、水位波动的影响，冰盖破裂而形成流冰。流动的冰块对建筑物危害很大，如遇有冰块卡堵还会形成冰坝，使上游水位猛涨，也会引发洪水。天然河流出现冰塞、冰坝等冰害会导致严重灾情，国内对此问题的解决方法是利用上游水库控制下泄流量、下游分水渠道适时分水或者爆破[1]。前者要求对河流进行统一管理联合调度，统筹协调难度大，有时难免顾此失彼，而且在弯道浅滩处效果不大；后者成本很高，爆破过程中还可能对堤防和水上建筑物产生危害。对于人工渠道中的冰害问题，通常是优化渠道设计并利用沿线控制结构对水流进行调节，形成连续冰盖后实现冰盖下输水，以及建造排冰闸和蓄冰调节水库[2]。国内在冰盖输水方面已经进行了一些尝试并积累了一定经验，而爆破法的主要缺点在于排冰的同时需要消耗大量水，并不经济。

由此可见，尽管我国河流渠道冬季流冰问题严重，但是在流冰控制技术方面方法不多且有很多不足。目前，国外已经发展了多种控冰结构形式，并在运用过程中表现出了良好的效果。例如，美国Hardwick在1994年之前的三十年间经历了十次凌洪灾害，但是在建造运用控冰结构之后凌灾就再没出现[3]。基于这种背景，本文从结构形式、基本原理、主要优缺点及在运用过程中存在的限制等方面对国内外控冰结构的运用现状作了分类综述与比较。

1 控冰结构运用现状

一般认为，形成冰塞的大致过程是大量流冰向下游输运，当遇到障碍物时（可以是冰自身形成的冰盖，也可以是弯道浅滩等自然存在障碍物，还可以是人为设置的障碍物），如果流速超过流冰临界下潜速度，流冰就会下潜并在流速较小的断面上浮堆积[4-5]。因此，冰塞形成过程除了要具备大量流冰及障碍物等基本物质条件以外，还取决于水表面坡度及流速等水力条件。控冰结构的功能就是作为人为设置在历史上冰害问题经常发生位置的上游的障碍物，改善水力条件来控制冰塞形成，实现拦冰，以降低输向下游的冰量，即通过改变冰塞发生的地点，实现河流渠道中冰的再分布，从而降低下游河段形成冰害的物质条件。各种结构根据其对冰条件及水力条件的适应性可以分为如下3类。

1.1 坐底壅水式控冰结构

堰通常指较低的溢流坝，是典型的坐底壅水式控冰结构。根据堰顶水深的不同，堰对流冰的控制作用分为两种形式。一种作用形式是当堰顶水深较大时，漂浮冰块不会在堰顶发生搁浅现象，而是从堰顶漂流过去，水流则被部分截断。我国已经将堰的这种特性应用于引水电站前池的排冰工作中。另外一种作用方式是当堰顶水深较浅时，堰通过壅水使上游水流流速降低至临界流速以下，则可以在封河期间减缓流冰下潜促使其形成冰盖。冬季结冰盖输水实践表明，水流流速降低至0.5m/s以下时就可以使流冰结成冰盖[6]，这个临界流速数值和Andrew M.Tuthill对控冰结构的实际观测[7]也是一致的。形成的冰盖不仅可以拦截上游来冰，还可以通过隔断水体和大气的热交换减少冰花的产生，降低输向下游输冰能力较低河段的冰量和发生冰塞灾害的可能性。开河期间，壅水能够使流动的冰块减速并在冰盖前缘漂浮积聚，而水流则可以在积聚物下方从堰顶漫溢到下游。

堰在封河期间若能保证足够的壅水范围则具有很高的可靠性。但是在开河期间，当冰盖较薄时，若遇到水位上升或者来冰量过大，冰盖强度不足以克服剪力的影响时，冰盖就会破裂移向下游，使冰聚积物释放，当河道较宽时这种现象更容易发生。因此，为提高结构开河期间的可靠性，堰通常还和其他结构联合使用，如图1所示的堰-闸墩结构形式[8]。这种结构形式在堰顶部增加了以一定间隔布置的闸墩，前者用于产生壅水，而后者则主要用于稳定形成的冰盖或冰积聚物。

