于守兵,顧志剛,侯志軍

(黃河水利科學(xué)研究院泥沙研究所,河南鄭州 450003)

包神鐵路黃河大橋冰凌開(kāi)河期實(shí)體模型試驗(yàn)

于守兵,顧志剛,侯志軍

(黃河水利科學(xué)研究院泥沙研究所,河南鄭州 450003)

為了研究包神鐵路黃河大橋建成后在冰凌開(kāi)河期對(duì)冰凌水體的壅高程度,基于冰流重力相似、冰流阻力相似、冰流量相似、浮冰運(yùn)動(dòng)相似等冰凌運(yùn)動(dòng)相似原理,采用添加少量石膏粉的石蠟作為模型冰,進(jìn)行實(shí)體模型試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:將模型冰塊制作成不規(guī)則形狀能夠較好地模擬橋梁附近的卡冰現(xiàn)象;當(dāng)開(kāi)河流量為1200 m3/s、冰流密度為80%時(shí),擬建橋梁、現(xiàn)狀橋梁工況的上游水位壅高值分別為1.36 m和2.21 m;擬建橋梁的主跨比現(xiàn)狀橋梁增加了近1倍,橋位斷面排冰過(guò)流能力大大增強(qiáng)。

冰凌;開(kāi)河流量;冰流密度;實(shí)體模型試驗(yàn);包神鐵路黃河大橋

黃河內(nèi)蒙古河段在冬季大部分時(shí)間為穩(wěn)定封凍河段,在開(kāi)河期由于上下游溫差較大常常出現(xiàn)凌汛[1]。凌汛洪水具有凌峰流量小而水位高、流量沿程遞增等特征,嚴(yán)重時(shí)形成冰塞或冰壩,迫使水位迅速上漲,造成堤防漫決[2-3]。因此,應(yīng)用水力學(xué)和熱力學(xué)原理預(yù)報(bào)各種冰情要素是寒冷地區(qū)水文預(yù)報(bào)的一個(gè)重要課題[4-7]。凌汛的形成受熱力、動(dòng)力和河勢(shì)等因素的影響,而且它們彼此相互聯(lián)系、相互制約,故實(shí)體模型試驗(yàn)成為研究冰凌運(yùn)動(dòng)的一個(gè)重要手段[8-10]。宋安等[11-12]采用尿素冰為主體的低溫冷凍冰,進(jìn)行了一系列冰荷載與過(guò)冰能力試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)邊界條件對(duì)冰荷載具有較大影響。

水工建筑物的過(guò)冰和防凌問(wèn)題主要研究開(kāi)河期的冰凌運(yùn)動(dòng),熱力學(xué)的影響可以忽略不計(jì)[13]。低溫冰池試驗(yàn)要求的技術(shù)條件較高且試驗(yàn)成本較高,故以工業(yè)石蠟為模型冰的常溫試驗(yàn)更多地應(yīng)用于工程研究。陳儲(chǔ)軍[14]在研究水電站導(dǎo)流底孔的過(guò)冰能力時(shí)提出了冰流量、冰塊下潛運(yùn)動(dòng)以及堆冰潰決的相似條件;孫肇初[15]提出了水流條件、浮冰運(yùn)動(dòng)特性以及冰流量的相似條件;白世錄等[16]從浮冰運(yùn)動(dòng)與推移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律相似出發(fā)提出開(kāi)河期和流凌期兩種尺度冰塊的冰流量關(guān)系式。目前還難以進(jìn)行嚴(yán)格滿足各種相似條件的冰凌實(shí)體模型試驗(yàn),通常根據(jù)研究目的進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。

1 工程概況

包神鐵路是神府煤田外運(yùn)煤炭的重要通道,近年來(lái)經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的發(fā)展促使運(yùn)輸需求日益增長(zhǎng),擬實(shí)施包神鐵路黃河大橋擴(kuò)建工程。該工程位于當(dāng)前包神鐵路黃河大橋上游約30 m處,擬建橋梁長(zhǎng)3073 m?，F(xiàn)狀橋梁主跨為64 m,擴(kuò)建后的主跨為128 m。橋位河段為黃河防凌重點(diǎn)河段,其上下游附近分布有包西鐵路黃河特大橋、包頭黃河鐵路大橋、包茂高速1號(hào)公路橋、包茂高速2號(hào)公路橋、包頭自來(lái)水公司取水口、達(dá)旗電廠取水口等諸多建筑物。因此,有必要通過(guò)冰凌實(shí)體模型試驗(yàn)對(duì)橋位河段的冰凌運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究[17]。擬建橋梁位于黃斷(黃河斷面的簡(jiǎn)稱,下同)77附近,由于試驗(yàn)的目的主要是研究橋梁對(duì)冰凌水體的壅高程度,選擇橋位上游8.4 km至下游3.3 km(即黃斷74～78)、總長(zhǎng)為11.7 km的河段為試驗(yàn)范圍,模型試驗(yàn)平面布置如圖1所示。

