索网结构水利明渠阻冰索设计实验研究

王 君

(乌鲁木齐市水利勘测设计院(有限责任公司)，新疆 乌鲁木齐 832000)

水利渠道流冰控制技术，是确保冰期渠道输水运行安全的需要，也是提高明渠流冰控制设计技术水平的需要。本文对索网结构水利明渠阻冰索开展设计实验探究，加强对高海拔、高纬度水利明渠流冰治理开展思路拓展和工程设计技术提升，具有重要的技术和应用意义。

1 传统阻冰索的功能不足与索网结构阻冰索的结构简述

高海拔、高纬度水利明渠流冰治理中，阻冰索具有良好的适用性，常常成为抗流冰设计的技术选择。采取阻冰索拦截渠道流冰有四方面优势：一是可以方便实现在各个渠段中阻截流冰，节制闸脆弱断面致害的弱点能够得到充分回避和控制；二是借助阻冰索使冰盖加速形成，可以使输水连续性影响尽可能降至最低；三是可使冰盖形成时段的流速相较预期设计最低流速的降幅数值相差不大，这利于避免输水效能发生大幅度的波动，因此也非常有利于保障供水连续性；四是阻冰索在开河期亦能有效稳定冰盖，可以有效利用迎向水流促进冰盖就地融解。

阻冰索是高度柔性的一种工学浮式装置，阻冰索拦截流冰是个相互作用的动态进程；阻冰索与流冰前缘接触后，索具顺流冰方向冲展；阻冰索冲紧后，冰前缘在阻冰索的约束下停止流进；后续碎冰在风或水流驱动下，开始索前堆积，此间伴随冰块持续不断的翻转或浮潜过程；上述过程如果一旦达到动态均衡，冰积就会在阻冰索前向近边稳定形成。阻冰索工学应力变化和碎冰堆积运动本身的力学复杂性，意味索具阻冰一定是个动态的和极其复杂的工学过程。

传统设计以上游表面的平均流速和深水傅汝德数作为首要控制参数，忽略沿渠道垂向和横向的流速变化，对气温、气象、冰的尺寸和强度影响等考虑较少，把阻冰索结构简化成平面抛物线形式，另受均布线载荷，这便于设计选取钢索径面尺寸，但对实现和评估阻冰效果不利。实验和现实观察发现，常规阻冰索通常在两种模式下发生阻拦失效，一种是缆索沿冰体前端翻滚上浮至冰体上表面；一种是冰索被冰体前端压沉至冰块下。这意味阻冰索符合设计要求的漂浮状态，关系着阻索功能的工程实现。

为通过科学设计克服上述阻索的沉浮不稳定性，索网结构成为一种新型阻冰工学技术选择。本文认为浮索增悬垂向刚性滤网的设计形式是个功效明显的改进和选择。索网结构设计能可以有效利用水深，对单索沉底失效问题更有所扭转。滤网结构能够阻截沉潜流冰，对水流力学状况的苛求有所降低。此设计结构中，浮索重心因挂网而有所降低，也更大程度增加了浮索漂浮姿态稳定性，进而提高拦阻效果。

图1 索网结构水利明渠阻冰索示意图

如图1所示，索网结构水利明渠阻冰索模型由单个阻冰索单元经拉索串联构成，单元间的间距通过拉索上的限位器界定，这样可以降低单元体扭动对邻单元的影响，进而避免单个区块失效可能引起整个结构阻冰失效情况的发生。阻冰索单元由浮子及其下方的网栅构成。

浮子为木质材料，设计为长方体规则状。为降低水浸泡和尽可能保证表面光滑，浮子表面涂漆。阻冰栅网采用铁丝制作，为方便拉索通过，栅网的底部和顶部都设计有拉索孔。

固定索网结构时，先在渠道断面上方拉起一道横梁，之后把拉索固结在两端的螺纹柱上，这样操作人员可以通过对螺纹柱的调控，调整阻冰索距离水高度以及固定间距。为防止滑动，横梁由固定夹实施固定，这样的设计也便于在多道阻冰索工况时调整不同阻冰索之间的设置距离。

2 索网结构阻冰索功能实验设计

2.1 实验工况设计安排

本设计实验研究主要考察索网结构在不同工况条件下的阻冰效果，所以选择设置了单阻冰索、双阻冰索加浮绳、双阻冰索无浮绳、双阻冰索带闸门加浮绳、双阻冰索带闸门无浮绳等5个种类的应用典型工况。其中为考察流速对阻冰索阻冰效果的影响，在单阻冰索和无浮绳双阻冰索两种工况下，注意设置了不同转速和水深组合，以得到不同的流速影响。实验工况具体见表1。

