输水渠道双轴型拦冰索模型实验分析

孙浩夫

(海城市水利事务服务中心，辽宁 海城 114200)

输水渠道拦冰是低温地区渠道设计和管理绕不开的技术课题。本文参考南水北调中线工程拦冰实用案例，以实验室比尺实验分析的方式，对输水渠道双轴型拦冰索开展模型实验分析，探究不同起始冰厚、不同冰速以及不同水位差异下的拦冰影响关系，以为同类渠道拦冰应用提供研究和技术参考，助力实现适用可靠的渠道拦冰应用工程。

1 双轴型渠道拦冰索

拦冰索由多部分构成，最主要包括铁链、原木、锚固端等，双轴拦冰索实物应用状态具体如图1所示。

本文在选取拦冰索时，主要遵循下述3项原则：①轴线最小直径与受力需要相适应；②单位长度的重量要匹配，水下深度及出水高程也要符合要求；③保持良好的稳态性。本研究所涉及的拦冰索总长4.8m；拦冰网宽度6cm，高度3cm；选用截面规格长×宽×高为8cm×7cm×3cm的松木漂木；由于钢丝绳及钢绞线长期浸泡在水中会被锈蚀，因此在本文中笔者选用了直径为1mm的尼龙绳。

2 实验室拦冰索比尺实验

2.1 实验比尺模型

出于冰厚、冰速等方面的考量，将λ=1∶15作为本模型的最佳比尺。各物理量的比尺值见表1。

表1 实验拦冰索物理量主要比尺

2.2 实验技术手段

在本实验中，通过调整固定点距水面的距离对河道水位变化情况进行模拟分析，分别设定-1.5、2.5、5cm的间距，水面以上为正，反之为负，经实证研究确定出最佳水位。

2.2.1方案一：高水位

拦冰索对应原型0.225m，固定端部署在水面下1.5cm位置，关于高水位方案设计的相关参数见表2。

表2 基于高水位实验方案

2.2.2方案二：中水位

拦冰索对应原型37.5cm，固定端部署在水面

图1 双轴拦冰索现场应用图片

上2.5cm位置，关于中水位方案设计的相关参数见表3。

表3 中水位方案

2.2.3方案三：低水位

拦冰索对应原型37.5cm，固定端部署在水面上2.5cm位置，关于低水位方案设计的相关参数表4。

表4 低水位方案

3 双轴型拦冰索实验现象及分析

3.1 起始冰厚的影响分析

3.1.1起始冰厚对拦冰厚度的影响

对生成的实验数据进行整理与分析，并基于水位、速率均同等的条件下，深入探讨与研究起始冰厚与拦冰量之间的关系。

(1)基于高水位方案

在高水位条件下，如果速率未达到100mm/s，起始冰厚与拦冰厚度呈显著负相关。其原因是：随着水位的不断升高，拦冰索两头的漂浮力越大，起到的拦冰效果就很显著；在冰速小且冰很厚的情况下，拦冰索受力就变小，所以能起到拦冰作用。但在冰厚且冰速大的情况下，拦冰索力就会增大，由于失稳无法起到良好的拦冰效果，所以拦冰量减少。

如果速率≥150mm/s，那么与上述规律则截然不同。其原因是：冰速越大，拦冰索受力就越大，拦冰索也就很难保持稳态，这时，只要起始冰厚度增大，拦冰量就越大，反之亦然。如图2所示。

图2 起始冰厚影响

(2)基于中水位方案

在中水位条件下，如果速率不变，起始冰厚越大，拦冰量越多，反之亦然。由于漂木及拦冰网都具有拦冰作用，而且拦冰索足够平稳，那么起始冰厚就成为了拦冰量的决定性因素。如图3所示。

图3 起始冰厚影响

(3)基于低水位方案

在低水位条件下，漂木及拦冰网均悬空在水面上，不能发挥拦冰作用。如果速率未达到100mm/s，始冰厚与拦冰量呈显著负相关。如果速率≥150mm/s，那么与上述规律正相反。如图4所示。