2 冰凌模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 冰凌運(yùn)動(dòng)相似原理冰凌運(yùn)動(dòng)不僅是固-液兩相水力學(xué)問(wèn)題,而且還是熱力學(xué)問(wèn)題,因此理論上只有當(dāng)液體相、固體相以及熱力學(xué)性質(zhì)都相似時(shí),才能達(dá)到冰凌運(yùn)動(dòng)相似。由于開(kāi)河期的冰凌運(yùn)動(dòng)主要是水力學(xué)問(wèn)題,一般認(rèn)為冰凌運(yùn)動(dòng)相似主要滿足冰流重力相似、冰流阻力相似、冰流量相似、浮冰運(yùn)動(dòng)相似、冰塊下潛相似、堆冰潰決相似[13-15],具體表達(dá)式如下:

式中:λv為流速比尺;λL為水平比尺;λv為垂直比尺;λn為糙率比尺;λ′ρ為冰塊密度比尺;λη為冰流密度比尺;λQi為冰流量比尺;λvc為冰塊下潛臨界流速比尺;λRi為冰塊極限抗彎強(qiáng)度比尺;λJ為比降比尺;λC為謝才系數(shù)比尺。

目前,嚴(yán)格地滿足上述相似條件仍難以做到。對(duì)于橋梁等涉水建筑物的防洪評(píng)價(jià)問(wèn)題,主要研究建筑物上游的壅水問(wèn)題,因此冰凌運(yùn)動(dòng)相似以滿足冰流重力相似、冰流阻力相似、冰流量相似和浮冰運(yùn)動(dòng)相似為主(式(1)～(4))。冰流阻力相似主要表現(xiàn)在沿程水位的壅高相似。浮冰運(yùn)動(dòng)相似要求模型冰和原型冰的密度相同。依據(jù)試驗(yàn)要求及場(chǎng)地條件確定模型水平比尺λL=280,模型河段總長(zhǎng)約41.8 m?？紤]到模型水流的深度應(yīng)滿足表面張力及試驗(yàn)量測(cè)的要求,取垂直比尺λH=60。當(dāng)原型流量為600～1200 m3/s時(shí),無(wú)冰時(shí)橋位斷面最大水深為2.7～3.6 m,模型水深為4.5～6.0 cm,滿足不受表面張力干擾的要求,其他主要比尺見(jiàn)表1,其中λQ、λt分別為流量比尺和時(shí)間比尺。

表1 冰凌實(shí)體模型試驗(yàn)比尺

圖1 冰凌實(shí)體模型試驗(yàn)平面布置

2.2 模型冰的制作

制作模型冰的依據(jù)是天然原型冰的物理化學(xué)性質(zhì),其相似性直接影響到模型試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。國(guó)際上曾經(jīng)出現(xiàn)和目前正在使用的模型冰主要有鹽水冰、尿素冰、細(xì)顆粒冰(FG冰)和乙醇、脂肪族洗滌劑和白糖摻合冰(EG/AD/S冰)。本文模型試驗(yàn)采用添加少量石膏粉的石蠟作為模型冰,其密度為910 kg/m3,與天然冰的密度917 kg/m3十分接近,滿足浮冰運(yùn)動(dòng)相似要求[15]。

根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn),若將模型冰做成規(guī)則的圓形或方形,則不利于冰塞或冰壩形成[18]。為了較準(zhǔn)確地模擬天然冰凌運(yùn)動(dòng)特性,試驗(yàn)過(guò)程中將模型冰塊制作成不規(guī)則形狀,其邊角極易勾結(jié)形成相對(duì)穩(wěn)定結(jié)構(gòu),與實(shí)際情況較為一致。隨著來(lái)冰量的增加,一旦出現(xiàn)較大冰塊觸岸或遇灘“擱淺”,便可能與上游的浮冰“黏連”疊加,由小到大,由薄而厚,冰壩體不斷被充實(shí)擴(kuò)大,使模型冰聚積形成冰塞,致使河道過(guò)流量減小,逐步形成橫亙于河道的冰壩。

2.3 模型冰的尺寸

黃河內(nèi)蒙古河段冰凌尺寸的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料很少,而距該河段最近且具有較系統(tǒng)的觀測(cè)資料的是石嘴山水文站。1986—2003年凌汛期冰情監(jiān)測(cè)結(jié)果表明:冰塊長(zhǎng)度為5～100 m,寬度為3～200 m;平均長(zhǎng)度為25 m,平均寬度為17 m。冰體面積為20～6000 m2,其中僅在1986—1987年、1987—1988年和1996—1997年冰體面積大于1 500 m2,其他年份均在600 m2以下。

