引水隧洞冰期输水的冰力学模型试验研究

姜海峰

（辽宁润中供水有限责任公司，辽宁沈阳110000）

随着我国工农业的迅速发展，人类对水资源的需求和消耗量也日益增加。就我国的现状而言，由于水资源地域分布严重不均，跨地域、跨流域调水工程就成为解决我国水资源矛盾的重要手段。为此，我国建设了引滦入津、南水北调、大伙房输水工程等一系列重特大水资源跨流域联合调度工程。对长距离引水工程而言，引水隧洞是整个工程的关键组成部分。然而，大伙房输水工程等位于寒区的引水隧洞经常受到冷暖交替季节的流冰威胁。如遇温度变化比较剧烈的年份，冰情就会比较严重，对引水隧洞的影响乃至破坏也比较严重[1]。因此，加强冬季输水对引水隧洞的破坏机理的研究，对通过技术和管理措施进行有效预防和治理无疑具有重要意义。

1 模型试验的缘由

在水力学研究领域，某一问题一般都是多种影响因素相互影响的结果，而其中某一特定参数的影响，往往会面临现场观测中的作用的现象、条件以及各种不稳定因素，从而对研究本身带来不利影响[2]。当前对冰力学问题的研究的主要方式是通过理论分析、原型观测以及试验研究相结合的方式进行。其中，原型观测固然具有真实性和可靠性，但是现场因素十分复杂也难以控制，很难就某个特定因素进行专门研究。例如，对此次研究而言，输水隧洞中的冰排的厚度和尺寸等参数受当地的自然环境影响巨大，因此具有不规则性和不规律性，这会在很大程度上制约原型观测的实施和结果的效度。

因此，目前对冰排撞击影响的研究主要是采用基于理论分析的有限元仿真模拟分析计算，可以利用不同的参数设定对不同的条件和现象进行组合模拟研究，从而通过理论计算模拟出各种影响因素对结构本身的作用机理，十分方便、可靠。这些计算模型中以Ansys中的LS—DYNA软件模拟计算软件使用最为广泛[3]。其中，张凤德等利用该模型对流冰撞击坝体进行了仿真计算，并取得良好的模拟结果[4]。但是，该计算模型的计算结果是否正确，是否能够进一步应用于输水隧洞冰排撞击影响计算，必须要经过试验数据的对比分析。

模型试验可以确定与研究无关的变量以排除干扰，并根据研究需要改变相应的参数等试验条件，从而获取一些列与研究因素直接相关的对比数据，有利于对特定参数在所有因素中的作用和影响规律的探究。引水隧洞冰期损害也不例外，通过冰力学模型试验可以针对冰排的流速、尺寸、厚度等因素对引水隧洞衬砌撞击过程中的撞击力影响与机理展开实际验证，并取得相应的结论。

2 模型试验设计

2.1 试验对象的选取

基于上述分析，此次研究以某输水工程引水隧洞为例，通过模型试验的方式验证LS—DYNA软件模拟计算软件在引水隧洞冰排撞击影响模拟计算方面的准确性。该隧洞全长15.723 km，纵坡为 1/1 000，设计流量29 m3/s，加大流量为34 m3/s。该隧道为复合式衬砌型无压引水隧洞，隧道内净宽4.2 m，净高4.4 m，顶部为半径2.1 m的半圆。由于长距离隧洞中间段埋深较大，温度较高，可以使得冰排慢慢融化。因此，研究中以隧洞进出口20 m进行模型试验。

2.2 试验装置简介

为了研究冬季输水过程中冰排对引水隧洞的破坏机理，首先对国内外冰力实验室和相关模型的研究成果进行梳理，最终确定选用水工模型试验室的单边坡试验装置进行此次试验。在具体的试验过程中，由于仅就冰排的流速、平面尺寸、厚度等不同参数条件下冰排对引水隧洞的影响进行模型研究，而在仅考虑上述参数变化的条件下，冰排对引水隧洞衬砌的撞击力不大，一般不会对引水隧洞的整体稳定性带来显著的负面影响。综合上述考虑，在此次试验中选用矩形水槽代替隧洞模型。根据试验要求和现场条件，模型按照与输水隧洞1∶28的比例进行设计。

此次试验装置主要设备及其参数和作用如下：

1）水箱：其主要作用是储存试验装置中的循环水，根据试验需要和室内空间，设计尺寸为2 m×1 m×1 m。

2）水泵：其主要作用为模型中的水循环提供动力，通过水泵运行将水从地面水箱提升到水槽中，并循环运行。

3）水槽：此次试验过程中的主要设备，用来模拟输水隧洞。由于此次研究仅考虑冰排对输水隧洞的撞击作用，而这种作用不会对输水隧洞的整体稳定性造成大的影响，同时对隧道的上壁几乎没有任何影响。因此在试验过程中使用明渠代替输水隧洞，考虑到各种综合因素，水槽的尺寸设计为0.15 m×0.2 cm×4 m。

