双缆网式拦冰索模型试验

赵 新，练继建，黄 焱

(天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072)

南水北调中线工程从丹江口陶岔闸调水至北京、天津，输水线路长，水流由北亚热带湿润型气候区到暖温带半湿润气候区．干线工程以明渠输水为主．冬季运行时，黄河以北渠段受寒冷气候影响，沿线将有不同程度的冰凌产生．其结冰和融冰过程分别为由北向南和由南向北发展，会出现南、北渠段冻、融不同的复杂情况，严重影响沿线冰期输水条件和运行控制．

将结冰期和融冰期统称为流凌期．输水渠道运行时，往往以冰凌在冰盖或拦冰索前缘不下潜作为流凌期输水能力的控制条件．水流弗劳德数小于第二临界弗劳德数时，可避免冰塞的发生．Shen等[1]和Sun等[2]由现场观测认为，第二临界弗劳德数为 0.09左右．引黄济青工程规定冰期输水过程中水流弗劳德数应小于 0.08[3]．京密引水将弗劳德数小于 0.09作为冰期运行的控制指标之一[4]．

除弗劳德数指标外，很多学者认为应以流速指标作为冰凌下潜的控制标准．文献[5]指出 Maclachlan根据圣·劳伦斯河观测资料，认为冰块下潜的临界流速为 0.69,m/s；Kivisild分析认为该临界流速为0.61,m/s．北京市水利科学研究所分析京密引水原型观测结果，认为在结冰期渠道断面平均流速应控制在0.6,m/s以下[4]．

在弗劳德数和流速指标控制下，可以计算渠道在流凌期的输水能力．由于南水北调中线工程输水线路长，沿线总会存在流凌渠段．因此，流凌期允许的最大输水流量成为限制黄河以北渠段冰期输水能力的瓶颈[6]．

通过设置拦冰索，一方面有利于稳定冰盖的形成，缩短结冰期时间，对运行调控和提高渠道输水能力具有重要意义．引黄济青、京密引水、引黄济津、引滦入津等均证明了拦冰索在结冰期对冰盖形成的促进作用．

另一方面，冰塞、冰坝能否形成，其前提在于大量冰凌源源不断从上游输送往下游．通过在输水渠道中以一定间距分布式设置拦冰索，可以减少冰凌的输送量，破坏冰塞、冰坝形成条件，从而打破弗劳德数和流速限制，提高输水工程流凌期输水能力．1988年黄河实测资料证明：拦冰索下游河段流冰密度和冰块面积均大幅减小，并且沿河架设多处拦冰索能够形成“梯级封河”，水位涨幅小，使封河过程中不至漫滩；开河时冰凌受拦冰索逐段阻止，冰滑不动，免除武开河和冰坝的产生[7]．

对于南水北调中线工程而言，通过合理设置拦冰索，可以解决长期流凌渠段输水能力问题．这一瓶颈的消除，将全面提高整个工程在冰期的输水能力，具有巨大的社会和经济价值．

笔者通过对原有拦冰索设计型式的优化、改进，提出一种新型拦冰索，即双缆网式拦冰索，并通过真冰模型试验，对代表其拦冰能力的索力特性进行研究．

1 双缆网式拦冰索

鉴于拦冰索的重要作用，对南水北调中线工程原拦冰索设计形式开展模型试验，见图 1．试验发现其在低流速下对冰絮有一定阻滞作用，有利于稳定冰盖的形成；但其对于冰凌的拦截效果较差．在动冰作用下，容易发生翻滚而失效，冰凌将从拦冰索上方或下方通过．

在分析原拦冰索失效原因的基础上，对其形式进行优化、改进，最终提出双缆网式拦冰索．

图1 南水北调中线工程原有拦冰索结构示意Fig.1 Schematic diagram of original ice boom pattern in the middle line of south-to-north water transfer project

双缆网式拦冰索由锚固桩、钢丝绳和节块组成．锚固桩固定于渠道两侧；钢丝绳为 2根，并分别通过卡扣分上下固定于渠道两侧的锚固桩上；节块由漂木和拦冰网组成．拦冰网为网格状结构，其上、下边缘与钢丝绳通过套环、定位卡扣等实现连接，见图2．具体尺寸大小应根据当地冰情确定，确保节块在水面上、下均具有一定高度前提下，以节块稳性系数高者为优．

