刘一川LIU Yi-chuan；吴建明WU Jian-ming；刘彬LIU Bin；朱宁ZHU Ning

（军械工程学院装备指挥与管理系，石家庄 050003）

（Department of Equipment Command &Management，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

0 引言

任何装备都是在一定任务背景下使用的，其承担任务的分析深度决定了其未来装备的生命力。同时，装备工况的设定基于对环境的分析结论，以及对于现有和未来破冰方法应用的需求，对于装备的适用性也将产生决定性的作用。因此，在对机械防凌破冰装备进行概念设计前，必须要做好装备的任务分析和工况设计。

1 装备任务分析

装备是为了执行规定的任务而设计制造的，因此，装备的任务设定是工况分析的基础。2010 年，国家防总、水利部委托黄河水利委员会在郑州组织召开了“河道破冰减灾应用技术研讨会”，黄河防总针对黄河冰情特点，结合黄河防凌实际，提出以下五种河道破冰需求：一是封河期短河段冰盖破除。该时期冰盖的破除主要是针对流凌初封期，受短时冷空气影响，局部河段出现较短长度的首次封冻。二是开河期长河段冰盖破除。开河期河段上、下游已基本开通，但局部河段迟迟不开，严重影响上游冰凌洪水下泄，且可能在该河段形成冰坝，产生漫滩、决堤等凌汛灾害。三是冰塞破除。主要表现：在流凌封河期，下游河段处于封河期，上游流凌冰花在局部河段逐渐形成冰塞，冰下过流能力减小，致使某河道断面长时期为小流量过程，造成不利的防凌形势。四是冰坝破除。在开河期，上游解冻破碎后的大冰块在狭窄、弯道、浅滩、水库回水末端等处上爬下插而形成冰坝，导致河水猛涨，类似于冰体堰塞湖。五是局部隐患消除。局部隐患主要是受河道边界条件影响，大冰块卡塞或冰塞冰坝位置处于桥梁或狭窄、弯道以及临近工程等河段。

根据凌汛产生机理和防凌要求，确定的防凌破冰装备的主要任务及指标如下：

1.1 开凿流凌通道。冰坝拦水是凌灾形成的终极条件，而这一条件的形成，必须有三个前提，一是上游来冰，二是有阻冰冰盖，三是有较多的河槽蓄水。就目前的技术而言，上游来冰是无法阻止的，而河槽蓄水只能通过水库调节而减少，但无法控制在凌灾下限以内。因此，比较有效的方式是：在凌灾险情高发地区的冰盖上开凿出流凌通道，以消除阻冰条件，从而消除该地区的凌灾。

1.2 破碎大块流凌。流凌通道开凿以后，可能由于大粒径、高密度的流凌产生阻碍，重新形成阻冰体，同时，对于某些人工建筑（如桥梁等），其桥墩跨距相对于流凌粒径，其通过能力不足的情况也时有发生。因此，需要在大块流凌接近易卡冰点之前将其破碎为小块流凌。

1.3 破除冰坝。考虑到经济和工程实现方面的原因，不可能在几千公里的战线上，开凿流凌通道，而且人们的侦察预警不可能做到百分之百的可靠，所以，在某些地段仍然可能快速地形成冰坝。因此，防凌装备系列必须具有较强的侦察能力，特别是夜晚的侦察能力，以及快速破除冰坝的能力。

1.4 消除冰塞。冰塞是冰坝的前提，根据“主动干预，防患于未然”的思想，冰坝早期的冰塞应当消除。冰塞可分为两类：一是冰盖下的积冰，可能逐步发展为连底冰；二是冰盖上游冰水分界线上的卡冰。消除冰塞的难点在于冰塞的可观测性极差，因此，冰塞侦测成为消除冰塞的难点所在。防凌破冰装备系列需要具备消除上述两类冰塞的功能。

