阅读说明：本技术 一种冰盖下***预防冰坝的方法 (Method for preventing ice dam by blasting under ice cover ) 是由 杨开林 郭新蕾 王涛 郭永鑫 付辉 李甲振 彭旭明 吴煜楠 于 2019-11-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种冰盖下爆破预防冰坝的方法,包括：爆破时间的选择；爆破区域选择；找到深泓线；布置爆破孔；冰层下爆破；爆破坑周围形成温度场；形成清沟明流；形成大面积融冰水面。本发明产生的有益效果是：本发明申请摒弃了传统沿河道截面设置爆破点的方式,将爆破点沿河道主槽深泓线布置,将爆破时间选择在温度在零度波动的时段,爆破后在下游形成加速冰面溶解的温度场,解决上游爆破后融冰和流冰的输送问题,使冰面快速溶解,解除形成冰坝的威胁。(The invention relates to a method for preventing an ice dam by blasting under an ice cover, which comprises the following steps: selecting blasting time; selecting a blasting area; finding a deep hong line; arranging blast holes; blasting under an ice layer; forming a temperature field around the blasting pit; forming clear flow of the ditch; and forming a large-area ice melting water surface. The invention has the following beneficial effects: according to the method, the traditional mode of arranging the blasting points along the cross section of the river channel is abandoned, the blasting points are arranged along the body line of the main channel of the river channel, the blasting time is selected in a time period when the temperature fluctuates at zero degree, a temperature field for accelerating the dissolution of the ice surface is formed at the downstream after blasting, the problems of ice melting and ice flow conveying after upstream blasting are solved, the ice surface is rapidly dissolved, and the threat of forming an ice dam is relieved.)

一种冰盖下***预防冰坝的方法

技术领域

本发明涉及一种冰盖下***预防冰坝的方法，是一种防灾减灾的水工工程方法，是一种防止冰坝形成造成洪水灾害的方法。

背景技术

我国高寒地区冬季江河冰情严重，开河时容易发生冰坝洪水灾害，如我国的黄河、黑龙江、松花江。冰坝是开河期由大量的流冰在河道中局部堆积而成的，一旦冰坝形成，上游水位短期内往往接近或超过历史上最高洪水位，可导致水位壅高漫出河堤，淹没农田房屋，使沿岸水工建筑物和构筑物遭到破坏。

防止和减少冰塞、冰坝的灾害可以采用机械清理和***等方式。***作业消除冰坝洪水危险是行之有效的非工程措施。***消除冰坝洪水风险作业可划分为两种：***破除冰坝和***预防冰坝，前者是在开河时冰坝已经形成条件下被动采取的应急措施，后者是在开河前主动采取的预防措施。***方式有人工在冰面穿孔放置***的***方式和飞机投弹等方式。飞机投弹***则准确度较低，费用较高，只有在冰塞、冰坝已形成严重灾害威胁且冰面无法人工作业的紧急情况下才使用。预防性***则费用较低，人工作业的危险性较小，是多年来防冰救灾减灾部门希望采取的方式。但长期以来，由于缺乏在冰水热动力学方面的研究，这种***方式的效果不能令人满意，无法有效防止冰坝的形成，而且需要使用较多的***，在冰面上穿孔和装药的作业量太大。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种冰盖下***预防冰坝的方法。所述的方法根据冰、水热动力学理论与***效果相结合，精心的选择***时间，***点，***孔的布置，温度场的分布等，将***效果最大化，能够有效的防止冰坝的形成。

本发明的目的是这样实现的：一种冰盖下***预防冰坝的方法，所述方法的步骤如下：

步骤1，***时间的选择：气温由负温稳定转为正温的初期；

步骤2，***区域选择：选择河道变窄、弯道、浅滩、多分叉河段、跨河建筑物及水深由浅到深过渡区这些河段下游作为***区；

步骤3，找到深泓线：通过已有水文资料，或通过地质雷达在冰层上探测找到河道的深泓线；

步骤4：布置***孔：根据河宽，只在深泓线附近沿流向布设1—3列***孔，***孔的纵向间距大于相邻***孔***所产生的***坑的半径之和，横向间距大于纵向间距；

