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嫩江（齐齐哈尔段）冰上沉排技术的关键突破与应用实践

一、引言

1.1研究背景与意义

1.1.1背景阐述

嫩江作为松花江的北源，发源于大兴安岭伊勒呼里山中段南坡，其干流由北向南流，蜿蜒穿越兴安山地后进入松嫩平原，不仅流经黑龙江省西部、内蒙古自治区东北部，还流经吉林省西北部，在黑龙江省大庆市肇源县境内三岔河附近与松花江南源汇合，全长1370公里，流域面积达24.39万平方公里。齐齐哈尔市位于我国东北松嫩平原的西部，嫩江自北向南纵贯全境，有诺敏河、雅鲁河等多条直流汇入，沿江两岸多为河漫滩，水系发育多表现为蛇形河曲及牛轭湖形态。特殊的地理位置和水系条件，使得嫩江（齐齐哈尔段）在区域的防洪、灌溉、供水等水利功能中扮演着关键角色。

每年冬季，嫩江齐齐哈尔段会出现冰封现象。如2020年12月1日8时，嫩江干流齐齐哈尔段（齐齐哈尔市建华区新江街道）封冻，封冻日期较常年晚13天。这种季节性的冰封特征为冰上沉排技术的应用提供了独特的施工时机。冰上沉排技术，即在冬季江河冰封后，于冰面进行施工作业，待春季解冻时软体排自然沉没于水底，从而发挥护脚防冲淘的工程作用。

在嫩江（齐齐哈尔段）的水利工程建设与维护中，冰上沉排技术有着重要的应用。传统的江河护岸方法存在诸多问题，如采用丁坝群体的坝式护岸工程措施，容易出现水毁反复，整治效果不理想。而冰上沉排技术利用北方河流冬季结冰的特点，能有效解决这些问题。例如，在松花江上进行的冰上石笼沉排技术研究，针对传统江河护岸方法中存在的问题和大量险工护岸的需要，利用北方河流冬季结冰的特点，以现场工程试验和观测为主，结合理论分析，研究出质量好、技术先进、造价低、施工快的护岸新技术。成果已在4处险工护岸中推广应用，总护岸长度3485m，经过3年和4年运行，排体稳定，护岸效果良好，与原设计多柳枝压石和抛石护岸分别节省工程费25.7％和47.2％。

1.1.2研究意义

从工程效率提升角度来看，冰上沉排技术充分利用了冬季江河冰封期，避开了其他季节水位变化、水流湍急等不利施工条件，使得施工可以在相对稳定的冰面进行。传统的水下作业方式，不仅施工难度大，而且受水文条件影响严重，施工进度往往较慢。而冰上沉排技术能有效延长东北地区工程的施工期，加快工程建设进度。在松花江扶余段进行的深水冰上大面积土工织物沉排技术研究，通过分段快速铺排、加强冰层温度和排体变形监测、均匀破冰、一定强迫整体沉放等技术措施，保证了大面积排体在水深13.4m，流速1.2m/s条件下，达到基础均匀和顺利下沉就位的目标，大大提高了施工效率。

从工程安全保障方面分析，冰上沉排形成的水下连续不断的防冲淘保护性铺盖，能有效抵御水流对河岸的冲刷，增强河岸的稳定性，减少洪水等自然灾害对水利设施和周边地区的威胁。在嫩江右岸省界堤防施工中采用框格式软体排进行江河险工整治，取得了良好的工程效果，保障了堤防在洪水期的安全。同时，通过对排体结构、铺排和沉放技术的研究与优化，确保了沉排的稳定性和可靠性，进一步提升了工程的安全性能。

在成本控制上，冰上沉排技术相较于一些传统的护岸方法，如多柳枝压石和抛石护岸，具有显著的经济效益。如前文所述，在松花江上应用冰上石笼沉排技术，与原设计多柳枝压石和抛石护岸分别节省工程费25.7％和47.2％。这不仅降低了工程建设的直接成本，还减少了后期维护和修复的费用，对于大规模的水利工程建设和维护来说，成本的降低具有重要的现实意义。

1.2国内外研究现状

冰上沉排技术作为一种利用冬季江河冰封期进行水利工程施工的特殊技术，在国内外都受到了一定程度的关注和研究，涵盖理论研究和实际应用两大方面。

在理论研究上，国外较早开始关注冰工程领域，对冰的物理力学性质研究较为深入，为冰上沉排技术的发展提供了一定的理论基础。如一些研究通过实验和数值模拟，对冰的抗压、抗拉、抗剪强度等力学参数进行测定和分析，了解冰在不同温度、应力条件下的力学响应，这对于评估冰面在沉排施工过程中的承载能力和稳定性具有重要意义。在冰与结构物相互作用理论方面，国外学者通过理论推导和模型试验，研究冰对排体结构的作用力，包括冰压力、冰荷载的分布规律等，为冰上沉排结构的设计提供了理论依据。例如，在寒区海洋工程中，研究海冰与海洋平台的相互作用，其成果可以类比应用到冰上沉排工程中，帮助工程师更好地理解冰与排体之间的力学关系。

国内在冰上沉排技术的理论研究也取得了显著进展。科研人员针对不同的排体结构和材料特性，建立了相应的力学模型，分析排体在冰面铺设和沉放过程中的受力状态和变形规律。通过室内试验和现场监测，研究冰上沉排施工过程中冰的温度场、应力场变化，以及这些变化对沉排施工的影响。在冰上石笼沉排技术研究中，通过建立有限元模型，模拟石笼排体在冰面的铺设和沉