莲花水电站导流开江期防冰害措施研究

巩宪春 ，刘宇航 ，金 贤 ，孙 瑜

（1.水利部寒区工程技术研究中心，吉林长春 130061；2.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130061；3.华能通榆新华风力发电有限公司，吉林长春 130022）

1 基本情况

莲花水电站位于牡丹江下游河段，坝址处河道呈弯曲形，并由无名岛和狗王岛构成坝址上下游2个分叉型河段。枢纽由混凝土面板堆石坝、岸坡式溢洪道、厂房及引水系统组成，最大坝高71.8 m，总库容41.8×108m3，装机容量55 kW。

工程施工阶段采用一次断流、隧洞导流方式。2条导流隧洞平行布置在大坝的右岸，洞身由两部分组成，前半部在施工导流结束后，作为永久发电引水隧洞。隧洞进口分为4孔，每孔净宽6 m的进水口，至闸门井处收缩为两孔，每孔宽仍为6 m，进口段自岸边伸进水库约40 m，2条导流隧洞进口中心线均与河道斜交，交角分别为60°和70°。

莲花水电站地处严寒山区，由于导流隧洞前缘进口单孔净宽小于武开江的平均冰块尺寸10 m×7 m，统计1954—1975年流冰期实测资料表明，开江时因冰块堆积产生冰坝或冰块滑动而显著抬高上游水位的年份共有8年，抬高水位范围为1.50～3.23 m，其余年份为文开江。在开江期间各年流量多变化在400～700 m3/s，最大流量为1 200 m3/s。开江时，最大冰块尺寸约200 m×100 m，小者1 m×1 m，一般在10 m×7 m。最大冰速约2.0 m/s，流冰密度（即流冰面积与河道水面之比）通常在0.6～0.3之间，流冰时间可不连续地持续5～7 d，最长可达18 d。

分析计算认为，莲花水电站导流隧洞前缘在流冰期会发生冰塞，冰塞类型为宽河阻塞型，水位壅高较大，需要采取相应的工程措施。

2 模型试验成果

为解决导流遂洞过冰及防冰害问题，在1∶100比尺模型上，用石蜡模拟天然冰进行定性试验观察，冰块模拟尺寸为4 m×4 m，5 m×5 m，6 m×6 m，6 m×7 m。试验结果发现：凡对角边长小于6.0 m的冰块，在导流洞进口处绕行旋转后全部下泄；而对角边长大于6.0 m的冰块，在进口处，由于水流流速加大，使冰块产生旋转和倾覆，进而封堵于进口。小流量400 m3/s时，由于进水口前行近流速小而不易倾覆，大流量1 260 m3/s时相反。另外，经试验发现，堵塞多发生在导流洞进口前和闸门井2处，一旦发生堵塞，将造成上游水位壅高，进而威胁围堰安全。

3 防冰措施

为了保证导流隧洞在开江期间流冰的安全运行，需要采取适当的措施。根据前面的分析，隧洞泄冰是有条件的，只能泄放较小尺寸冰块。为此，在正常运行时，可利用隧洞闸门调节水位，形成蓄冰条件，以拦蓄大尺寸冰块。此外，也可以利用拦冰排将冰拦置于隧洞进口上游，以形成稳定冰盖为特点的蓄冰、拦冰或采用拦蓄结合的防冰害措施。

3.1 过水建筑物前的堵塞类型

过水建筑物前的堵塞分为“内堵”和“外堵”两种类型。当冰块进入进水口后，在进水口下游的过水道某处，由于断面形状的改变使冰块无法通过，而造成“卡壳”，后面的来冰进一步堆积，这样形成的堵塞称为内堵。当冰块的强度较大时，“卡壳”的冰块不发生结构破坏，有压水道的内堵冰塞就会将水道完全堵死，这就出现了“死堵”的现象，这种现象对水工建筑物的危害最大。“死堵”现象较易出现在过流道的闸门井处，使泄流能力大大降低，危害巨大。

冰块在进水口前缘形成堵塞，而进水口下游的过水道畅通无阻，这样的冰塞称为“外堵”。外堵一般不会出现死堵现象，但并不排除上游有冰坝溃决，使进水口前的冰块突然增多，进水口前水位来不及上升，大量冰块将进水口完全封堵的情况。外堵与天然河道开江所形成的冰坝，均属于动冰的冰盖型堵塞，在没有特殊说明的情况下，常常说的冰塞现象，都是指“外堵”这种类型的堵塞。

3.2 蓄冰方案

在施工导流期间，考虑冰块尺寸较大，隧洞不能顺利泄冰，此时可利用闸门将库水位抬高，以增加水深，降低隧洞进口前的水流流速，促使形成并置型冰盖。根据对隧洞进口前各种水流情况的测试，当进口前出现使冰块不翻转的临界流速时，库区早已形成并置型冰盖所需的水流条件，所以，只要控制进口前的冰块不翻转，并置型冰盖就会自然形成。

由冰置型冰盖公式

得到冰盖下面水流的平均流速计算公式为

式中：Vu——冰盖下面水流的平均流速，m/s；g——重力加速度，m/s2；ρ——水的密度，kg/m3；ρi——冰的密度，kg/m3；t——冰盖的厚度，m。

试验选取开江流量Q=600 m3/s、冰厚0.5 m，引用式（1）计算出为使浮冰并置于进口前的临界流速v=0.86 m/s。模型试验中，按此条件控制闸门开度，形成并置型冰盖的水库水位比该流量下正常导流时高出10 m多，见表1，将造成围堰高度不足，因此，该工程导流不宜采用蓄冰方案。