步骤5，冰层下***：在***孔布设位置开凿穿透冰层的冰孔，用绳索将***吊至冰层底部，用横挡将绳索固定在冰孔上；

步骤6，***坑周围形成温度场：***坑内碎冰和周围冰盖将首先融化，***坑的迎水侧融化速率大于背水侧，融化的形状类似吊挂的顶部开口的不对称的喇叭型；

步骤7，形成清沟明流：各个***坑自由水面相互连通形成清沟，形成局部温度场，随后，随着清沟两侧冰盖的融化，形成全断面自由水面的温度场；

步骤8，形成大面积融冰水面：沿河道水流方向，利用温度场促使下游冰盖加速融化，使***效果最大化。

本发明产生的有益效果是：本发明申请摒弃了传统沿河道截面设置***点的方式，将***点沿河道主槽深泓线布置，将***时间选择在温度在零度波动的时段，***后在下游形成加速冰面溶解的温度场，解决上游***后融冰和流冰的输送问题，使冰面快速溶解，解除形成冰坝的威胁。本发明将冰、水、热动力学理论与***效果相结合，提出了在冰坝易发点沿深泓线实施冰下***形成温度场预防冰坝灾害的理论，包括：***时间的选择，***孔的布置，***效果的估计，温度场水温及下游冰盖下水温的影响长度和冰盖融化速率的计算。研究证明除气温外流速是影响***坑周围冰盖融化速率的重要因素，随着流速的增加，温度场微小的水温增加会使得下游冰盖融化的速度显著增加，温度场的水温与纵向长度成正比。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例所述方法的流程图；

图2是冰孔和***筒放置示意图；

图3是***后***坑冰层融化势态平面示意图；

图4是***后***坑冰层融化势态立面示意图。

具体实施方式

实施例：

本实施例是一种冰盖下***预防冰坝的方法，所述方法的步骤如下，流程如图1所示：

步骤1，***时间的选择：气温由负温稳定转为正温的初期。

研究表明，在冰坝刚刚形成的几小时之内实施***破除冰坝的效果最好。为了获得最大的***效果，***需要安装在冰坝下或将***安装在有空洞或裂缝的地方，但是如果不能够把人员放在冰坝上，这将很难实现。破冰顺序从冰坝趾部开始向上游延伸，此时水流可以将破碎的冰块向下游输运。问题在于，在冰坝刚刚形成的几小时之内，水位还会不断的上涨，冰坝的稳定性一般还不能满足人员和设备的要求，实施冰下***存在很大的风险。由于冰坝形成后采取冰下***作业存在很大的风险。

为避免人员的作业风险，本实施例将***时间选定在冰坝形成之前的气温由负温稳定转为正温的初期，理由是：冰下***后，***孔周围冰盖破碎，形成***坑，***后的碎冰除部分像雪花一样散落在***坑周围外，大部分堆积在***坑内，形成水浸冰。当***后气温在0.0⁰C以下，则***坑内水会重新结冰形成冰盖，并把碎冰块冻结在一起，使得***效果大打折扣，因此，实施冰下***的最佳时间是气温由负温稳定转为正温的初期，以使***河段及下游冰盖有足够长的时间融化，达到***间接效果最大化。例如在开河前几个星期钻孔作业，这时冰盖承载能力较大，作业人员掉落冰窟窿的风险较小。

步骤2，***区域选择的步骤：选择河道变窄、弯道、浅滩、多分叉河段、跨河建筑物及水深由浅到深过渡区这些河段下游作为***区。

冰坝易发点一般是河道变窄、弯道、浅滩、多分叉河段、跨河建筑物及水深由浅到深过渡区，当这些河段下游具有完整冰盖时，则上游来冰就可能在冰盖前堆积形成冰坝。

冰坝易发点的河道一般为复式河道，可划分为主槽和漫滩，主槽水深和流速较大，漫滩水深和流速较小。在滩槽交界面附近，水深和流速发生急剧变化，水流紊动强度大，形成复杂的横向二次流和螺旋流，使滩槽水体发生大量的质量交换和对流热量交换。

弯道的水力学特点是：在水流的离心力作用下，凹入的河岸受到侵蚀，侵蚀下来的泥沙，通过弯遭环流，搬运到对岸沉积．逐渐形成圆弧状坡缓的凸岸。凹岸通常水深、流速较大；凸岸坡度缓和，近岸水流缓慢。在寒冷的冬季，凸岸一侧封河期易于形成岸冰，并向河心发展，缩窄河道，当上游大量浮冰来临，则会形成冰桥，成为冰盖的起点并向上游发展。当“武开河”时，即开河顺序是由上游到下游，由于弯道冰盖较厚，不易破损，大量水面流冰易于在这里上挤下潜形成冰坝。

