0 引言
黑龙江位于我国最北边， 地理位置介于108°20′～141°20′ E、 42°00′～55°45′ N。每年10月下旬出现流凌， 11月初开始封冻， 4月底5月初开河， 封冻期长达5个月以上。上游额尔古纳河和石勒喀河两大支流从低纬度流向高纬度， 在洛古河汇入黑龙江， 之后穿行在外兴安岭和大兴安岭的深山峡谷之中， 岛屿、 浅滩、 分流、 急弯和背阴河谷交替出现。这种地理、 气候条件和干支流走势为倒开江提供了先决条件， 使得黑龙江上游凌汛灾害严重， 几乎每年开河期都有不同程度的冰坝发生， 平均每三年会发生一次具有一定规模的冰坝。
黑龙江地处偏远， 交通、 通讯、 观测设备落后， 水文站的数量远远低于国内平均水平， 故水文数据缺乏， 灾害的观测、 预报、 防治和研究一直处于相对落后状态， 甚至出现被延误或者数据不准确的被动局面。已有研究也只根据封江水位、 河槽蓄水蓄冰量、 开河期气温变化等动力和热力因素预报凌汛形势和开河日期， 主动防凌破冰技术方面基本没有进行研究， 这严重制约着防凌减灾工作的有效开展。黑龙江地理位置特别， 凌汛灾害严重， 国际影响大， 冰坝的预防与破除研究极为重要。
1 研究区概况
冰塞形成或冰坝溃决的时候， 易引发严重的洪水泛滥。黑龙江作为中俄界河， 河道上没有也不能修建任何水工建筑物控制或者调控水量， 能采取的减少冰凌灾害风险的措施只能是非工程措施［4-6］。Beltaos［7］总结了防凌减灾的主要非工程措施， 详情见表1。在冰坝未形成前， 防凌爆破是预防冰坝发生的主要手段之一； 在冰坝形成后， 防凌爆破是缓解因冰坝发生造成洪灾的重要措施。黑龙江冰盖厚且强度大， 常规破坏冰盖的措施难以产生预期效果， 而冰盖爆破可削弱、 破坏冰盖或已经形成的冰坝， 控制冰盖或者冰坝沿着既定线路溃决， 在防凌渡凌实践中取得了明显的效果［8-10］。根据黑龙江呼玛段冰情和河道特点， 本文开展了冰下爆破现场试验研究， 提出有效的防凌爆破方法。
表1 常见的防凌爆破非工程措施
Table 1
| 分类 | 目标 | 实施时间 | 方法 | 具体措施 |
|---|---|---|---|---|
| 冰坝的预防措施 | 预防冰坝发生 | 在冰坝形成之前 | 抑制冰情 | 热量改进 |
| 冰表面处理 | ||||
| 冰盖的机械破坏 | 火药爆炸冰盖 | |||
| 切割冰盖 | ||||
| 气垫船 | ||||
| 河道开孔 | ||||
| 冰坝的破坏或者移除措施 | 一旦形成冰坝， 减少其破坏性， 缓解将会产生的问题 | 在冰坝形成以后或者冰坝形成期间 | 爆破 | 火药爆炸 |
| 炸弹 | ||||
| 空中投放炸弹 | ||||
| 破冰 | 机械移冰 |
2 爆破实施方案
图1
3 爆破位置的选择
根据2018年3月底4月初多种方法预报的黑龙江凌汛情况， 呼玛段开河前爆破选在4月7 - 10日， 并在GPR-10型雷达现场测量的基础上确定爆破河段（图2）。爆破前采用冰厚和水深同步测量雷达在呼玛段进行冰情调查， 结合冰坝发生的历史状况， 找到了冰块容易卡塞引发冰坝的位置。
图2
图2
GPR-10型冰厚、 水深雷达同步测量系统测试现场
Fig.2
Photo showing the GPR-10 ice thickness and water depth radar synchronous measuring system
选取的爆破河段如图3所示， 可以看出， 爆破河段上游水浅， 中游水深， 下游江面宽阔。水流从上游到中游， 水深增加导致流速降低， 使得开河期冰块容易在此堵塞形成冰坝。在此处进行开河前爆破， 确保大量流冰块顺利通过该河段后下游有足够的开阔江面容纳上游来冰块， 避免再次发生堵塞。
图3
图3
爆破位置的选取
Fig.3
The longitudinal section showing the ice thickness and water depth of the blasting section （a） and plan of the blasting location （b）