龍羊峽等水庫(kù)的運(yùn)用對(duì)流量和水溫有較大的調(diào)節(jié)作用,使得寧蒙河段的冰流量有較大減少,冰塊尺度也相應(yīng)減小。另外,石嘴山位于橋位河段上游超過(guò)400km的位置,開(kāi)河期冰塊在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)不斷發(fā)生崩裂解體,故采用的原型冰體面積為200～600m2。

1986—2003年最大冰厚資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,河冰最大冰厚為0.20～0.50 m,一般厚度為0.10～0.20 m;岸冰最大厚度為0.30～0.50 m。

模型冰塊的長(zhǎng)度和寬度控制在0.03～0.15 m之間,厚度控制在0.004～0.011 m之間。天然冰塊的尺寸大小不一,存在一定的級(jí)配。但是目前缺乏現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的級(jí)配資料,根據(jù)以往的模型經(jīng)驗(yàn),平面尺寸為0.03～0.05 m、0.05～0.10 m和0.10～0.15 m的模型冰比例分別取30%、40%、30%[18]。

3 冰凌模型試驗(yàn)結(jié)果

3.1 率定試驗(yàn)

模型進(jìn)口邊界在黃斷74上游側(cè),出口邊界在黃斷78下游側(cè)。防洪大堤、付家疙堵、二亮疙旦、畫(huà)匠營(yíng)子控導(dǎo)工程、擬建大橋的平面位置和高程根據(jù)設(shè)計(jì)方案確定。斷面高程采用2008年實(shí)測(cè)大斷面資料,并參考衛(wèi)星圖片資料進(jìn)行修正。包茂高速1號(hào)公路橋、包茂高速2號(hào)公路橋均為現(xiàn)狀條件。包神鐵路黃河大橋采用目前正在使用的現(xiàn)狀大橋。

根據(jù)三湖河口水文站資料統(tǒng)計(jì),開(kāi)河期當(dāng)日流量的多年平均值為818 m3/s,最大流量為1967年的2 220 m3/s,最小流量為 2003年的 428 m3/s[8]。1986年以來(lái),黃河內(nèi)蒙古河段不斷萎縮,河段最小平灘流量降低至1000 m3/s[19]。對(duì)開(kāi)河期橋梁對(duì)冰凌水體的壅高程度而言,由于灘地過(guò)流的增加,漫灘時(shí)的壅高值小于非漫灘時(shí)的壅高值。另外,水庫(kù)的調(diào)節(jié)作用使得蓄水量的釋放變得均勻,從而減小了開(kāi)河期的流量變幅,因此選擇 600 m3/s、900 m3/s、1200 m3/s這3種開(kāi)河流量作為試驗(yàn)典型流量,相應(yīng)地,無(wú)冰時(shí)橋位斷面最大水深分別為2.7 m、3.3 m和3.6 m。

一般而言,開(kāi)河的標(biāo)志為超過(guò)50%的冰蓋破碎并開(kāi)始移動(dòng)[10]。冰塊在向下游移動(dòng)的過(guò)程中,隨著水流條件和封凍條件的不同,冰流密度處于不斷變化中。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),一般最大的冰流密度可達(dá)到80%,選擇該值作為率定試驗(yàn)的冰流密度。在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),將模型冰塊制作成不規(guī)則形狀,在橋梁上游冰塊易相互搭接,較好地模擬了壅冰情況,流量為900 m3/s時(shí)大橋附近的卡冰情況如圖2所示。

圖2 大橋附近的卡冰情況

三湖河口水文站距離試驗(yàn)河段最近且具有系統(tǒng)的凌汛期水位觀測(cè)資料,其1960—2005年凌汛期水位變化如圖3所示。由圖3可以看出,冰凌期水位壅高值為1.30～2.20 m,平均值約為1.6 m;在3種開(kāi)河流量條件下平均水位壅高值分別為1.42 m、1.65 m和2.08 m[20]。

圖3 三湖河口水文站歷年凌汛期水位變化

試驗(yàn)過(guò)程中,在3種開(kāi)河流量條件下,水位達(dá)到穩(wěn)定后的壅高值分別為1.25 m、1.79 m和2.21 m,這與實(shí)測(cè)的冰凌壅水高度基本一致。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