浅滩河道的水力学特点是：上游河道底坡较陡，水深较浅，平均流速较大，而浅滩河宽较大，水深浅，平均流速小。在封河期，在浅滩流速<0.3m/s的水面形成静态冰，在上游水面漂浮大量来冰的情况下形成封河冰盖。如果上游河道水流急，短时间内水面不能冰封，则在寒冷空气的作用下，通过空气与水面的热交换，水中将产生大量的冰花和水内冰流到下游浅滩，通过下潜堆积在冰盖前缘下面形成冰塞，从而导致上游水位升高，流速减小，冰盖向上游发展。

在开河前在冰坝易发点实施冰盖下***，迫使这些河段冰盖或者冰塞在上游开河前融化消除，则能够防止冰坝洪水的发生。

步骤3，找到深泓线：通过已有水文资料，或通过地质雷达在冰层上探测找到河道的深泓线。

本实施例找到深泓线的目的是在深泓线的部位设置***孔的位置。在深泓线上布置***孔的原理是：

冰下***的效果可划分为直接效果和间接效果。直接效果的常用评估指标是用药量与形成***坑的面积大小。间接效果是指***坑形成后，由于出现水与空气的直接接触，增强了***坑处水与大气、冰与水的热交换，不仅使得***坑内冰融化，而且使得***坑周围冰盖加速融化，进而使得自由水面不断增加，同时，由于冰盖的融化，原来的冰域也转变为水域，水深增加，槽蓄量增加，有利于开江时冰排的顺利通过。在实际的冰盖下***结果证明，在水深较浅的地方开展***不能很好发挥***的能力，在水深较大的地方可以提高***的直接效果。下面将通过分析冰盖厚度融化速率与气温、水温、流速、水深的关系，确定***孔的最佳位置，以提高冰下***的间接效果。

在没有雪盖的条件下，冰盖厚度融化速率与气温和水温的关系是

式中：h为冰盖厚度，单位是m；t为时间，单位是s；T_W为水温，单位是℃；为空气的日 平均气温，单位是℃；T_s为冰盖顶的温度；T_m为冰点温度，单位是℃；ρ_i为冰的密度， ρ_i＝915～917kg/m³；L_i为单位质量冰的潜热，当水结冰时，L_i＝3.33×10⁵J/kg的潜热被释 放；h_ai为空气与冰的热交换系数，单位为W/m²，是一个综合考虑太阳辐射、空气的温度和 湿度、风速、气压、云及降雨和降雪等因素的参数；h_wi为水与冰的热交换系数，单位是 W/m²℃。根据现有理论，当气温和水温均为正时，冰盖厚度上下都会发生融化。

热交换系数h_wi与流速和水力半径的关系可描述为：

h_wi＝1622U^0.8/R^0.2 (2)

式中：U为沿流向的水深平均流速，单位为m/s；H为过水断面横向坐标y处的水深，单位为m；R为水力半径，单位为m。假设河道单位长度上冰盖与河底湿周相同，则R＝0.5H， 这时有：

h_wi＝1863U^0.8/H^0.2 (3)

丹麦DHI的流速横向分布公式：

U＝αU_m(H/H_m)^3/2 (4)

式中：U_m为整个河道过水断面的平均流速，单位为m/s；H_m为过水断面平均水深，单位为m；α为常数。显然，在河道过水断面上，水深H越大，流速U越大，当然，一些局部深 坑除外。

把式(4)代入式(3)消去H得：

h_wi＝c_wiU^0.667 (7)

式中：对于给定的过水断面和恒定流，c_wi是常数。

由此可知：当水温为正时，在河道同一过水断面上，流速与水深成正比，冰盖厚度减小的速率随流速的增加而增加。

类似地，当采用柱坐标系时，***坑侧壁冰融化的速率与水温的关系可描述为：

式中：r为水深z处侧壁到坐标原点的距离/m；h_wi，z为***坑侧壁的水与冰的热交换系数， 单位是W/m²℃，假设；h_wi，_z与流速具有式(7)关系，则：

h_wi,z＝cv^β (9)