爆破河段河岸位置河道较浅， 冰盖较薄， 甚至存在连底冰， 爆破效果不理想， 因此本次爆破沿靠近河道中泓线布置两排爆破坑。影响范围从中心界向岸边50～100 m， 约占江心到岸边距离60%左右。
式中： Rc为爆破坑半径（m）； W为炸药质量（kg）； t为冰厚（m）； hc为冰下水深（m）。
在冰盖爆破中， 孔距太大会导致相邻两孔难以贯通， 太小则会浪费炸药。本次破冰爆破坑半径根据
4 爆破坑直径的确定
图4
图4
实测爆破坑直径与冰厚的关系
Fig.4
Relationship between measured blasting pit diameter and ice thickness for various explosive dosages
实测爆破坑直径与水深的关系如图5所示。结果显示： （1）炸药用量为3～6 kg时， 随着水深在1.5～2.5 m增加， 爆破坑直径基本保持不变， 随着水深在2.5～3.0 m继续增加， 爆破坑直径增加缓慢。表明在当前水深下， 小的炸药用量已充分发挥其效力。（2）炸药用量为9～18 kg时， 随着水深在2.5～3.0 m继续增加， 爆破坑直径逐渐增加， 且增加较快。表明炸药用量大时， 水深较浅的地方开展爆破不能很好地发挥炸药的性能。
图5
图5
实测爆破坑直径与水深的关系
Fig.5
Relationship between measured blasting pit diameter and water depth for various explosive dosages
美国陆军工程兵团经验公式［11］为
式中： Dopt为最优炸药用量条件下的爆破坑直径（m）； t为冰厚（m）。
图6将由本项目组提出的新公式［
图6
图6
实测爆破坑直径与预报爆破坑直径对比
Fig.6
Comparison of measured blasting pit diameter and prediction of blasting pit diameter
5 爆破坑的分类
图7
图7
爆破坑类型
Fig.7
Type of blasting pits： complete crushing pit （a）， mountain-shaped crushing pit （b）， standard crushing pit （c） and post-blasting ice cracks （d）
完全破碎坑分为两个区域： 2区为完全破碎区， 包含水、 表面浮冰和雪； 3区为爆破裂缝区， 包含埋在破碎的冰块或积雪下的裂缝。
山包状破碎坑分为两个区域： 1区为山包状破碎区， 包含堆积为山包状的碎冰和雪； 3区为爆破裂缝区， 包含埋在破碎的冰块或积雪下的裂缝。
标准破碎坑分为三个区域： 1区为山包状破碎区， 包含堆积为山包状的碎冰和雪； 2区为完全破碎区， 包含水、 表面浮冰和雪； 3区为爆破裂缝区， 包含埋在破碎的冰块或积雪下的裂缝。爆破后， 冰盖上产生纵横相交的裂缝［图7（d）］， 大部分裂缝被积雪覆盖， 这些裂缝在开河期间也有助于冰块破裂。
6 结论
冰凌爆破是我国应对冰凌灾害的重要措施之一， 通过一系列现场试验研究， 得到如下结论：
（1） 准确地找到冰塞冰坝的潜在发生位置是有效爆破的前提。采用新型冰厚水深同步测量雷达在黑龙江呼玛段测量， 掌握该河段冰厚和水深的分布， 提前探测到冰塞冰坝潜在的发生位置， 采取对应的防凌爆破措施。
（2） 探明爆破坑直径同炸药量、 水深与冰厚的关系是正确评估爆破效果的关键。结果表明， 炸药用量在18 kg以下， 在炸药量一定时， 冰盖厚度越大， 炸药性能发挥越充分； 随着炸药用量的增加， 需要足够的水深才能确保炸药性能的充分发挥。将黑龙江呼玛段测量数据带入本项目组提出的爆破坑半径计算新公式中， 计算值与实测值较为接近， 可为北方高寒区河流冰下爆破提供参考。通过防凌爆破， 2018年黑龙江呼玛段开河期间未发生因冰塞冰坝造成的河道堵塞。
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