?？〉?， 張 濱， 孫 瑤 ， 張守杰

(1. 黑龍江省水利科學(xué)研究院， 黑龍江 哈爾濱 150080； 2. 黑龍江省季節(jié)凍土區(qū)工程凍土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 黑龍江 哈爾濱 150078； 3. 哈爾濱工程大學(xué)， 黑龍江 哈爾濱 150001)

相關(guān)資料顯示，黑龍江平均最大冰厚可達(dá)0.92 m，實(shí)測(cè)最大冰厚達(dá)到3.05 m，冰層堅(jiān)固，加之黑龍江沿岸很多地段河床松散，抗沖能力差，每次開江冰排的撞擊和磨蝕對(duì)江岸和護(hù)岸結(jié)構(gòu)都會(huì)造成不同程度的破壞，直接導(dǎo)致河岸坍塌或江岸穩(wěn)定性的削弱，黑龍江作為中俄界河，其河岸退岸就意味著國(guó)土損失。據(jù)調(diào)查，792 km的黑龍江干流大興安嶺段，有24處長(zhǎng)達(dá)36 km的江岸，由于多年冰凌沖撞，坍塌嚴(yán)重，據(jù)實(shí)測(cè)資料估算，每年大興安嶺段因?yàn)楸枳矒舳斐傻膰?guó)土流失達(dá)90多萬(wàn)m3，損失面積達(dá)10.8 萬(wàn)m2，看似微不足道，但日積月累，積微成著，所造成的損失就不可忽視了。

