桥墩影响下弯槽冰塞形成临界条件和冰厚变化的试验研究王军.pdf

网络出版时间：2017-01-13 09:35:02 网络出版地址：/kcms/detail/11.1882.TV0935.002.html 1 文章编号：0559-9350(2017)03 -0000-00 桥墩影响下弯槽冰塞形成临界条件和冰厚变化的试验研究 王军，汪涛，李淑祎，陈胖胖 （合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009 ） 摘要：天然河道中，桥墩的存在改变了局部水流特性，对冰塞形成及演变产生影响。通过模型试验，研究了桥墩存 在及桥墩位置不同时对冰塞演变过程的影响，试验结果表明：桥墩的存在改变了桥墩附近的水流结构，使得桥墩附 近水流输冰能力相对增大，冰塞厚度减小；相比于将桥墩安置在两弯连接直道段，将桥墩安置于弯道顶点处时，桥 墩附近水流输冰能力增大；在两弯连接的直道段和弯道顶点处同时放置桥墩时，弯道平衡冰塞厚度介于单墩放置于 两弯连接的直道段与单墩放置于弯道顶点处时的弯道平衡冰塞厚度之间。 关键词：桥墩；冰塞；厚度；输冰能力；试验研究 中图分类号：TV133 文献标识码：A  doi:10.13243/ki.slxb. 1 研究背景 冰塞是寒区河流特有的冰情现象。同时，桥墩的存在进一步改变河道水力条件和边界条件，影响 了河道中河冰的输移，提高了开河期时河道中冰塞形成的可能性[1] 。 很多学者针对无桥墩条件下冰塞的演变过程进行了大量研究。在原型观测方面 Beltaos 等[2]对 Matapedia River 春季开河期的冰塞厚度及水位变化进行了长期的观测，获得了详细的实测资料，为研 究冰塞的水流阻力特性提供了可能；Morse 等[3]在圣劳伦斯河航道上，利用声学多普勒流速剖面仪 （ADCP ）和冰剖面声纳（IPS ）测量流速、浮冰速度和冰厚，结果发现风速和空气温度在冰参数变化 及冰塞发生中起着主要作用；隋觉义等[4]对水内冰冰塞的演变过程进行了较为全面的研究，并与黄河 河曲段的原型观测进行比较，提出了可用于计算冰塞壅水位的公式，并得出弯曲河道横断面冰厚分布 不仅受水力条件影响，还与河道弯曲段中心线曲率有关。在试验研究方面，徐国宾等[5] [6] ，赵新等 在 低温冰工程实验室中开展真冰模型试验，研究了南水北调中线冰盖下输水的相关冰力学问题，试验结 果表明冰盖的膨胀力极值和最大塌落值都与冰厚成正比，并分析了冰盖下水压变化对冰盖稳定性的影 响。王军等[7-8]分别对 S 型和 U 型弯槽开展了较为全面的冰塞演变试验研究，提出了弯槽段的冰塞堆 积顺序和临界佛汝德数。在数值模拟方面，随着计算机技术的发展，Beltaos[9]、Shen[10]、杨开林[11]、 茅泽育[12]、王军[13-14]等国内外学者基于一维或二维数学模型，对冰塞的形成与演变、冰花运输、水流 条件进行了数值模拟，为河冰研究提供了重要参考。 有关桥墩影响下冰塞演变的研究工作较为匮乏，Urroz[15]通过小比尺模型试验对桥墩影响下的河道 初封期输冰能力进行了研究，其试验结果表明，相比于将桥墩安置在河道中两弯连接直道段，将桥墩 安置于河道弯曲段顶点时，桥墩对冰塞形成的影响较小；Tyminski[16]通过模型试验对 7 种墩型影响下 的河道过流进行了研究，认为桥墩为流线型时可以最大限度的减小墩前壅水，同时更不易形成冰塞； 文献[17]借助于试验水槽，对三种不同桥墩墩径条件下的冰塞演变过程进行了研究，并与无桥墩情况 进行了对比分析，结果表明：受桥墩尾流影响和束窄作用，在桥墩下游会先发生冰塞堆积增厚