利用现场观测和力学试验确定设计冰力学参数

贾 青，李志军，梁景江，谷 欣，王永明

(1.黑龙江大学水利电力学院，哈尔滨 150086;2.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024;3.哈尔滨市江堤处 ，哈尔滨 150018)

科技成果

利用现场观测和力学试验确定设计冰力学参数

贾 青1，李志军2，梁景江3，谷 欣1，王永明1

(1.黑龙江大学水利电力学院，哈尔滨 150086;2.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024;3.哈尔滨市江堤处 ，哈尔滨 150018)

以斜坡结构物二维冰力计算公式为理论依据，给出平原水库设计所需要的冰力学参数的合理取值。通过开展水库冬季冰面现场观测，得到冰层第二次爬坡发生时的等效应变速率、典型冰温；结合大量的冰力学性质的试验研究，给出在护坡工程中最不利条件下，即冰层第二次爬坡时水库冰弯曲强度、弹性模量及冰与护坡材料间动摩擦系数的设计取值。

平原水库；冰层；力学参数；试验研究；设计取值

0 引 言

在寒区平原水库封冻期，冰层达到一定厚度，如果遇到气温突然升高，冰层内部将产生很大的热膨胀力，就会将水库护坡推起造成破坏，因此在寒区水库设计时需要从护坡工程安全方面考虑抗冰能力。在选取设计冰参数时，应该选择可能出现最不利情况下对应的冰参数值。

通过在水库冰面变形的现场观测，水库冰层每年冬季发生两次大的爬坡，对结构物造成破坏，而第二次爬坡的破坏性最为严重[1]。

围绕设计冰力学参数的确定，提出本文的研究思路，即：①选取水库冰每年冬季第二次爬坡发生时段作为冰参数设计的时间点，确定此时对应的冰温、应变速率；②依据水库斜坡结构物上的二维冰力计算公式，确定需要提供的冰力学参数有：弯曲强度和弹性模量，冰-护坡材料之间的摩擦系数；③结合现场取样测试结果，给出爬坡发生时相应冰条件下对应的设计冰力学参数的合理取值[2]。

1 研究基础

冰物理和力学设计参数是计算寒区水库护坡冰压力的关键因子，当结构物迎冰面具有倾斜表面时，冰层将发生弯曲破坏，从而大大降低冰荷载值。对于结构物具有倾斜的迎冰面，冰层的破坏型式往往发生弯曲破坏，从而使冰推力显著地降低。当研究的结构物迎冰面宽度和冰板宽度都足够大时，受力结构可以简化为二维问题来研究[3]。

冰作用于结构物的荷载可分为两种力，一种力是使冰板发生破裂，一种力是使破裂后的冰块沿斜面上滑。除很陡的结构物表面外，计算弯曲破坏时可以不计水平力的影响，垂直分量决定着冰板的弯曲破坏，那么冰板就可以按照作用于弹性基础上的梁或板来计算。

使冰板破裂的力，Croasdale根据相互作用关系和库仑摩擦定律，作用于冰板上的水平分力Fz为：

(1)

式中：σf为弯曲强度；b为梁宽；ρw为水的密度；E为弹性模量；hi为冰层厚度。

使冰块爬坡的力P为：

(2)

式中：μ为冰与结构物斜面之间的摩擦系数；α为斜面的水平倾角；ρi为冰的密度；Z为冰块爬坡的最大高度。

作用于结构物上的水平总力为：

(3)

把式(1)、式(2)代入式(3)，并令：

(4)

(5)

则结构物上单位宽度的水平总力为：

(6)

从斜坡结构物上的二维冰力计算模式为依据，在平原水库护坡极限冰压力的设计中，需要考虑以下一些抵抗冰荷载作用的设计冰参数。其中：力学参数有弯曲强度和弹性模量以及冰与护坡材料间的动摩擦系数。

2 现场观测结果及分析

根据现场观测，2010年水库冬季第二次爬坡发生在3月18日，因此选取2010年3月13日—2010年3月25日期间的气温变化过程线见图1，图中所示红色斜线的斜率即为每日的气温升温速率。同时将2009—20113个春季升温期间的气温升温速率结果也进行了统计[4]。

通过以上3a的春季升温期间现场观测的数据，1h内升温速率在0.4～2.3℃，从工程安全方面考虑，选取最不利情况1h内最大升温速率2.3℃，确定相应的等效应变速率。

图1 升温阶段冰面气温过程线

根据现场的微观变形观测结果，使用19.9m距离的等效应变速率作为大面积冰面应变速率的代表值，观测距离为19.9m时冰层升温速率与等效应变速率的关系曲线如图2所示，画出其最大包络线，对应爬坡时最大升温率2.3℃/h的等效应变速率6.7×10-8s-1。

