趙 新，練繼建，黃 焱

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

南水北調(diào)中線工程從丹江口陶岔閘調(diào)水至北京、天津，輸水線路長，水流由北亞熱帶濕潤型氣候區(qū)到暖溫帶半濕潤氣候區(qū)．干線工程以明渠輸水為主．冬季運行時，黃河以北渠段受寒冷氣候影響，沿線將有不同程度的冰凌產(chǎn)生．其結(jié)冰和融冰過程分別為由北向南和由南向北發(fā)展，會出現(xiàn)南、北渠段凍、融不同的復(fù)雜情況，嚴(yán)重影響沿線冰期輸水條件和運行控制．

將結(jié)冰期和融冰期統(tǒng)稱為流凌期．輸水渠道運行時，往往以冰凌在冰蓋或攔冰索前緣不下潛作為流凌期輸水能力的控制條件．水流弗勞德數(shù)小于第二臨界弗勞德數(shù)時，可避免冰塞的發(fā)生．Shen等[1]和Sun等[2]由現(xiàn)場觀測認為，第二臨界弗勞德數(shù)為 0.09左右．引黃濟青工程規(guī)定冰期輸水過程中水流弗勞德數(shù)應(yīng)小于 0.08[3]．京密引水將弗勞德數(shù)小于 0.09作為冰期運行的控制指標(biāo)之一[4]．

除弗勞德數(shù)指標(biāo)外，很多學(xué)者認為應(yīng)以流速指標(biāo)作為冰凌下潛的控制標(biāo)準(zhǔn)．文獻[5]指出 Maclachlan根據(jù)圣·勞倫斯河觀測資料，認為冰塊下潛的臨界流速為 0.69,m/s；Kivisild分析認為該臨界流速為0.61,m/s．北京市水利科學(xué)研究所分析京密引水原型觀測結(jié)果，認為在結(jié)冰期渠道斷面平均流速應(yīng)控制在0.6,m/s以下[4]．

在弗勞德數(shù)和流速指標(biāo)控制下，可以計算渠道在流凌期的輸水能力．由于南水北調(diào)中線工程輸水線路長，沿線總會存在流凌渠段．因此，流凌期允許的最大輸水流量成為限制黃河以北渠段冰期輸水能力的瓶頸[6]．

通過設(shè)置攔冰索，一方面有利于穩(wěn)定冰蓋的形成，縮短結(jié)冰期時間，對運行調(diào)控和提高渠道輸水能力具有重要意義．引黃濟青、京密引水、引黃濟津、引灤入津等均證明了攔冰索在結(jié)冰期對冰蓋形成的促進作用．

另一方面，冰塞、冰壩能否形成，其前提在于大量冰凌源源不斷從上游輸送往下游．通過在輸水渠道中以一定間距分布式設(shè)置攔冰索，可以減少冰凌的輸送量，破壞冰塞、冰壩形成條件，從而打破弗勞德數(shù)和流速限制，提高輸水工程流凌期輸水能力．1988年黃河實測資料證明：攔冰索下游河段流冰密度和冰塊面積均大幅減小，并且沿河架設(shè)多處攔冰索能夠形成“梯級封河”，水位漲幅小，使封河過程中不至漫灘；開河時冰凌受攔冰索逐段阻止，冰滑不動，免除武開河和冰壩的產(chǎn)生[7]．

對于南水北調(diào)中線工程而言，通過合理設(shè)置攔冰索，可以解決長期流凌渠段輸水能力問題．這一瓶頸的消除，將全面提高整個工程在冰期的輸水能力，具有巨大的社會和經(jīng)濟價值．

筆者通過對原有攔冰索設(shè)計型式的優(yōu)化、改進，提出一種新型攔冰索，即雙纜網(wǎng)式攔冰索，并通過真冰模型試驗，對代表其攔冰能力的索力特性進行研究．

1 雙纜網(wǎng)式攔冰索

鑒于攔冰索的重要作用，對南水北調(diào)中線工程原攔冰索設(shè)計形式開展模型試驗，見圖 1．試驗發(fā)現(xiàn)其在低流速下對冰絮有一定阻滯作用，有利于穩(wěn)定冰蓋的形成；但其對于冰凌的攔截效果較差．在動冰作用下，容易發(fā)生翻滾而失效，冰凌將從攔冰索上方或下方通過．