黑河市、呼瑪縣、塔河縣、漠河縣等黑龍江上游縣市的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研表明，這些地區(qū)的護(hù)岸工程飽受冰排破壞之苦，為了抵御冰排破壞，保護(hù)護(hù)岸工程，當(dāng)?shù)厮畡?wù)部門采取了多種措施，其中之一就是在易受冰排撞擊的彎道處修建丁壩，改善局部水流條件的同時(shí)引導(dǎo)冰排撞向丁壩，進(jìn)而保護(hù)彎道中的護(hù)岸，防護(hù)效果很好，但丁壩尺寸和布置方式缺乏科學(xué)的設(shè)計(jì)依據(jù)。調(diào)研相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)關(guān)于應(yīng)用丁壩保護(hù)彎道護(hù)岸工程以及丁壩條件下冰凌流動(dòng)特性的研究未見報(bào)道。文獻(xiàn)[2]中介紹了挪威北部赫斯特佛斯水電站和曼尼托巴水電公司在丘吉爾河調(diào)水工程中應(yīng)用丁壩防冰害的案例，案例中丁壩的防冰原理是壅高上游水位，降低上游水流流速?gòu)亩铀俦w的形成，攔截絮狀冰，消除絮狀冰對(duì)水電站進(jìn)水口堵塞的威脅，與本文的應(yīng)用目的不同；張可[3]通過(guò)水槽試驗(yàn)，結(jié)合理論分析，研究了不同來(lái)流條件和不同結(jié)構(gòu)形式丁壩附近水流水面線、流速、斷面比能和紊動(dòng)特性，詳細(xì)分析了不同壩體結(jié)構(gòu)型式其周圍紊動(dòng)能和紊動(dòng)強(qiáng)度分布的規(guī)律；徐曉東[4]得到Fr，B/b和B/h變化時(shí)的非淹沒(méi)正交雙體丁壩布置間距閾值的變化規(guī)律；Kuhnle等[5]也試驗(yàn)研究丁壩挑角對(duì)局部沖刷規(guī)律的影響；Mashedi等[6]開展了180°彎道上設(shè)置T型丁壩后水流的沖刷堆積特性，Sharma等[7]針對(duì)彎曲河道丁壩后的水流繞流特性進(jìn)行了專門研究。以上文獻(xiàn)研究了順直和彎曲河道上丁壩不同結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)、流速、壩后繞流、泥沙沖淤等的影響規(guī)律，未涉及到水體表面有浮冰或其他漂浮物時(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；王軍[8]介紹了一種利用180°水槽開展冰塞堆積特性的試驗(yàn)研究方法，模型冰由石蠟制作，形狀為圓形；以此180°水槽為研究平臺(tái)，對(duì)多種彎道段的冰塞堆積現(xiàn)象以及臨界弗汝德數(shù)的確定做了研究，并提出了實(shí)驗(yàn)室條件下的彎槽段冰塞體形成與否的臨界Fr數(shù)[9]；汪濤等[10]對(duì)比研究S型彎槽和直槽冰塞形成條件，提出彎槽段冰塞形成的臨界Fr值大于直槽臨界Fr值，彎槽段能形成冰塞的Fr值范圍大于直槽。以上研究，涉及了直河道、180°彎道和S型連續(xù)河道冰塞現(xiàn)象的試驗(yàn)研究，重點(diǎn)關(guān)注的是顆粒冰在冰蓋形成前后的堆積過(guò)程；王軍等[11]對(duì)橋墩影響下的冰塞水位變化進(jìn)行了試驗(yàn)，得到橋墩墩徑對(duì)斷面堵塞和水位變化的影響關(guān)系；劉濤[12]借助水槽試驗(yàn)，研究了橋墩對(duì)冰顆粒堆積演變過(guò)程。橋墩對(duì)冰顆粒堆積的影響與丁壩對(duì)塊冰堆積的影響過(guò)程不同，前者是非連續(xù)性影響，后者則相反。劉炳慧等[13]開展了松花江上丁壩、潛壩、順壩等整治建筑物受冰害破壞機(jī)理的研究，提出了適合松花江不同類型整治建筑物采用不同材料、結(jié)構(gòu)和布置形式的防冰措施，并提出了改進(jìn)方法，該研究重點(diǎn)是如何保護(hù)丁壩在冰排撞擊下不被破壞，與本文通過(guò)丁壩保護(hù)河岸的研究目的不同。以上研究工作多集中在丁壩和丁壩群作為治河建筑物的水流特性以及如何提高丁壩自身防冰性能上，本文則將彎道、丁壩、塊狀冰排等要素綜合考慮，針對(duì)河道中90°彎道水流條件，開展了丁壩的布置形式對(duì)于冰排演進(jìn)影響的試驗(yàn)研究，相關(guān)成果可為工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)描述

1.1 模型制作

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ推矫鍲ig.1 Plan of test model

本試驗(yàn)在黑龍江省水利科學(xué)研究院水工試驗(yàn)大廳進(jìn)行。利用某水庫(kù)溢洪道水工模型的供水系統(tǒng)、量水系統(tǒng)、庫(kù)區(qū)空間、泄水和回水系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)的主體結(jié)構(gòu)為一個(gè)90°彎道水槽，斷面為矩形，水槽寬110 cm，高30 cm，彎道外弧半徑R為160 cm，兩側(cè)與底面均由磚砌筑，水泥砂漿抹面，表面平整，丁壩采用不透水的復(fù)合木板，在砌筑彎道水槽兩側(cè)時(shí)，預(yù)先在磚墻內(nèi)埋置木方，以便丁壩在不同位置處能夠安置。丁壩采用金屬直角連接件和螺絲固定于彎道水槽兩側(cè)的木方上，丁壩木板與側(cè)墻和底板之間用橡皮泥填縫，保證接觸邊界不透水，試驗(yàn)中為了使水流條件更穩(wěn)定，在入口處放置穩(wěn)水柵，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿踩鐖D1所示。