从冰力学试验的结果可知，在韧性区，随着应变速率的增大，强度也增大。为安全考虑，选择等效应变速率6.7×10-8s-1做为选择冰力学参数的依据。

图2 冰层升温速率与等效应变速率的关系(图中圆点位置)

选取2010年3月13日—2010年3月25日期间的近表层冰温数据见图3，统计出该时间段内近表层冰温的平均值为-4.7℃，大约为-5℃，即取设计冰温为-5℃。

图3 2010年3月13—25日近表层冰温的变化过程

3 结合力学试验结果给出设计冰力学参数

根据对观测数据的分析及力学试验结果，确定设计冰力学参数。冰层的弯曲强度在冰表层大，而冰表层主要各向同性的粒状冰，根据弯曲强度试验结果，将试验结果中等效应变速率6.7×10-8s-1，冰温-5℃对应的粒状冰的弯曲强度值作为水库护坡工程设计冰弯曲强度[5]。参考图4，该设计弯曲强度为655kPa。

图4 设计弯曲强度取值(图中圆点位置)

根据弹性模量试验结果，将试验数据中等效应变速率6.7×10-8s-1，冰温-5℃对应的粒状冰的弹性模量值作为水库护坡工程设计冰弹性模量。依据图5，选取的设计弹性模量值为0.5GPa。

图5设计弹性模量取值(图中圆点位置)

通过现场观测，爬坡完成的时间大约30min，按推坡距离2.7m计算，爬坡速度为0.0015m/s，护坡材料为混凝土材料，此时的动摩擦系数设计取值为0.40。

4 结 论

1)通过对3个春季现场升温速率的数据统计，得出最大升温速率为2.3℃/h。通过不同距离的冰面变形观测发现>14m冰面上的裂缝分布能够具有水库冰面裂缝分布的代表性，故观测距离选取19.9m，对应爬坡时最大升温率2.3℃/h的等效应变速率的上包络线取值为6.7×10-8s-1。在韧性区，应变速率越大，冰的弯曲强度和弹性模量越大。因此选取等效应变速率大值6.7×10-8s-1做为选择冰力学参数的依据是合理的。

2)护坡接触的冰层上部受力较大，通过对冰爬坡时间段内近表层冰温的统计，确定爬坡发生时间段内近表层冰温度的设计取值为-5℃。

3)结合冰爬坡时对应的所有冰条件，给出水库护坡工程设计冰力学参数的取值：弯曲强度取655kPa，弹性模量取0.5GPa，与护坡材料的摩擦系数取0.40。

[1]姜连杰,卢永超,韩红卫,等.红旗泡水库冰层变形及护坡破坏现象成因分析[J].水利水电技术，2011,42(07):85-88.

[2]隋吉学.作用于斜坡结构物上海冰荷载的二维计算[J].海洋环境科学,1996,15(02):70-73.

[3]李云鹏，王芝银.花岗岩低温强度参数与冰胀力的关系研究[J].岩石力学与工程学报，2010,29(02)：4113-4118.

[4]沈国辉，徐晓斌，楼文娟，等.导线覆冰脱冰有限元模拟方法的适用性分析[J].工程力学，2011,28(10)：9-15.

[5]赖远明，吴紫汪，朱元林，等.寒区隧道东张莉的粘弹性解析[J].铁道学报，1999,21(06)：70-74.

DeterminationofDesignIceMechanicsParametersbyFieldObservationandMechanicalTest

JIANG Qing1；LI Zhi-jun1；LIANG Jing-jiang3；GU Xin1and WANG Yong-ming1

(1.Hydraulic Engineering & Power College of Heilongjiang University，Harbin 150086，China；2.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering of Dalian Institute of Technology，Dalian 116024，China;3.Harbin City Dike Management Office，Harbin 150018，China)

According to the theory of slope structures in two-dimensional formulas for calculation of ice force，the reasonable value of ice mechanics parameter in the design of the plain reservoir is given.Through the observation of winter ice field，the strain rate，the typical ice temperature are obtained when the ice appears second climbing；combining the experimental research on ice mechanical properties of large，ice bending strength，elastic modulus and ice and revetment material friction coefficient between the design value are given at the most adverse conditions in slope protection project when the second climbing.

plain reservoir；ice；mechanical parameters；experimental research；design parameters

1007-7596(2014)10-0001-03

2014-08-04

黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12531509)

贾青(1971-)，女，黑龙江哈尔滨人，副教授；李志军(1960-)，男，河北崇礼人，教授；梁景江(1969-)，男，黑龙江肇东人，高级工程师；谷欣(1971-)，女，黑龙江虎林人，副教授；王永明(1971-)，男，黑龙江牡丹江人，副教授。

TV698.26

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