图2 双缆网式拦冰索结构示意Fig.2 Schematic diagram of net-style ice boom with two axes

双缆网式拦冰索依靠自身浮力作用漂浮于水面上，在冰凌推力作用下，将呈悬链线形状．其结构形式具有以下3个优点：①拦冰网使结构重心适当向下部移动，提高拦冰索节块自身的稳性系数，同时使水面上、下均有一定的拦冰高度，从而有效避免冰凌上爬或下钻；②漂木和拦冰网形成一个 T形结构，当承受冰凌作用时，作用在拦冰网上的力将促使拦冰索前俯滚动，而作用于漂木迎冰面和底面的力将促使拦冰索后仰滚动，从而实现这 2种力之间的相互制衡，拦冰效果好；③设计 2个转动轴，充分发挥双缆作用，强化相邻节块间的作用力，从而有效防止局部失效的发生．

2 物理模型试验

双缆网式拦冰索拦冰效果模型试验属于冰力模型试验．冰力模型试验具有流体模型试验和材料试验的双重特性．一方面，冰凌汇集水流和风的能量后，在运动过程中通过接触作用力，将能量传递给结构物，所以，其具有流体试验的特点；另一方面，冰凌与结构物接触后，能量传递效率与冰凌自身的强度有关，因此，冰力模型试验又具有材料试验的特点[8]．

首先，从流体模型试验角度考虑，模型试验应遵从重力相似准则．其次，从材料试验角度考虑，当结构所受冰力依赖于速度时，重力相似准则发挥主要作用[9]．如 Lau等[10]在正椎体的冰力模型试验中发现，当弗劳德数大于 0.02时，重力相似准则在冰与椎体作用中起主要作用．这一结论在天津大学冰工程实验室模型试验中也得到了验证[8,11]．

由于输水渠道中水流弗劳德数往往大于0.02，所以，拦冰索拦冰效果模型试验应按照重力相似准则设计．

模型试验在天津大学冰力学与冰工程试验室进行，为避免尺寸效应影响，模型几何比尺1∶15，模型参数见表1．

表1 拦冰索模型参数Tab.1 Model size of ice boom m

按照破冰冰厚和水位(体现为拦冰索锚固点与水面的距离)的不同，划分了 3个试验组开展试验，试验参数见表2．

表2 试验条件Tab.2 Test conditions m

在冰试验室中降温制冰，直至目标冰厚，将冰盖破碎为不同尺度的冰凌．试验时，将拦冰索固定于冰凌一端，而在另一端，控制实验拖车以预定的速度推动冰凌运动，试验装置如图 3所示．试验过程中对拦冰索顺流向索力进行了测量．

图3 试验装置示意Fig.3 Schematic diagram of test device

3 试验结果分析

3.1 索力特性研究

图4为顺流向索力典型时程曲线．由图4可知，拦冰索从开始发挥作用到失效可以划分为3个阶段：①发展期，拦冰索阻滞的冰凌数量逐渐增多，索力逐渐增大；②平衡期，拦冰索达到极限拦冰能力，冰凌堆积体内部调整，索力均值变化较小，间或出现极大值；③失效期，拦蓄冰量超过拦冰索极限拦冰能力，冰凌堆积体从拦冰索上部或下部通过，索力迅速减小．因此，宜采用平衡期顺流向索力均值作为拦冰索拦冰能力的衡量指标．

图4 顺流向索力典型时程曲线Fig.4 Typical time-history curve of cable force in downstream direction

试验研究发现，拦冰索平衡期索力均值与水位、破冰冰厚和流速有关，其变化特点见表3．

表3 平衡期索力均值变化规律Tab.3 Variation of average cable force during equilibrium phase

3.2 索力量纲分析

影响拦冰索顺流向索力均值的因素有：流速v、破冰冰厚0h、索长s、水面宽度B、锚固点与水面的距离hΔ、冰密度iρ和重力加速度g．于是顺流向索力均值F可以写成一般函数关系式，即