根據(jù)模型相似理論要保證模型冰與原狀冰運(yùn)動(dòng)相似需滿足模型冰的密度與真冰密度相同的條件，天然河冰的密度通常為ρ=0.917 g/cm3，本次采用密度為0.90 g/cm3，厚度為1 cm的密度板模擬模型冰，將密度板切割為形狀不一的塊體，邊長(zhǎng)為4～8 cm不等，表面用自噴漆染成白色，為防止密度板吸水膨脹，在密度板的切口涂薄層玻璃膠作防水處理，為保證模型冰密度相似，各工況結(jié)束后稱量模型冰的質(zhì)量，當(dāng)模型冰密度超過(guò)0.95 g/cm3時(shí)，重新制作新批次的模型冰，試驗(yàn)中共更換使用了3批次模型冰。

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本試驗(yàn)對(duì)各種工況進(jìn)行流場(chǎng)的測(cè)定與不同時(shí)刻下冰塊運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)，采用黑龍江省水利科學(xué)研究院開發(fā)的《冰排流場(chǎng)測(cè)量與分析系統(tǒng)》。冰排流場(chǎng)測(cè)量與分析系統(tǒng)是基于粒子圖像測(cè)速技術(shù)(PIV)中的粒子跟蹤測(cè)速技術(shù)(PTV)研制開發(fā)的大范圍同步測(cè)速系統(tǒng)，是專門為冰運(yùn)動(dòng)學(xué)發(fā)展研究開發(fā)的適用性良好的系統(tǒng)，它可以分辯冰塊的幾何形狀，連續(xù)采集和記錄冰塊在水體中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，用于水工、河工模型冰排流場(chǎng)的測(cè)量與分析，包括流速、幾何參數(shù)、運(yùn)動(dòng)軌跡和破碎跟蹤等參數(shù)的自動(dòng)量測(cè)。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)步驟如下：①打開供水閥門，調(diào)整供水流量，控制試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的水位為0.18 m，水流速度為0.2 m/s；②將模型冰均勻地排布在橫跨水槽的木板上，排布區(qū)域用105 cm×60 cm(長(zhǎng)×寬)的木質(zhì)框架圍擋，排好后去掉圍擋；③待水流穩(wěn)定后，開啟采集系統(tǒng)，然后用推板勻速推動(dòng)排布在木板上的模型冰塊入水，保證每次推完模型冰的用時(shí)為5 s；④待全部模型冰流出試驗(yàn)區(qū)或采集時(shí)間達(dá)到150 s，停止采集，保存數(shù)據(jù)；⑤回收模型冰，重復(fù)步驟②～④，每種工況試驗(yàn)次數(shù)為10次。

1.4 試驗(yàn)工況

本次共設(shè)計(jì)了6種試驗(yàn)工況，各工況的試驗(yàn)特征見表1。

表1 試驗(yàn)工況Tab.1 Test conditions

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 工況1結(jié)果分析

圖2 工況1冰排分時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)Fig.2 Time-sharing motion state chart of ice floes under working condition 1

圖3 工況2冰排分時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)Fig.3 Time-sharing motion state chart of ice floes under working condition 2

工況1下，彎道流線與彎道幾何形狀一致，如果不考慮風(fēng)等因素影響，在進(jìn)入彎道前冰塊運(yùn)動(dòng)軌跡與流線一致，圖2(a)所示水流中線靠近凸岸流速要比凹岸側(cè)快，導(dǎo)致該位置冰塊運(yùn)動(dòng)較快，進(jìn)入彎道后該側(cè)冰塊由于慣性作用，冰塊運(yùn)動(dòng)軌跡脫離流線與下游直線段發(fā)生碰撞而后貼著河岸向下游運(yùn)動(dòng)；而水槽中線靠近凹岸一側(cè)的冰塊則會(huì)與凹岸一側(cè)的彎道發(fā)生碰撞并沿凹岸邊界隨水流運(yùn)動(dòng)對(duì)凹岸造成磨蝕，在沒(méi)有丁壩存在的情況下，彎道凹岸從彎道起始位置開始一直到彎道結(jié)束進(jìn)入直線段后約1.5R范圍內(nèi)都會(huì)受到冰排的撞擊和較強(qiáng)烈的磨蝕作用。