式中：v为***坑内侧壁附近的流速/m/s；c和β为待定系数。

对于宽深比较大的河道，冰盖下流速的纵向分布特点是：冰盖底和河床上的流速为零，最大流速在冰盖和河床之间，最大流速与冰盖及最大流速与河床之间近似呈对数规律分布，因此，在***坑尺寸相对河宽较小的情况下，冰盖下的较高流速将拖拽***坑内水流运动，增强了质量和热量的对流交换，水温趋于均匀，在坑内形成上下和左右环流，且迎水侧v大于背水侧，下部v大于上部。假设***坑内水温掺混均匀，则从式（8）和式（9）可得：当水温为正时，***坑侧壁范围内冰融化的速率随水深的增加而增加，迎水侧融化速率大于背水侧。

步骤4，布置***孔：根据河宽，只在深泓线附近沿流向布设1—3列***孔，***孔的纵向间距大于相邻***孔***所产生的***坑的半径之和，横向间距大于纵向间距。

以往的预防形成冰坝的***将***点设置在河道沿某一横截线上排布，***效果不好。本实施例将***孔开凿在深泓线附近。

当***孔位于流速较大的地方时，***坑周围冰盖融化的速率较大，即冰下***间接效果较大，同时，对同一河道过水断面，水深越大的地方，水深平均流速也大，从中可得重要结论：***孔的最佳位置是河道冰坝易发点的主槽深泓线，那里是水深流速大的地方。

在***现场的观察发现，在冰下***实施江段，开河前会发生下游相当长江段的冰盖突然崩解的现象，这表明***提高的水温对下游冰盖融化有很大作用。为了使得冰下***预防冰坝的成功性和投入的经济性，理想的目标是通过***形成具有一定规模的温度场，不仅消除***河段的冰盖，而且消除下游相当长河道的冰盖。换句话说，冰下***预防冰坝不仅要考虑***的直接效果，更要考虑冰、水、热动力学作用的间接效果。为此，基于复式河道的流动和热交换特点及***坑周围冰盖融化的特点，可以采用下述***孔布置方式：

1）根据河宽，只在深泓线附近沿流向布设几列***孔，例如1—3列，以形成一定规模的温度场，然后利用主槽和漫滩的质量和热量对流以促使两侧漫滩和下游冰盖的解冻；

2）考虑***间接效果的作用，***孔之间的间距以大于相邻***坑的半径之和为宜，沿纵向的相邻***孔的间距宜大于相邻***孔的间距，其原因一是纵向流速大，二是上游***坑吸收的热量将传递到下游，增强了下游***坑周围冰盖的融化速率。

***坑之间的距离在于促进***坑之间的冰层融化，两处***坑之间的距离太小，则***效率较低，距离太大则影响融冰速度。一般说来，***坑之间的距离根据气温上升的情况而定，气温上升较快时则间隔较大的距离，相反如果气温在接近零度附近徘徊，则应当设置较小的***坑距离。

步骤5，冰层下***：在***孔布设位置开凿穿透冰层的冰孔，用绳索将***吊至冰层底部，用横挡将绳索固定在冰孔上。

冰层下***就是将***1放在冰层2下方的水3中。在冰层上开凿冰孔4，将***用绳索5和横档6吊在冰孔中，如图2所示。研究表明***的效果与***类型无关，因此可以采用工程上常用***筒，这种***筒价格低廉，稳定可靠，比较安全。

步骤6，***坑周围形成温度场：***坑7内碎冰和周围冰盖将首先融化，***坑的迎水侧融化速率大于背水侧，融化的形状沿水流方向8类似吊挂的顶部开口的不对称的喇叭型9，如图3所示（平面图）。从图4的立面图中可以看到，由于***后所形成的温度场影响。融化的冰层从底部倾斜向上延伸至***坑，使原冰层厚度10从底部开始融化，促成与下游的***坑融化连接，形成清沟。

步骤7，形成清沟明流：各个***坑自由水面相互连通形成清沟，形成局部温度场，随后，随着清沟两侧冰盖的融化，形成全断面自由水面的温度场。

步骤8，形成大面积融冰水面：沿河道水流方向，利用温度场促使下游冰盖加速融化，使***效果最大化。

步骤6、7、8是***后在河道中形成的温度场所产生的冰层融化过程，其理论基础为：

温度场作用：

在按照上述***时间和***孔布置实施冰下***后，***坑内碎冰和周围冰盖将首先融化，然后***坑自由水面相互连通形成清沟，形成局部温度场，随后，随着清沟两侧冰盖的融化，形成全断面自由水面的温度场。