图1 堰-闸墩结构形式

栅栏/网相对来说属于低成本的控冰结构。这种控冰结构安装拆除方便，可以只在冬季使用且形式多样。早期多是利用钢缆或钢架支撑排列好的木条组成栅栏，后来为进一步降低成本而多改用网结构。比较典型的是CRREL（1998）开发并在Ompompanoosuc河上进行现场测试的张力堰结构形式[9]和Brain Morse（2006）提出的索-网结构形式[10]。

张力堰主要由绳网、支柱及顶部和底部两道钢缆组成。钢缆由支柱撑起以保持一定间距，使绳网处于张紧状态，并将结构上面的载荷传递至岸边深埋的水泥桩上面。当流冰在网上冻结或卡堵导致过水断面束窄时，就可以在结构上游形成壅水，起到缓和上游水表面坡度及减缓流速的作用，如图2所示。这种作用过程与堰通过壅水改善水力条件实现拦冰很相似。因结构横断整个断面，在较大的水深或者较宽的河道中会有更大的水压力作用在结构上，开河期间如果冰量过大，结构可能会失效，因此，这种结构适用于冰量较小且水深较浅的小型河流，且具有很好的经济性。Brain Morse提出的索-网结构形式是张力堰结构的一种改进形式。在索-网结构形式中，利用浮筒保持绳织网的张紧状态，这样就在增加拦冰能力的同时取消了支柱的使用。带来的问题是这种结构并不适用于很浅的水深，水深过浅会使下垂的浮筒冻结在河床上无法浮起，失去拦冰效果。

坐底壅水式控冰结构中还有一种非典型的结构形式——坝。由于建坝成本高，故多是作为多功能的防洪发电结构而建造，为控制流冰而建坝的工程实例很少。坝体建成后，会在其上游形成水库，如果库容足够大，则不仅可以为直接截留的冰花或冰块提供储存场所，还可以通过适当调蓄库容，在很大程度上改变河道的热力和水力条件进而影响上下游的冰情。大中型天然河流河道形态复杂，年径流变化较大，流冰季节冰量大且冰情复杂，其他控冰结构形式的可靠性差。在这种河流上建造及运行水坝时，合理考虑坝对冰情的影响，充分发挥坝的控冰优势，可以在利用丰富水力资源的同时，实现工程的综合效益。我国在黄河沿线水利设施的运行过程中，已对此有所认识，并且通过改进管理运行方式提高了对上下游冰情的控制力[11-12]。

1.2 坐底非壅水式控冰结构

CRREL的研究人员经过系统的冰水力学实验提出了一种倾斜闸墩结构形式，并在美国佛蒙特州的Hardwick进行了原型测试[13]。闸墩呈倾斜状会使部分冰块爬升，这种现象一方面会使结构垂向受力增加而提高结构稳定性，降低建造成本，另一方面也会改变冰的破坏模式，即由挤压破坏或屈曲破坏变为弯曲破坏。由于冰的弯曲强度低于挤压强度和屈曲强度，部分冰块会破裂继续输向下游，特别是当冰块比较薄时这种情况会更严重，从而增加了下游再次发生冰坝的可能性。CRREL的研究人员在为美国纽约州的Cazenovia Creek设计控冰结构时对此做了改进，采用圆柱结构形式来代替倾斜结构形式[14]。冰水力学实验结果表明这种方法可以提高拦冰效果。限制这两种结构使用的不足之处在于它们要求对滩地河道相交处以及闸墩附近的河床和河岸进行保护，以减轻水流冲刷对结构稳定性产生的影响，同时还要求有相邻的滩地让水流经过，限制了选址范围。