2.2 工況2結(jié)果分析

工況2丁壩布置的目的是減弱上游冰排對(duì)凹岸彎道的碰撞破壞。由圖3可以看出，在彎道首部布置單一丁壩，可以有效防止丁壩后彎道受到上游冰排的直接破壞，其中90%的冰排都會(huì)與保護(hù)區(qū)外的下游直道發(fā)生碰撞，撞擊位置較為集中，且碰撞連續(xù)，大概率撞擊位置為彎道末端后0.2R。這是因?yàn)樗壑胁贾枚问怂鳎沟枚螖嗝媪魉偌哟?，冰排的?dòng)能增大同時(shí)冰排運(yùn)動(dòng)的方向也趨向一致，導(dǎo)致冰排對(duì)下游護(hù)岸碰撞點(diǎn)較為集中。此工況下，彎道護(hù)岸得到保護(hù)，但由于斷面束窄后冰排動(dòng)能增大，集中撞擊的位置承受了更大的撞擊力，加重了該處的撞擊破壞程度。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，有極少(約1%～2%)的冰排會(huì)進(jìn)入丁壩后側(cè)的回流區(qū)內(nèi)，沿凹岸彎道向上游運(yùn)動(dòng)，這部分冰排對(duì)沿岸造成輕微的磨損。

2.3 工況3結(jié)果分析

圖4 工況3冰排分時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)Fig.4 Time-sharing motion state chart of ice floesunder working condition 3

工況3丁壩布置形式是基于對(duì)工況2冰排與護(hù)岸碰撞位置較為集中現(xiàn)象的優(yōu)化考慮，冰排分時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖4所示。試驗(yàn)中觀察到：此工況下丁壩上游的回水區(qū)較工況2增加了1倍以上，冰排在靠近丁壩時(shí)速度明顯變小，只是在后續(xù)冰排的推動(dòng)下慢慢堆積在丁壩前，此工況下丁壩前堆積的冰排是工況2的3倍以上，該工況下堆積在丁壩前的冰排起到了保護(hù)凹岸彎道的作用同時(shí)對(duì)丁壩的撞擊破壞程度更??；由于彎道處的水槽有效斷面寬度相較于直道段有效斷面寬度更大，丁壩束窄水流的作用會(huì)減弱工況2，上游冰排對(duì)下游凹岸直道的碰撞區(qū)域較工況2要更加分散，大概率撞擊區(qū)域?yàn)閺澋滥┒撕?.8R～1.5R；丁壩位置向下游的移動(dòng)縮小了丁壩后回流區(qū)的范圍，隨即減小了回流區(qū)范圍內(nèi)冰排對(duì)凹岸彎道的沖刷磨損。因此，該丁壩布置形式可以起到保護(hù)凹岸彎道受到直接碰撞、減弱其受到的沖刷磨損以及減輕下游凹岸直道段集中破壞的作用。

圖5 工況4冰排分時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)Fig.5 Time-sharing motion state chart of ice floes under working condition 4

2.4 工況4結(jié)果分析

工況4將單一丁壩布置在彎道60°的位置，繼續(xù)觀察冰排運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，試驗(yàn)現(xiàn)象如圖5所示。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：由于丁壩的布置向下游移動(dòng)，丁壩前回水的范圍小于工況3的情況，水槽中線靠近凹岸一側(cè)冰排大部分會(huì)撞擊丁壩，然后隨壩頭水流向下游運(yùn)動(dòng)，極少部分冰排與凹岸下游直線段發(fā)生碰撞，撞擊位置與工況3基本相同，小部分冰排被滯留在丁壩前，彎道首部起至0.3R范圍內(nèi)的彎道受到了冰排的直接撞擊，但撞擊力度較輕；水槽中線靠近凸岸一側(cè)的冰排則直接向下游運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)軌跡位于水槽中線附近，沒(méi)有與護(hù)岸發(fā)生碰撞；該布置形式將直接碰撞下游護(hù)岸的冰排數(shù)量減少了90%左右。