下面分析温度场形成后，场水温与长度的关系，场水温对下游冰盖下水温的影响长度，下游冰盖厚度与场水温和时间的关系等。为使问题简化，假设：1）过水断面为矩形；2）温度场明流和下游冰盖下流动为均匀流。

温度场水温与气温和温度场长度的关系：

冰下***河段形成温度场后，忽略温度扩散的影响，则一维热对流方程可描述^[14]为

式中：X为沿流向的距离/m；U₁为温度场的流速/m/s；H₁为温度场的水深/m；ρ为水的密度，一般取ρ＝1000kg/m³；C_p为水的比热/J/kg℃，在0℃时，C_p＝4217.7J/kg℃；h_wa为 水向空气的热交换系数，是一个综合考虑太阳辐射、空气的温度和湿度、风速、气压、云及 降雨和降雪等因素的参数，对北美地区，大气和水交界面的热交换系数h_wa≈20W/m²℃。

采用特征线方法，式（10）可改写为：

（11）

（12）

式中

为水流质点离温度场进口的距离，单位是m。

在一天时间内，日平均气温为常数，求解式(11)常微分得：

t＝x/U₁ (14)

式中：T_w0为t＝0时刻温度场进口水温，单位是℃。

对于静水，X＝0，式(13)表示水温随时间的增加成自然指数增加。在***初期 的***坑内的水体可以认为是静水，这时水温随气温的增加而快速增加，但随着碎冰的减少，冰盖下流动将使得***坑内水体流动，把热传递到下部，导致***坑内的水温下降。

当流速不为零时，把式(14)代入式(13)可得温度场水温与距离X的关系：

当温度场长度为X₁，则对应水温

式中：T_W1为温度场出口水温或下游冰盖前缘流入水温，单位是℃。

在一般情况下，X₁<10⁴m，即h_wax₁/(ρC_pHU)＜＜1成立，式(16)可改写为：

T_w1-T_w0＝(T_a-T_w0)h_wax₁/(ρC_pH₁U₁) (17)

在自然环境下，冰盖下水温T_W0非常接近T_m，即T_W0≈0℃，因此，可得重要结论：温度场出口水温T_W1与温度场长度、气温及水与空气热交换系数的积T_ah_waX₁成正比，与单宽流量 H₁U₁成反比。

温度场水温对下游冰盖下水温的影响长度：

对于温度场下游冰盖下的流动，一维热对流方程可描述为：

式中：U₂为温度场下游冰盖下流速/m/s；H₂为冰盖下水深/m，即冰盖底高程与江底高程之 差。

与前述类似可得：

假设X＝X₂时，由于水与冰的热交换，冰盖下水温从T_W1下降到温度场进口水温T_W0，则称L＝X₂--X₁为温度场水温对下游冰盖下水温的影响长度，这时：

当L<10⁴m时，h_wiL/(ρC_pH₂U₂)<<1，上式改写为：

把式(5)代入式(21)

由式(22)可得：场水温、冰盖下水深和流速越大，场水温对下游冰盖下水温的影响长度L 越大。

当取ρ＝1000kg/m³和C_p＝4217.7J/kg℃，则可得：

温度场下游冰盖厚度与温度场水温、气温和时间的关系：

式(1)也适合于温度场下游冰盖厚度的变化，在没有雪盖的条件下，冰盖厚度的变化与气 温和水温的关系为：

当取T_S＝T_m＝0℃，将式(19)代入式(23)可得温度场下游X处冰盖厚度随时间变化的计算公式：

式中：右边第二项

为X处受冰和水热交换影响减小的厚度， 右边第三项Dh₂＝h_aiT_at/ρ_iL_i为X处受气温和冰热交换影响减小的厚度。

本实施例所述方法曾应用在黑龙江的防灾减灾工作实践中，取得了良好的效果，并得到大量详尽的实验数据，通过这些实验数据验证了本实施例所述方法的正确性和实用性。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如***江河的位置、各种公式的运用、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。