表1 实验工况设计安排一览表

2.2 实验水槽与功能区段设计划分

本实验借助冰池大型实验室的制冰制冷系统实现低冷气温模拟以及水槽实验模型中冰体的制取。实验水槽现场如图2所示。

图2 实验水槽现场图

实验水槽功能区段设计划分，具体如图3所示。

图3 实验水槽功能区段设计划分示意图

2.3 实验实施过程以及相关检测内容

实验实施过程以及相关检测内容，具体见表2所示。

3 索网结构阻冰索实验结果分析

3.1 实验数据结果汇总

不同工况下的阻冰索阻冰效果及对应Fr傅汝德数汇总，具体见表3。

表3 不同工况下的阻冰索阻冰效果及对应Fr傅汝德数汇总一览表

注：这里封冰效果选择以第一道阻冰索断面为基准。(A)形成平整冰盖，冰花平铺；(B)形成堆积体，形成平整冰盖，流冰下潜，上游流速下降；(C)局部冰塞成型，冰花流量大，且有下潜流冰。

表2 实验实施过程以及相关检测内容概览表

3.2 实验数据模拟分析

3.2.1 阻冰过程冰厚发展

通过数据模拟，阻冰索阻冰过程大致可以划分成如下几个阶段过程：

第一阶段状态：流冰开始进入计算域，但还没有进展到阻冰索所处的流段断面时。因为空气对表层流冰阻碍作用，以及浮筒对表层水流和流冰的阻碍作用，使流冰的流进速度明显致缓。第一阶段阻冰发展状态，具体如图4所示。

第二阶段状态。此时流冰已推进发展到阻冰索近处，因为浮筒上游对水流的反射影响，流冰在此处发生开始部分下潜。有少量流冰潜脱阻冰索，而缓慢向下游移动，但大部分流冰还是停留在阻冰索前。随流冰的堆积推挤，索前阻截形成的冰积逐渐加厚，并且缓慢向上游方向逐渐发展。第二阶段阻冰发展状态，具体如图5所示。

第三阶段状态。阻冰索前冰积达到一定程度后，计算域中随着流冰继续淤积，阻冰索失去阻冰作用而功能失效。此时阻冰索上游冰积厚度趋于稳定，出现较多浮冰不受阻冰索束缚而流向下游，致使下游冰层分布的范围及厚度有所增加。第三阶段阻冰发展状态，具体如图6所示。

图6 第三阶段阻冰发展状态图

不同发展阶段的冰积厚度沿程分布曲线，具体如图7所示。

图7 不同发展阶段冰积厚度的沿程分布曲线

从图7中我们得知，在6～8m断面内，积冰厚度呈急剧下降。

6m断面冰积厚度历程发展曲线，如图8所示。

图8 典型断面冰积厚度历程发展曲线

从图8中我们看到，该典型断面的冰积厚度发展，在阻冰索失效前后，表现状态显著不同。在阻冰索失效前，由于上游流冰持续淤积，断面冰积厚度呈不断增加，而且增加速度也较快。在阻冰索临近功能失效时，断面冰积厚度的增加速度有所趋缓。在阻冰索功能完全失效后，断面冰积厚度则趋于稳定。

3.2.2 失效情态流速分布

以下是阻冰索出现功能失效状态，索前各断面的速度分布曲线，具体如图9所示。

图9 失效状态下索前各断面速度分布曲线

从图9中我们看到，流速分布在索网结构阻冰索的下游，呈越发不均匀分布状态。渠道下游，冰积加厚，下游最大速度较上游大，速度极值出现的位置，呈现愈发靠近河床的趋势。

索后各断面流速分布曲线，具体如图10所示。

图10 失效状态下索后各断面速度分布曲线

从图10中我们看到索后方范围内，除了出口边界附近以外，各个断面上呈现着水深处较大，河床及流表面处较小的流速分布状态。沿渠道向下，断面流速极值随冰积厚度的变薄而下降，也随过流面积的增加而降低。

阻冰索附近断面流速分布曲线，如图11所示。

图11 阻冰索附近断面流速分布曲线

从图11中我们看到，索后9m断面与索前7.5m断面相距很近，两处的流速分布形态区别不大，明显差别还是发生在水面附近。索前7.5m断面因为有浮筒的阻流作用，故分布流速下降较快。索后9m断面因为不存在浮筒的阻水影响，故流速分布下降呈现慢变，不过此间发生着明显的曲线分布振荡。