圖6 工況5冰排分時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)Fig.6 Time-sharing motion state chart of ice floes under working condition 5

圖7 工況6冰排分時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)Fig.7 Time-sharing motion state chart of ice floes under working condition 6

2.5 工況5結(jié)果分析

工況5采用在彎道首部、尾部各布置1個(gè)正挑丁壩的雙丁壩布置形式，冰排分時(shí)運(yùn)動(dòng)如圖6所示。試驗(yàn)中觀察到：彎道首部的丁壩可以有效阻擋上游冰排對(duì)凹岸彎道的直接碰撞，現(xiàn)象與工況2相近，而彎道尾部處的丁壩十分明顯地改變了工況2冰排集中碰撞彎道下游直道的現(xiàn)象，使得冰排的運(yùn)動(dòng)角度更趨于與水槽方向平行，極少部分冰排與下游直道區(qū)發(fā)生了接觸，但是撞擊程度明顯減輕；兩丁壩之間會(huì)形成一個(gè)較大的逆時(shí)針回流區(qū)，水槽中線靠近凹岸一側(cè)的冰排(總冰量的50%左右)都會(huì)與彎道尾部處的丁壩發(fā)生碰撞并進(jìn)入回流區(qū)，20%左右的冰排在回流區(qū)滯留一段時(shí)間后會(huì)流出回流區(qū)；但由于丁壩長(zhǎng)度較大，丁壩處的過(guò)水?dāng)嗝婕s減小至之前的60%，大范圍的束窄斷面，如遇到河道深度較淺或特殊地形時(shí)，易造成過(guò)水?dāng)嗝娌蛔悖龃罅税l(fā)生冰塞的風(fēng)險(xiǎn)。

2.6 工況6結(jié)果分析

工況6為雙丁壩布置，將原來(lái)40 cm的丁壩長(zhǎng)度減小至20 cm，冰排分時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖7所示。試驗(yàn)中觀察到：冰排整體的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象與工況5相似；靠近凹岸一側(cè)約占水槽寬度1/5范圍內(nèi)的冰排會(huì)被彎道首部的丁壩阻擋，向下游運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)進(jìn)入兩丁壩之間的回流區(qū)內(nèi)，相比較工況5的情況，會(huì)有更多的冰排運(yùn)動(dòng)至下游；運(yùn)動(dòng)至下游的冰排大部分會(huì)與凹岸下游直道發(fā)生碰撞，碰撞強(qiáng)度明顯大于工況5，可見，丁壩長(zhǎng)度的縮短，降低了雙丁壩布置形式防止冰排撞擊凹岸下游直道段的能力，但由于丁壩長(zhǎng)度減小，對(duì)水流的束窄作用明顯減輕，冰塞的風(fēng)險(xiǎn)大大降低。

2.7 結(jié)合多工況的綜合分析

(1)丁壩數(shù)量的影響。 從冰排的運(yùn)動(dòng)形態(tài)來(lái)看，雙丁壩的防護(hù)效果要優(yōu)于單丁壩，即丁壩數(shù)量越多，防冰效果越好，這是因?yàn)椋弘p丁壩可以看成是兩個(gè)單丁壩的疊加，防冰排效果要大于單丁壩的效果，以此類推每增加1個(gè)丁壩都會(huì)加大效果。就雙丁壩而言，首、尾端布置方式只是一種選擇，并不一定為最佳，河道的彎曲程度、丁壩數(shù)量、首丁壩的布置位置和丁壩的間距以及丁壩長(zhǎng)度等是影響雙丁壩甚至丁壩群防冰效果的主要影響指標(biāo)，選用怎樣的雙丁壩布置形式需要針對(duì)不同的實(shí)際工程開展更細(xì)致的試驗(yàn)研究。