模型試驗(yàn)有現(xiàn)狀橋梁、擬建橋梁、雙橋(施工期兩橋并存)3種橋梁工況,有0(無(wú)冰)、20%和80% 3種冰流密度。

對(duì)于不同的冰流密度,各種橋梁工況下卡冰和沿程水位變化趨勢(shì)一致,當(dāng)開(kāi)河流量為900 m3/s,雙橋橋梁工況下冰流密度為0、2%、8%時(shí)沿程水位變化如圖4所示。當(dāng)冰流密度為20%時(shí),橋位河段冰凌下泄順利,包神鐵路橋和兩個(gè)公路橋都不會(huì)卡冰;當(dāng)冰流密度為80%時(shí),3種開(kāi)河流量條件下橋位河段都出現(xiàn)卡冰情況,水位壅高約2 m。

圖4 雙橋工況下不同冰流密度時(shí)沿程水位變化

當(dāng)開(kāi)河流量為900m3/s、冰流密度80%時(shí),雙橋工況由于兩橋并存對(duì)冰凌和水流的阻力要大于現(xiàn)狀橋梁工況,故引起的水位壅高值也大于現(xiàn)狀橋梁工況時(shí)的壅高值。

對(duì)于不同的開(kāi)河流量,每種橋梁工況的卡冰和沿程水位變化趨勢(shì)一致,當(dāng)開(kāi)河流量為1 200 m3/s、冰流密度為80%時(shí),擬建橋梁、現(xiàn)狀橋梁與雙橋橋梁工況上游(黃斷76)的水位分別為1 004.56 m、1005.41 m、1 005.63 m,相應(yīng)的壅高值分別為1.36 m、2.21m、2.43m,各種工況的沿程水位變化如圖5所示?，F(xiàn)狀橋梁和擬建橋梁工況的橋位斷面都會(huì)出現(xiàn)卡冰現(xiàn)象。擬建橋梁的主跨由現(xiàn)狀橋梁的64 m增至128 m,橋位斷面排冰過(guò)流能力大大增強(qiáng),其上游壅冰、壅水高度較其他兩種有明顯下降。另外在雙橋和現(xiàn)狀橋梁工況下,由于開(kāi)河流量大于河段平灘流量,再加上冰凌和橋梁的阻水作用,灘地漫流起到一定的分流作用,這使得兩種工況下沿程水位差別不大。

圖5 3種工況下冰流密度為80%時(shí)沿程水位變化

4 結(jié) 論

a.對(duì)于橋梁等涉水建筑物的防洪影響評(píng)價(jià)問(wèn)題,主要研究建筑物上游的壅水問(wèn)題,因此開(kāi)河期冰凌運(yùn)動(dòng)相似以冰流重力相似、冰流阻力相似、冰流量相似和浮冰運(yùn)動(dòng)相似為主。

b.采用添加少量石膏粉的石蠟作為模型冰,其密度與天然冰的密度十分接近,滿足浮冰運(yùn)動(dòng)相似要求;將模型冰塊制作成不規(guī)則形狀,能較好地模擬卡冰現(xiàn)象。

c.當(dāng)開(kāi)河流量為1 200 m3/s、冰流密度為80%時(shí),擬建橋梁、現(xiàn)狀橋梁與雙橋工況的上游水位壅高值分別為1.36 m、2.21 m、2.43 m;擬建橋梁的主跨由現(xiàn)狀橋梁的64 m增至128 m,橋位斷面排冰過(guò)流能力大大增強(qiáng)。

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Ice physical model of Baoshen Railway Bridge across Yellow River in thawing period//

YU Shoubing,GU Zhigang, HOU Zhijun
(Sediment Research Division,Yellow River Institute of Hydraulic Research,Zhengzhou 450003,China)

To study the effect by the Baoshen Railway Bridge to be built across the Yellow River on water level in thawing period,the physical model test has been applied according to similarities of ice flow gravity,ice flow resistance,ice flow volume,floating ice dynamics,using paraffin mixed with a little gypsum powder as model ice.The results show that the model ice with irregular shape can be used effectively to simulate blocking around the bridge.Additionally,under the conditions of 1200m3/s discharge and 80%ice flow density,backwater heights before the bridge to be built and the current bridge are 1.36 m and 2.21 m,respectively.Furthermore,the results also show that the bridge to be built has doubled main span compared to the current bridge,and therefore has stronger ice-passing ability.

ice;discharge at thawing period;ice flow density;physical model test;Baoshen Railway Bridge across Yellow River

TV131.61;TV882.1

:A

:1006-7647(2014)04-0057-05

10.3880/j.issn.1006-7647.2014.04.012

2013-0705 編輯:周紅梅)

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201101008);中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(HKY-JBYW-2014-20)

于守兵(1980—),男,河南襄城人,高級(jí)工程師,博士,主要從事河流動(dòng)力學(xué)與河口海岸等研究。E-mail:yushoubing@163.com