3.3 拦冰方案

拦冰排是钢索固定原木所形成的拦冰设施，它可以促进冰盖的形成，并将冰盖限定在指定位置，使在较低水位条件下，形成并置型冰盖，从而达到防冰害目的。成功的拦冰排应具备如下特点[1]：流量相对均衡；横断面面积没有急剧的变化，并且要有一个稳定的河床；水流的佛劳德数必须小于0.08。据此，河面流速必须小于0.69 m/s才能具有较好的拦冰效果，而导流试验中所测得拦冰排前河道水面流速均小于0.69 m/s，表明河道的水流状态具备使用拦冰排的条件。结合莲花河道的具体特点，可在隧洞进口前30～60 m范围设一总长300 m的拦冰排。

表1 蓄冰试验流速分布m/s

隧洞导流情况下，导流洞进口前库区范围在开江流量600 m3/s时，河宽为500 m，河道糙率nb=0.051，河道水面比降j=0.133‰，据此条件计算河道中形成的冰盖属于宽河阻塞型，见表2。表明单独设拦冰排不能将冰全面拦置于拦冰排前。

表2 拦冰方案河道冰盖水力参数

3.4 拦蓄结合措施

为了使拦冰排前的浮冰全部拦置，形成并置型冰盖，可以适当抬高进口前的水位，减小上游河道的水面比降，即采取拦蓄结合的防冰害措施。经计算，当河道比降为0.001%，河道水位升至171.28 m时，拦冰排前河道冰盖类型为并置型，见表3，此时河道平均流速为0.15 m/s，按指数流速公式可以算出表面流速。

式中：u——点流速，m；um——表面流速，m；H——水深，m；y——任意点水位，m，平均流速处计算式y=0.6H。

按式（3）算得的表面流速为0.16 m/s，远小0.69 m/s，说明拦蓄结合方案所设置的拦冰排将会有很好的拦冰效果。

4 拦冰排设计

据以上分析计算，工程拟采用拦蓄结合的防冰害措施。其冰力计算中，有关冰盖的水力参数均采用表3的计算结果。

4.1 拦冰排冰力计算

作用在拦冰排上的力有[1]

式中：fw——水流对冰盖的拖拽力；fa——风对冰盖的拖拽力；fg——冰盖重力在水流方向的分力；fp——冰盖形成初期的水流压力；fk——大浮冰块聚集时的撞击力；fs——冰与岸边的摩擦力；fv——船只、冰块、结构物之间的相互作用力。

这里可以忽略fp与fk，不考虑fv，并假定风是向下游吹的。而冰与岸边的摩擦力fs目前尚不能确定，但野外观察表明，冰荷载来自拦冰排前一定区域。这里可将冰盖看成由冰块组成的松散体，利用普氏“坍落拱”[6]理论，计算对拦冰排有影响的冰力范围：

表3 拦蓄结合方案河道水力参数（B=600 m）

式中：l——沿水流方向α冰力影响的范围，m；f——等于tgα，冰的摩擦角为α=26°；B——河面宽度。

由此可求得l=1.02B，即作用在拦冰排上的冰荷载来自拦冰排前1.02倍河宽的区域。为了使工程有一定的安全度，根据文献［1］的建议，设计时应取5倍的河宽。据此计算作用在拦冰排单位长度上的冰力fi为：

4.2 拦冰排结构规划

拦冰排拟采用2根直径为0.36 m原木，用螺栓并排固定在一起的原木式拦冰排，每根原木长为5.5 m，各原木间用连续的钢索连接，钢索的重量由辅助的漂浮体承受。拦冰排端部采用灌浆锚链锚固在岸边及河中，从河底至漂浮体的锚索长取[1]（12倍的水深）150 m。拦冰排的钢索与弦（从钢索一端到另一端的直线的长度）的比值取1.15，弦长（跨度）取50 m，拦冰排共由6跨组成，其单跨形式见图1。

图1 拦冰排形式示意图

5 结语

莲花水电站施工导流期经计算可形成宽河阻塞型冰盖，冰盖厚度为1.66 m，需适当抬高库水位，改变水面比降，使其转变为并置型冰盖后，才便于实施拦蓄结合的工程措施。通过模型试验和计算分析，提出的防冰害工程措施效果较好。

［1］美国陆军工程兵团，丁志华、陆正勇译.冰工程［M］.能源部、水利部北京勘测设计院标准化室，1991，12.

［2］Pariset E，Hansser R,GagnonA.Formation of Ice Covers ang Ice Jame in Rivers,Journal of the Hydraulics Division，ASCE.Vol.92，1966：1-24.

［3］Beltioss.River IceJams∶Thery，CaseStudies，andApplications，Journal of the Hydraulics Engineering［J］.1983，109（10）：1338—1359.

［4］水利电力部东北勘测设计院科学研究所，黑龙江省水利科学研究所，水利电力部西北水利科学研究所编.水工建筑物冻害及其防治［M］.长春：吉林省科学技术出版社，1990，6.

［5］A.M.Wasantha lal Hung Tao Shen.葛丽荣译.河冰数学模型［J］.山东黄河科技，1990（1—4）.

［6］熊启钧，高昌侠编.隧洞［M］.北京：水利电力出版社，1983，3.