选择水面宽度B、冰密度iρ和重力加速度g作为基本物理量，应用π定理得

将试验成果按式(3)无量纲化，以无量纲流速为横坐标，研究无量纲顺流向索力均值的变化规律，见图 5．

图5 和关系Fig.5 Relationship betweenand

从图5可以得到以下结论：

(2) 试验组 1和试验组 3对比，可知式(4)的斜率ϕ为无量纲锚固点与水面距离的函数；

(3) 试验组 1和试验组 2对比，可知式(4)的截距φ为无量纲破冰冰厚的函数．

相关系数为0.98．

4 结 论

(1) 提出双缆网式拦冰索，其重心低，稳性系数较高；T型结构，实现冰凌作用力的自相制衡，拦冰效果好；双转动轴，有效避免局部失效的发生．

(2) 拦冰索作用过程可以划分为发展期、平衡期和失效期 3个阶段．在平衡期，冰凌堆积体内部进行调整，索力均值基本保持稳定．平衡期顺流向索力均值可以作为衡量拦冰索拦冰效果的指标．

(3) 拦冰索的拦冰效果随流速的增大而减小，随破冰冰厚的增大而减小，随拦冰索锚固点与水面距离的增大而减小．

(4) 通过量纲分析，提出双缆网式拦冰索平衡期顺流向索力均值计算公式，为双缆网式拦冰索的进一步研究和应用提供参考，为南水北调中线工程冰期输水过程中拦冰索的应用提供帮助．

［1］ Shen H T，Ho C F. Two-dimensional simulation of ice cover formation in a Large River [C]//Proc IAHR Ice Symp. Iowa City，USA，1986：547-558.

［2］ Sun Z C，Shen H T. A field investigation of Frazil Jam in Yellow River [C]//Proc 5th Workshop on Hydr of River Ice/Ice Jams. Winnepeg，Canada，1988：157-175.

［3］ 王大伟，徐茂岭，于 洁，等. 冬季冰盖下输水渠道的断面设计[C]//第二届全国水力学与水利信息学学术大会论文集. 成都，中国，2005：145-149.Wang Dawei，Xu Maoling，Yu Jie，et al. Channel cross-section design for water transfer under ice cover[C]// The 2nd National Hydraulics and Hydro Informatics Conference Proceedings. Chengdu，China，2005：145-149(in Chinese).

［4］ 李善征，程天金，李为民. 明渠冰盖输水观测研究[C]// 第一届全国冰工程学术会议论文集．忻州，中国：中国水利学会水力学专业委员会，1992：57-64.Li Shanzheng，Cheng Tianjin，Li Weimin. Observational study of transport water under ice cover[C]//The 1st National Ice Engineering Conference Proceedings.Shanxi，China：Hydraulics Committee of Chinese Hydraulic Engineering Society，1992：57-64(in Chinese).

［5］ White K D. Salmon River Experimental Ice Boom：1989-90 and 1990-91 Winter Seasons[M]. Washington，USA：US Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory，1992.

［6］ 穆祥鹏，陈文学，崔 巍，等. 南水北调中线干渠冰期输水能力研究[J]. 南水北调与水利科技，2009，7(6)：118-122.Mu Xiangpeng，Chem Wenxue，Cui Wei，et al. Study on water diversion capacity in the middle route of the south-to-north water transfer project in ice period[J].South-to-North Water Transfers and Water Science and Technology，2009，7(6)：118-122(in Chinese).

［7］ 程义吉. 黄河下游拦冰索设施防凌情况及其效果[J].山东水利科技，1991(2)：9-12.Cheng Yiji. The applications and effects of ice boom in the downstream of Yellow River[J]. Shandong Water Resources，1991(2)：9-12(in Chinese).

［8］ 史庆增. 渤海简易平台冰力的模型试验研究报告[R].天津：天津大学建筑工程学院，2000.Shi Qingzeng. Model Test Report on the Ice Loads of the simple platform In the Bohai Sea[R]. Tianjin：School of Civil Engineering，Tianjin University，2000(in Chinese).

［9］ 黄 焱，史庆增，宋 安. 冰力模型实验中的模型律[J]. 冰川冻土，2003，25(增刊2)：352-355.Huang Yan，Shi Qingzeng，Song An. The application of scaling laws to ice force model tests[J]. Journal of Glaciology and Geocryology，2003，25(Suppl 2)：352-355(in Chinese).

［10］ Lau M，Jones S J，Phillips R，et al. Influence of velocity on ice-cone interaction [C]//Proceedings of the IUTAM Symposium. Fairbanks，Alaska，USA，2000：127-134.

［11］ 史庆增. 海冰荷载和冰激振动研究报告[R]. 天津：天津大学建筑工程学院，2000.Shi Qingzeng. Research Report on Sea-Ice Loads and Ice-Induced Vibration[R]. Tianjin：School of Civil Engineering，Tianjin University，2000(in Chinese).