在分析原攔冰索失效原因的基礎(chǔ)上，對其形式進行優(yōu)化、改進，最終提出雙纜網(wǎng)式攔冰索．

圖1 南水北調(diào)中線工程原有攔冰索結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of original ice boom pattern in the middle line of south-to-north water transfer project

雙纜網(wǎng)式攔冰索由錨固樁、鋼絲繩和節(jié)塊組成．錨固樁固定于渠道兩側(cè)；鋼絲繩為 2根，并分別通過卡扣分上下固定于渠道兩側(cè)的錨固樁上；節(jié)塊由漂木和攔冰網(wǎng)組成．?dāng)r冰網(wǎng)為網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，其上、下邊緣與鋼絲繩通過套環(huán)、定位卡扣等實現(xiàn)連接，見圖2．具體尺寸大小應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)乇榇_定，確保節(jié)塊在水面上、下均具有一定高度前提下，以節(jié)塊穩(wěn)性系數(shù)高者為優(yōu)．

圖2 雙纜網(wǎng)式攔冰索結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of net-style ice boom with two axes

雙纜網(wǎng)式攔冰索依靠自身浮力作用漂浮于水面上，在冰凌推力作用下，將呈懸鏈線形狀．其結(jié)構(gòu)形式具有以下3個優(yōu)點：①攔冰網(wǎng)使結(jié)構(gòu)重心適當(dāng)向下部移動，提高攔冰索節(jié)塊自身的穩(wěn)性系數(shù)，同時使水面上、下均有一定的攔冰高度，從而有效避免冰凌上爬或下鉆；②漂木和攔冰網(wǎng)形成一個 T形結(jié)構(gòu)，當(dāng)承受冰凌作用時，作用在攔冰網(wǎng)上的力將促使攔冰索前俯滾動，而作用于漂木迎冰面和底面的力將促使攔冰索后仰滾動，從而實現(xiàn)這 2種力之間的相互制衡，攔冰效果好；③設(shè)計 2個轉(zhuǎn)動軸，充分發(fā)揮雙纜作用，強化相鄰節(jié)塊間的作用力，從而有效防止局部失效的發(fā)生．

2 物理模型試驗

雙纜網(wǎng)式攔冰索攔冰效果模型試驗屬于冰力模型試驗．冰力模型試驗具有流體模型試驗和材料試驗的雙重特性．一方面，冰凌匯集水流和風(fēng)的能量后，在運動過程中通過接觸作用力，將能量傳遞給結(jié)構(gòu)物，所以，其具有流體試驗的特點；另一方面，冰凌與結(jié)構(gòu)物接觸后，能量傳遞效率與冰凌自身的強度有關(guān)，因此，冰力模型試驗又具有材料試驗的特點[8]．

首先，從流體模型試驗角度考慮，模型試驗應(yīng)遵從重力相似準(zhǔn)則．其次，從材料試驗角度考慮，當(dāng)結(jié)構(gòu)所受冰力依賴于速度時，重力相似準(zhǔn)則發(fā)揮主要作用[9]．如 Lau等[10]在正椎體的冰力模型試驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)弗勞德數(shù)大于 0.02時，重力相似準(zhǔn)則在冰與椎體作用中起主要作用．這一結(jié)論在天津大學(xué)冰工程實驗室模型試驗中也得到了驗證[8,11]．

由于輸水渠道中水流弗勞德數(shù)往往大于0.02，所以，攔冰索攔冰效果模型試驗應(yīng)按照重力相似準(zhǔn)則設(shè)計．

模型試驗在天津大學(xué)冰力學(xué)與冰工程試驗室進行，為避免尺寸效應(yīng)影響，模型幾何比尺1∶15，模型參數(shù)見表1．

表1 攔冰索模型參數(shù)Tab.1 Model size of ice boom m

按照破冰冰厚和水位(體現(xiàn)為攔冰索錨固點與水面的距離)的不同，劃分了 3個試驗組開展試驗，試驗參數(shù)見表2．

表2 試驗條件Tab.2 Test conditions m

在冰試驗室中降溫制冰，直至目標(biāo)冰厚，將冰蓋破碎為不同尺度的冰凌．試驗時，將攔冰索固定于冰凌一端，而在另一端，控制實驗拖車以預(yù)定的速度推動冰凌運動，試驗裝置如圖 3所示．試驗過程中對攔冰索順流向索力進行了測量．