由于封冰期间闸墩上游不能形成冰盖，为使开河期间结构前缘形成有效卡堵保证结构拦冰的可靠性，闸墩间距不能太大。实际观测表明，上述两种结构在布置形式经过优化设计后可以在流速1.0m/s的河道保证拦冰效果[7]。如果在坡度更陡水流更急的河道中采用闸墩结构形式，势必要大大减小结构之间的间隔以保证结构的拦冰效果，使得闸墩结构的优势变得不明显。对此，Brain Morse(2006)提出了一种柱网形式的控冰结构[10]。在这种结构形式中，由一定间隔的圆柱结构支撑悬网，并且利用索扣把网的下端固定在河床上。模型实验结果表明，一旦有冰块挤入网中，这种结构形式就可以轻易地拦截流冰。柱网结构对闸墩结构主要改进之处在于它通过使用网结构增加了闸墩间距而不损失结构拦冰能力，从而减少了闸墩的数目。

图3 斜闸墩结构概念图

人工岛作为坐底非壅水式控冰结构，和上述三种典型的坐底非壅水式控冰结构形式存在较大差异，这是由于它们的运用环境不同造成的。上述三种结构形式通常运用在河道中，在冰块堆积体形成后可以通过河道的摩擦减轻结构的受力。但是，迄今为止，唯一应用人工岛作为冰控结构的工程实例是在河湖汇合处[15]。河流在此处变得坦宽，输冰能力显著下降，流冰通常聚集形成大面积的冰原并在水力风力驱动下发生移动。和其他控冰结构形式相比，人工岛的最大优势在于其庞大的体积能够可靠地抵抗冰原移动产生的巨大整体推力。

1.3 浮式控冰结构

拦冰索是最典型的浮式控冰结构，如图4所示，它通常由一系列的原木或者铁制浮筒组成，用铁链或者钢索串在一起横排在河面上，并用锚固端将两端固定在岸边。原木或浮筒之间留有一定距离以防止相互碰撞，锚固端附近也留有一定长度自由段以适应水深变化。拦冰索形式多样，设计灵活，可以根据需要设计成单跨或者多跨，原木或浮筒截面可以是圆形或者矩形，并可以设计成双排形式以增加原木或浮筒的稳性，提高拦冰效果。

传统的拦冰索设计过程中一般认为拦冰索上游水力条件应满足平均表面流速V≤0.7m/s，平均水深傅汝德数Fr≤0.08[16]，即流冰在总体水平上可以平靠在拦冰索处，而不会下潜被冲向下游。

尽管每年安装和拆除拦冰索会带来运营麻烦和成本增加，但是拦冰索建造成本和对环境负面影响都相对较低的优势使它成为应用最广泛的控冰结构。需要注意的是，拦冰索是顺应式的控冰结构，当作用在拦冰索的冰载荷超过一定程度时，浮筒就会部分下潜释放截留下来的流冰以防止结构被破坏，由此引发的结构失效等后果在设计时必须加以考虑。

漂浮拦冰网控冰结构最早是在1990年由Sahlberg开发出来的。他通过在钢缆后增加漂浮带状网的方法治理瑞典Ume河上一些水电站取水口处由于冰花堵塞导致输水能力下降的问题。Andrew Liddiard等人在解决加拿大蒙特利尔市的河流流冰问题中受到启发。他们用拦冰索替代钢缆和拦冰网组合使用，提高了拦冰能力[17]，如图5所示。测试原型监测结果表明，由于冰花在带状网上的冻结使得拦冰索能够在表面流速高达0.9 m/s的河段促成冰盖形成，而传统拦冰索只能在平均表面流速不超过0.7m/s的河段才能达到预定效果。拦冰网结构放宽了拦冰索的适用水力条件限制，但也带来了一些问题。主要问题是漂浮的带状网往往损坏严重，每年都需要修补更换；在有船只航行的河流中，带状网还可能缠绕推进器，影响航运；另外，受水流的影响，带状网还会发生卷曲及相邻网之间的折叠而降低使用效果。