4）升降螺旋：在冰排对输水隧洞的影响试验中，冰排的流速是影响撞击力的重要因素，要顺利进行试验，就必须要对流速进行有效控制。因此，在此次试验装置中设计了升降螺旋来调节水槽的坡度，结合流量的控制达到控制和改变流速的作用。

5）有机玻璃应变片：在此次试验设计中选取型号为BX120-4AA的应变片，沿着水槽的边壁分别贴十个应变片，通过与瞬时应变测试仪相互配合，实现对实现对应变量的测量，然后进一步计算相应的应力。

6）瞬时应变测试仪：该仪器是实验装置的主要仪表设备，也是试验结果输出设备，在试验中具有十分重要的价值和作用。其主要功能是通过应变片测出冰排碰撞水槽壁时发生的应变。

7）测速仪：主要用于测定水槽中水的流速。8）水位测针：主要用于测定水槽中的水位。

9）冰块：由于此次试验没有将冰的不同物理属性对撞击力的影响考虑在内，因此出于储存方便和试验方便的考虑，采用比重为0.8 g/cm3左右的石腊块作为模拟冰块，当然，在结果计算中需要进一步转换。

2.3 技术路线

基于上述分析，为了研究流速、冰排厚度和尺寸等特定因素对输水隧洞的碰撞影响和作用机理，有必要进行室内模型试验。但是，冰期输水试验具有其自身的特殊性，会牵涉到众多而复杂的因素，要同时满足水动力、冰力和热力等3种条件的相似性。其中，水力条件可以通过重力相似性准则进行模拟；冰力学条件应该满足柯西数等相应的要求。由于此次试验在相对恒温的室内条件下进行，且主要利用冰排的厚度和尺寸大小代替温度差异，因此热力学条件的相似性要求可以忽略不计。具体的试验技术路线：

2.4 试验方案设计

输水隧洞在冬季输水过程中，按照冰的形成与变化过程可以分为结冰期、封冻期以及解冻期3个主要阶段。在前两个阶段冰对输水建筑物主要产生膨胀力危害，不属于本文的研究范围。在春季的解冻期，流动的冰排会对输水建筑物产生比较明显的撞击力作用。因此，本文试图对冰排的不同尺寸、厚度和流速工况下的撞击力影响展开模型试验研究，其试验状态的原理图如图1所示。

3 试验结果分析

经过上述装置试验，得出不同工况下的大量实验数据，对数据按照几何比尺1∶28进行数据处理，然后与软件模型计算的结果进行比对。

3.1 流速对撞击力的影响

图1 模型试验原理图

根据试验数据测算，冰排的流速不同，对输水隧洞边壁的撞击力以及相应的应力值也有所不同，具体的数据结果见表1。

表1 不同冰排流速下的试验数据

将上述试验数据进行处理后，与冰排流速对撞击力影响的仿真计算结果进行对比，获得如图2所示的结果[5]。由图2可知，试验结果、模拟计算结果和y＝10x等3种形式具有相似的趋势，随着冰排流速的增大，冰排对输水隧洞的撞击力也增大，并且基本呈线性分布关系。

3.2 冰排尺寸对隧洞撞击力的影响

根据模型试验的结果。冰排的平面尺寸不同，对输水隧洞产生的撞击力和应力值也不同，具体的试验数据如表2所示。

将上述试验数据进行处理后，与冰排尺寸对撞击力影响的仿真计算结果进行对比，获得如图3所示的结果。由图3可知，试验数值与模型计算的数值基本接近，随着冰排平面尺寸的增大，对输水隧洞撞击力也逐步增大。

3.3 冰排厚度对输水隧洞撞击力的影响

冰排的厚度对输水隧洞的撞击力影响的试验结果如表3所示。

表3 不同冰排厚度下的试验数据

图2 不同冰排流速模型计算与试验结果对比图

表2 不同冰排尺寸下的试验数据

图3 不同冰排尺寸模型计算与试验结果对比图

图4 不同冰排厚度模型计算与试验结果对比图

将上述试验数据进行处理后，与冰排厚度对撞击力影响的仿真计算结果进行对比，获得如图4所示的结果。由图4可知，试验结果、模拟计算结果和y＝6.7x＋0.2等3种形式具有相似的趋势，随着冰排厚度的增大，冰排对输水隧洞的撞击力也增大，并且基本呈线性分布关系。