圖3 試驗裝置示意Fig.3 Schematic diagram of test device

3 試驗結(jié)果分析

3.1 索力特性研究

圖4為順流向索力典型時程曲線．由圖4可知，攔冰索從開始發(fā)揮作用到失效可以劃分為3個階段：①發(fā)展期，攔冰索阻滯的冰凌數(shù)量逐漸增多，索力逐漸增大；②平衡期，攔冰索達到極限攔冰能力，冰凌堆積體內(nèi)部調(diào)整，索力均值變化較小，間或出現(xiàn)極大值；③失效期，攔蓄冰量超過攔冰索極限攔冰能力，冰凌堆積體從攔冰索上部或下部通過，索力迅速減?。虼?，宜采用平衡期順流向索力均值作為攔冰索攔冰能力的衡量指標(biāo)．

圖4 順流向索力典型時程曲線Fig.4 Typical time-history curve of cable force in downstream direction

試驗研究發(fā)現(xiàn)，攔冰索平衡期索力均值與水位、破冰冰厚和流速有關(guān)，其變化特點見表3．

表3 平衡期索力均值變化規(guī)律Tab.3 Variation of average cable force during equilibrium phase

3.2 索力量綱分析

影響攔冰索順流向索力均值的因素有：流速v、破冰冰厚0h、索長s、水面寬度B、錨固點與水面的距離hΔ、冰密度iρ和重力加速度g．于是順流向索力均值F可以寫成一般函數(shù)關(guān)系式，即

選擇水面寬度B、冰密度iρ和重力加速度g作為基本物理量，應(yīng)用π定理得

將試驗成果按式(3)無量綱化，以無量綱流速為橫坐標(biāo)，研究無量綱順流向索力均值的變化規(guī)律，見圖 5．

圖5 和關(guān)系Fig.5 Relationship betweenand

從圖5可以得到以下結(jié)論：

(2) 試驗組 1和試驗組 3對比，可知式(4)的斜率?為無量綱錨固點與水面距離的函數(shù)；

(3) 試驗組 1和試驗組 2對比，可知式(4)的截距φ為無量綱破冰冰厚的函數(shù)．

相關(guān)系數(shù)為0.98．

4 結(jié) 論

(1) 提出雙纜網(wǎng)式攔冰索，其重心低，穩(wěn)性系數(shù)較高；T型結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)冰凌作用力的自相制衡，攔冰效果好；雙轉(zhuǎn)動軸，有效避免局部失效的發(fā)生．

(2) 攔冰索作用過程可以劃分為發(fā)展期、平衡期和失效期 3個階段．在平衡期，冰凌堆積體內(nèi)部進行調(diào)整，索力均值基本保持穩(wěn)定．平衡期順流向索力均值可以作為衡量攔冰索攔冰效果的指標(biāo)．

(3) 攔冰索的攔冰效果隨流速的增大而減小，隨破冰冰厚的增大而減小，隨攔冰索錨固點與水面距離的增大而減小．

(4) 通過量綱分析，提出雙纜網(wǎng)式攔冰索平衡期順流向索力均值計算公式，為雙纜網(wǎng)式攔冰索的進一步研究和應(yīng)用提供參考，為南水北調(diào)中線工程冰期輸水過程中攔冰索的應(yīng)用提供幫助．

［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］ 王大偉，徐茂嶺，于 潔，等. 冬季冰蓋下輸水渠道的斷面設(shè)計[C]//第二屆全國水力學(xué)與水利信息學(xué)學(xué)術(shù)大會論文集. 成都，中國，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，李為民. 明渠冰蓋輸水觀測研究[C]// 第一屆全國冰工程學(xué)術(shù)會議論文集．忻州，中國：中國水利學(xué)會水力學(xué)專業(yè)委員會，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］ 穆祥鵬，陳文學(xué)，崔 巍，等. 南水北調(diào)中線干渠冰期輸水能力研究[J]. 南水北調(diào)與水利科技，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］ 程義吉. 黃河下游攔冰索設(shè)施防凌情況及其效果[J].山東水利科技，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］ 史慶增. 渤海簡易平臺冰力的模型試驗研究報告[R].天津：天津大學(xué)建筑工程學(xué)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］ 黃 焱，史慶增，宋 安. 冰力模型實驗中的模型律[J]. 冰川凍土，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］ 史慶增. 海冰荷載和冰激振動研究報告[R]. 天津：天津大學(xué)建筑工程學(xué)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).