2 工况设定

工况是防凌破冰装备运行过程中必须考虑的因素，一般包括环境、冰盖、流凌通道、水流、堤岸与滩地等方面。本文以黄河内蒙河段为例，分析相应的工况设定情况。

2.1 气象环境分析与工况设定 一个地方的气象环境一般是固定的，也是有规律的，对于机械防凌破冰装备工作的一般气象环境也是稳定的，而这些环境条件对于机械防凌破冰装备承载平台而言没有太多困难，因此，就以此作为防凌破冰装备工况要求。具体工况设定如下：开河时间在2 月中旬～3 月下旬；开河期温度平均温度0～5℃，最低-5℃，最高15℃；开河期一般风力3～5 级，正常情况风力≤7 级，风向多为西北风；一般以晴为主，偶有小到中雨和小雪。

2.2 冰盖分析与工况设定 据内蒙古防办给出的指导性意见，黄河冰厚一般在30～60cm，个别年份的局部河段最厚可达1m。因此，破冰装备的工作的冰盖厚度范围设定为30～100cm。根据课题组调查分析和实地调查，以及2008 年11 月制定的《黄河防凌综合能力建设实施方案》中提出的“3～5 年内争取实现30km 以内河段人工干预开河”的指标，设定需要机械防凌破冰装备承载平台黄河冰盖为1km～30km。冰盖是由冰层组成的，其主要分为三种：一是单纯冰结构；二是三层冰结构；三是四层冰结构。单纯冰结构即简单均匀冰结构。三层冰结构，即最上层的立茬冰结构，中层的冰水分布结构，最下层为致密冰结构。四层冰结构是在三层冰结构的基础上，增加堆积冰层。

2.3 流凌通道分析与设定 流凌通道的长度一般与冰盖长度相等，通常在1km～30km 范围以内。流凌通道的宽度，应根据河道的具体情况判定。流凌通道的轴线，应当综合考虑主河槽与主流线带情况而定。但在枯水期时，可观察到主河槽的位置与形状，而在封河期，则难以确定主流线带和主河槽的位置，故在没有精确探测的条件下，将最近一次枯水期时的主河槽中线设定为流凌通道的轴线。

2.4 水流分析与工况设定 水流情况对于水面装备和水中装备有较大的影响，也对破碎后冰体的顺利排放产生影响，故它也是防凌破冰装备设计需要考虑的问题之一。经过课题组的调研，黄河宁蒙段开河期的流速在1m/s～2m/s 之间，极端情况下为3m/s，故设定防凌破冰装备工况如下：流速≤3m/s；在同一断面上的流速不均匀，并且可能多个峰值并存；有“漩涡”和大型“平面环流”；不同深度上的流速也是不均匀的；可能出现表面或河底“垂直环流”。

2.5 堤岸与滩地分析与设定 堤岸和滩地是运载平台到达作业地点可能要经过的地带，故其也是防凌破冰装备设计工况所需要考虑的因素之一。

堤防顶部一般为沥青或砂石路面，主要供轻型巡堤车辆机动，内蒙古防办要求：轮式车辆一般不超过4 吨，履带车辆不超过12 吨，堤高一般为3m～6m，堤体坡度≤40 度，但在一定间隔内有下堤土路，主要是为滩地上的可耕地服务的，一般的车辆均可慢速通过，内堤高度通常在0.5m～2m，土质为粘土。

滩地一般为农垦地，有田埂、灌溉渠、小型农机具通行道路。堤防与主河槽距离大约为200m～3000m 不等。

3 结束语

本文阐述了防凌破冰的五项需求及防凌破冰装备的四大任务，并经过查阅资料、课题组研讨，以及与内蒙古防办商定，确定了装备工作的工况标准与要求。下一步，将以本文研究成果为基础，继续做好防凌破冰装备及其承载平台的设计工作。

[1]闫新光.黄河破冰减灾应用研究[J].中国防汛抗旱，2011，（1）：17-20.

[2]丁留谦，何秉顺，闫新光.破冰防凌新技术探讨[J].中国防汛抗旱，2010（2）：19-24.

[3]蔡琳，等.中国江河冰凌[M].郑州：黄河水利出版社，2008.