图4 拦冰厚度的影响

3.1.2起始冰厚对拦冰索失效模式的影响

在水位、速率均同等的工况下，如果起始冰厚较小，那么就容易出现以下几种情况：

(1)起始时刻，冰力施加于漂木上，拦冰索受力后仰。

(2)之后来冰下潜，冰凌体比较厚，冰力作用于拦冰网上，拦冰索受力前俯。

(3)漂木受冰凌浮力作用，阻止拦冰索前俯。

(4)因为冰厚较小，下潜耗费的时间就增加，那么拦冰索由于长时间受力无法保持稳态，也就不能起到良好拦冰效果效。

在水位、速率均同等的工况下，如果起始冰厚很大，那么就容易出现以下几种情况：

(1)起始时刻，冰力施加于漂木上，拦冰索受力后仰；同时拦冰索受力前俯。

(2)之后来冰下潜，冰凌体增厚，拦冰网受力加大，拦冰索前俯。

(3)漂木受冰凌浮力作用，阻止拦冰索前俯。

(4)因为冰厚大，下潜时间大大缩短。冰凌体厚度达到一定水平后，如果前俯力比后仰力大，那么冰从底部钻过，反之则从拦冰索上部走过。

3.2 冰速差异的影响分析

3.2.1冰速对拦冰厚度的影响

对生成的实验数据进行整理与分析，并基于水位、起始冰厚均同等的条件下，深入探讨与研究冰速与拦冰量之间的关系。

(1)基于高水位实验方案

在高水位条件下，冰速与拦冰厚度呈显著负相关。其原因是：随着水位的不断升高，漂木及拦冰网部分沉于水中，也就能起到拦冰的效用。当冰速很小时，拦冰索受力就小，也就能长期保持稳态，起到的拦冰效果就越好，所以拦冰量较大，如图5所示。

图5 冰速对拦冰厚度的影响(高水位，2.6cm相同起始冰厚)

(2)基于中水位实验方案

在中水位条件下，如果冰速>50mm/s，冰速对拦冰厚度产生的影响就非常小，如见图6所示。

图6 拦冰厚度的影响(冰速，中水位，2.1cm相同起始冰厚)

(3)基于低水位实验方案

低水位时，冰速对拦冰厚度的影响很小，如图7所示。

图7 拦冰厚度的影响(冰速，低水位，2.1cm相同起始冰厚)

3.2.2对拦冰索失效模式的影响

(1)起始冰厚不发生改变，冰速逐渐增大时，冰块下潜时间就越短，冰力作用于拦冰网上，拦冰索受力呈前俯姿势；漂木底面受浮力作用，使拦冰索前俯姿态改变。

(2)起始冰厚不发生改变，冰速逐渐减小时，冰块下潜速度就很慢，漂木受力时长就延长，拦冰索受力呈后仰姿势；之后来冰下潜，冰凌体增厚，冰力作用于拦冰网上，拦冰索受力呈前俯姿势；漂木底面受浮力作用，使拦冰索前俯姿态改变。

(3)如果前俯力与后仰力一致，拦冰索就会处于动平衡状态。冰凌体厚度达到一定水平后，如果前俯力明显比后仰力大。那么冰从底部钻过，反之则从拦冰索上部走过。

(4)在水位、起始冰厚均同等的工况下，如果冰速很大，冰块下潜就越快，动平衡持续时间就很短；反之亦然。

具体见表5—7。

表5 基于高水位实验方案

表6 基于中水位实验方案

表7 基于低水位实验方案

3.3 水位差异的影响分析

对生成的实验数据进行整理与分析，并基于冰速、起始冰厚均同等的条件下，深入探讨与研究水位与拦冰量之间的关系，见表8—11所示。

表8 基于50mm/s冰速工况 单位：cm

表9 基于100mm/s冰速工况 单位：cm

表10 基于150mm/s冰速工况 单位：cm

表11 基于200mm/s冰速工况 单位：cm

通过上表数据分析进一步发现，在此工况下所产生的各种效果：如果冰速未达到50mm/s，只有在高水位工况下，可起到良好的拦冰效果；如果冰速达到100mm/s，只有在低水位工况下，可起到良好的拦冰效果；如果冰速达到150mm/s，3个水位工况下的拦冰效果几乎一致；如果冰速达到200mm/s，只有在中水位工况下，可起到良好的拦冰效果。

4 结语

本文对不同实验方案下各要素与拦冰厚度、拦冰索失效模式间的关系展开了深入探讨与全面研究。经过实证论证，笔者获得了以下几个重要结论：

(1)起始冰厚影响：在高、低两种不同的水位工况下，如果速率未达到100mm/s，起始冰厚与拦冰量存在显著负相关；如果速率≥150mm/s，那么与上述规律正相反。在中水位工况下，在速率不发生改变时，起始冰厚与拦冰量存在显著正相关。

(2)冰速影响：在高水位的实验工况下，冰速与拦冰厚度存在显著负相关：在中水位的实验工况下，拦冰量在冰速为50mm/s时达到最低，拦冰量在冰速>50mm/s时基本一致；低水位的实验工况下，冰速对拦冰厚度产生的影响很小。

(3)水位影响：如果冰速未达到50mm/s，只有在高水位工况下，可起到良好的拦冰效果；如果冰速达到100mm/s，只有在低水位工况下，可起到良好的拦冰效果；如果冰速达到150mm/s，3个水位工况下的拦冰效果几乎一致；如果冰速达到200mm/s，只有在中水位工况下，可起到良好的拦冰效果。