3.3 实验设计结构阻冰效果分析

3.3.1 不同水深和流速下的阻冰效果分析

不同水深和流速下的阻冰效果数值模拟分析工况组合，具体见表4。

表4 不同水深和流速下的阻冰效果数值模拟工况组合

(1)水深1.5m不同流速阻冰效果数值模拟曲线分析，具体如图12所示。

图12 水深1.5m不同流速阻冰效果曲线

从图12我们看到，随流速的不断增加，流冰获得水流裹挟的作用在增强，上游来冰对冰积体的推挤作用加剧，会致使发生更多流冰出现下潜的现象。这导致随水流速度增加，阻冰索上游冰积体变小，而且不同断面上冰积厚度及均匀程度变低。

(2)水深3.5m不同流速阻冰效果数值模拟曲线分析，具体如图13所示。

图13 水深3.5m不同流速阻冰效果曲线

从图13我们看到，当Fr不超过0.035且流速较低时，流冰得到水流裹挟的作用相对较弱，来冰对下游冰积体推挤的影响作用几乎可以忽略，也因此形成了较平整的冰积状态。阻冰索上游的不同断面处，流积厚度变化不大，基本都处于0.45m左右。

(3)水深6.5m不同流速阻冰效果数值模拟曲线分析，具体如图14所示。

图14 水深6.5m不同流速阻冰效果曲线

从图中14中我们看到，随水力和流速增加，下潜流冰通过程度也在增加，进冰渠段范围扩大，冰积体变小，不同断面的阻冰厚度呈现了下降趋势。

3.3.2 不同状态下失效时刻的阻冰效果分析

各不同工况下阻冰失效时刻的阻冰效果数值模拟，具体见表5。

表5 不同工况下阻冰失效时刻的阻冰效果数值模拟汇总

为更好考察阻冰索对流冰的滞阻作用，这里对Sc值作如下定义：

Sc=t/t′

(1)

式中，t—阻冰索失效时刻；t′—无阻冰索状态下流冰抵达8.5m断面所需要的时间；t′的具体计算是依据下边公式进行。

t′=8.5/v

(2)

式中，v—流冰移动速度。

Sc体现阻冰索对流冰的滞阻程度，Sc值越小，意味阻冰索对流冰的阻滞作用越小，反之，则意味流冰通过阻冰索就越发困难。不同工况下阻冰索Sc值分布曲线，具体如图15所示。从图15中我们看到，所列各工况下模拟结果中，Sc数值都要大于1，意味流冰均受阻冰索不同程度阻滞。第一阶段，浮筒反射空气、水流的阻滞作用，冰体流进速度趋缓，从而导致t较t′增加；第二阶段，流冰不能通过浮筒，故而也不能引起t较图15增加。

图15 工况不同状态下Sc值曲线分布

Sc值在不同水深下均随流速增加而呈现降低趋势，意味阻冰索受到明显的流速影响，规律为流速越大，冰索阻滞作用则越来越变弱。在Fr值大于0.065时，Sc值在各工况下大致相同，意味此时水深及流速对Sc值的影响作用基本消失，表明此条件下阻冰索不能对流冰起到阻截作用。

3.3.3不同流速和不同水深组合对阻冰效果的影响分析

不同流速和不同水深的组合工况，具体见表6。

表6 不同流速和不同水深的组合工况列表

得到最终观察断面的冰积厚度随水深变化的函数变化关系，具体曲线如图16所示。

图16 冰积厚度随水深的变化曲线

从图16中我们看到，在典型观察断面，随着流速的增加，最终冰厚均在减小，而且随着水深的增加，冰厚大体呈现线性增加的变化态势，尽管增速缓慢。显然，对阻冰索最终阻冰效果，流速相对水深影响明显。

4 结语

本文在低温实验室中，以真冰对索网阻冰索结构形式，进行了阻冰效果实验验证，结果表明：索网结构阻冰索因为在浮子下方设计了网栅结构，下潜流冰可以得到较好的捕捉。多道索网阻冰索组合使用，能够加速形成索间冰盖，进而可以减轻下游阻冰索处的冰积程度，在水位变化情形下，可功能促进冰盖形成和状态基本稳定。索网阻冰索因为增加了刚性垂向滤网，对流冰下潜增加了捕捉能力，故此型阻冰索较传统其它阻冰索的流速适用范围有所放宽。但当冰流量较大时，此型索网阻冰索因捕捉能力过强，也要适当防止过度冰塞，因此，实际运用索网结构阻冰索时，也不容忽视监测气象条件的变化。索网阻冰，多道索网组合阻冰对改善拦冰效果有积极作用。

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