图4 典型拦冰索布置图

图5 拦冰索/网组合使用图

2 比较和讨论

不同结构形式由于其特性各异，各自适用的冰条件和水力条件也有很大差异，如表1所示。

表1 不同结构形式的特性总结

坐底式结构从河床向上贯穿整个或部分水流断面，所以相对于浮式控冰结构，这类结构更适用于拦截因为水流流速过大或者水表面坡度过陡而发生下潜的流冰，特别是对于其中利用混凝土、岩石等材料建造的永久性控冰结构，拦冰量大，表现出很高的可靠性，但其建造成本高昂，结构运用受水深限制严重。网结构降低结构成本的同时也降低了结构的拦冰量，所以在小型河流中显示出良好的经济性。

坐底壅水式结构在控制流冰时通过壅水改善上游水力条件后减缓流冰下潜实现拦冰的，因此必须考虑使用年限过长造成淤积产生的影响。坐底非壅水式控冰结构和坐底壅水式控冰结构相比，并没有通过壅水来改善水力条件，而是利用原有不利水力条件，使流动冰块下潜堆积形成连底冻或部分连底冻，而后使水流改道从相邻的滩地泄向下游。舍弃壅水结构的做法，一方面避免了采用堰等壅水结构所受到的限制，使结构建造成本大大降低，从而对水深及河宽有更广的适应性，并且因不会明显改变上下游的水位，减轻了对生态环境的影响；另一方面则由于没有壅水，冰花或碎冰无法在结构上游并置形成冰盖，削弱了结构在封冰期间的作用，只适用于在开河期间拦截流动的冰块。

浮式控冰结构通常是利用漂浮的柔性结构对流冰进行控制，相对于坐底式控冰结构来说其受水深限制较小，但是对下潜的流冰控制力也较弱，所以这类结构一般对水力条件有严格的限制，要求流冰不能下潜或者仅少量下潜堆积。另一方面，相对于那些利用混凝土、岩石等材料建造的控冰结构来说，浮式控冰结构拦冰量小，一般只用于在封河期间拦截流动的冰花和碎冰促成冰盖的形成或者在开河期间对流动冰块起导漂作用或者短暂的拦截作用。

人工输水渠道在冬季为保证输水安全而采取结冰盖运行方式时，水流流速一般控制得较低，而且常对流冰采取分段消化的方法，以保护节制闸、倒虹吸、渡槽、取水口等水工建筑物所处的脆弱断面。另外，人工输水渠道一般河道宽度不大，形成的冰盖或冰积聚物还可以由河道摩擦力为其平衡提供有利条件，从而降低结构受力，防止失效。因此，拦冰索在人工输水渠道中有良好的适用性，且已应用于我国的工程实践。

3 结语

我国冬季寒冷地区的河流渠道受流冰影响严重，控制方法有待改进和丰富。多种多样的冰条件及水力条件也要求我们在不同情况下选择最佳结构形式以提高效费比。考察现有各种控冰结构的运用现状将有助于改进现有结构形式和提出新型结构形式以满足工程需要。

尽管控冰结构在工程中已有诸多成功运用经验，但是设计运用过程中也存在着很多问题，如结构对冰条件及水力条件的适用性并没有精确的量化方法进行描述，而多依靠模型实验和现场观测实现；传统的拦冰索设计过程把拦冰索简化为受均布线载荷的平面抛物线形式进行计算，而忽略了浮筒稳性这一重要因素。要解决这些问题，就需要发展描述冰-水-结构相互作用过程的数学模型，然而迄今为止，很少看到这方面成熟的研究成果。

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Developments of Ice Control Structures in Rivers and Canals

LI Xue-hua，HUANG Yan
（Institute of Civil Engineering,Tianjin University，Tianjin300072，China）

Rivers and canals in cold regions face the ice flowing problem in every winter,and it is of great sense to control ice flowing and mitigate ice jam.From the aspects of the various structure forms,mechanisms,limitations,main merits and drawbacks,different kinds of ice control structures are reviewed respectively used in China and other countries at present.The analysis and summary will be helpful to develop ice mitigation technology,and provide the reference to select the optimal structure form in the engineering practice.

river;canal;ice flowing;ice control structure

TV875.1

A

1672-9900（2011）05-0054-05

2011-08-19

李学华（1987—），男（汉族），河南濮阳人，硕士，主要从事海洋环境与结构相互作用研究，（Tel）13821039505。