(2)丁壩位置的影響。對(duì)于單丁壩布置形式，彎道60°位置上布置正挑丁壩，既減弱了上游冰排對(duì)凹岸彎道的直接撞擊，又幾乎阻礙了全部向下游運(yùn)動(dòng)的冰排對(duì)直道的碰撞，該布置方式更加合理。可以推測(cè)，彎道60°一定不是唯一最優(yōu)的，因?yàn)橹灰嬖诙?，就一定?huì)產(chǎn)生影響，這就產(chǎn)生了一個(gè)最小值，在河道曲率的影響下，丁壩影響區(qū)形態(tài)、范圍會(huì)發(fā)生變化，但其最大影響范圍不會(huì)超出直道時(shí)的影響區(qū)域，這就產(chǎn)生了一個(gè)最大值，最小值和最大值決定了丁壩最優(yōu)布置位置應(yīng)該會(huì)存在一個(gè)區(qū)間，彎道60°只是區(qū)間中一個(gè)較佳的位置，如果不具備大量試驗(yàn)的條件，可以選擇彎道60°位置布置丁壩。

(3)丁壩長(zhǎng)度的影響。 丁壩長(zhǎng)度的影響是顯而易見的，丁壩越長(zhǎng)，壩前、后的影響區(qū)就越長(zhǎng)，保護(hù)前、后岸坡的功能就越強(qiáng)，但丁壩越長(zhǎng)束窄河道的程度越高，發(fā)生冰塞的概率越高，冰塞和冰排撞岸是河道冰害的不同類型，相比之下冰塞一旦發(fā)生破壞力驚人，因此丁壩長(zhǎng)度的確定要綜合考慮冰塞的影響，冰排形態(tài)、斷面形態(tài)和水文條件等都是影響冰塞的因素，本次試驗(yàn)采用平河底、高水位、小冰塊，同時(shí)河道束窄系數(shù)較小，沒(méi)有觀測(cè)到冰塞現(xiàn)象，丁壩長(zhǎng)度對(duì)冰塞的影響規(guī)律需要開展更多針對(duì)性的試驗(yàn)。

3 結(jié) 語(yǔ)

在彎道凹岸布置冰壩可以起到削弱冰排撞擊河岸的效果，特別是彎曲河道段，在流冰密度相同的情況下，丁壩數(shù)量、布置位置、丁壩長(zhǎng)度是影響丁壩防冰排撞擊效果的主要因素，一般規(guī)律是長(zhǎng)丁壩要優(yōu)于短丁壩，雙丁壩優(yōu)于單丁壩，而布置位置應(yīng)存在一個(gè)最優(yōu)的區(qū)間。

就試驗(yàn)中采用的單丁壩布置形式來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)丁壩要優(yōu)于短丁壩，彎道60°處的布置位置要好于彎道30°和彎道首部，彎道60°處的布置位置是最優(yōu)布置區(qū)間的一種較優(yōu)方案。對(duì)于彎道首部、尾部各布置一個(gè)正挑丁壩的雙丁壩布置形式，丁壩長(zhǎng)度占水槽寬度的1/3左右時(shí)效果更好，如果在下游直道段加設(shè)1～2個(gè)丁壩，可以鞏固和強(qiáng)化防護(hù)效果。丁壩越長(zhǎng)束窄河道的程度越高，形成冰塞的風(fēng)險(xiǎn)越高，工程應(yīng)用時(shí)，應(yīng)開展針對(duì)實(shí)際工程的模型試驗(yàn)研究，在確定的河道條件、水文條件、冰情條件下，優(yōu)化丁壩數(shù)量、布置位置和丁壩長(zhǎng)度，以達(dá)到冰塞風(fēng)險(xiǎn)和防冰效果的平衡。

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