利用現場觀測和力學試驗確定設計冰力學參數

賈 青，李志軍，梁景江，谷 欣，王永明

(1.黑龍江大學水利電力學院，哈爾濱 150086;2.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024;3.哈爾濱市江堤處 ，哈爾濱 150018)

科技成果

利用現場觀測和力學試驗確定設計冰力學參數

賈 青1，李志軍2，梁景江3，谷 欣1，王永明1

(1.黑龍江大學水利電力學院，哈爾濱 150086;2.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024;3.哈爾濱市江堤處 ，哈爾濱 150018)

以斜坡結構物二維冰力計算公式為理論依據，給出平原水庫設計所需要的冰力學參數的合理取值。通過開展水庫冬季冰面現場觀測，得到冰層第二次爬坡發生時的等效應變速率、典型冰溫；結合大量的冰力學性質的試驗研究，給出在護坡工程中最不利條件下，即冰層第二次爬坡時水庫冰彎曲強度、彈性模量及冰與護坡材料間動摩擦系數的設計取值。

平原水庫；冰層；力學參數；試驗研究；設計取值

0 引 言

在寒區平原水庫封凍期，冰層達到一定厚度，如果遇到氣溫突然升高，冰層內部將產生很大的熱膨脹力，就會將水庫護坡推起造成破壞，因此在寒區水庫設計時需要從護坡工程安全方面考慮抗冰能力。在選取設計冰參數時，應該選擇可能出現最不利情況下對應的冰參數值。

通過在水庫冰面變形的現場觀測，水庫冰層每年冬季發生兩次大的爬坡，對結構物造成破壞，而第二次爬坡的破壞性最為嚴重[1]。

圍繞設計冰力學參數的確定，提出本文的研究思路，即：①選取水庫冰每年冬季第二次爬坡發生時段作為冰參數設計的時間點，確定此時對應的冰溫、應變速率；②依據水庫斜坡結構物上的二維冰力計算公式，確定需要提供的冰力學參數有：彎曲強度和彈性模量，冰-護坡材料之間的摩擦系數；③結合現場取樣測試結果，給出爬坡發生時相應冰條件下對應的設計冰力學參數的合理取值[2]。

1 研究基礎

冰物理和力學設計參數是計算寒區水庫護坡冰壓力的關鍵因子，當結構物迎冰面具有傾斜表面時，冰層將發生彎曲破壞，從而大大降低冰荷載值。對于結構物具有傾斜的迎冰面，冰層的破壞型式往往發生彎曲破壞，從而使冰推力顯著地降低。當研究的結構物迎冰面寬度和冰板寬度都足夠大時，受力結構可以簡化為二維問題來研究[3]。

冰作用于結構物的荷載可分為兩種力，一種力是使冰板發生破裂，一種力是使破裂后的冰塊沿斜面上滑。除很陡的結構物表面外，計算彎曲破壞時可以不計水平力的影響，垂直分量決定著冰板的彎曲破壞，那么冰板就可以按照作用于彈性基礎上的梁或板來計算。

使冰板破裂的力，Croasdale根據相互作用關系和庫侖摩擦定律，作用于冰板上的水平分力Fz為：

(1)

式中：σf為彎曲強度；b為梁寬；ρw為水的密度；E為彈性模量；hi為冰層厚度。

使冰塊爬坡的力P為：

(2)

式中：μ為冰與結構物斜面之間的摩擦系數；α為斜面的水平傾角；ρi為冰的密度；Z為冰塊爬坡的最大高度。

作用于結構物上的水平總力為：

(3)

把式(1)、式(2)代入式(3)，并令：

(4)

(5)

則結構物上單位寬度的水平總力為：

(6)

從斜坡結構物上的二維冰力計算模式為依據，在平原水庫護坡極限冰壓力的設計中，需要考慮以下一些抵抗冰荷載作用的設計冰參數。其中：力學參數有彎曲強度和彈性模量以及冰與護坡材料間的動摩擦系數。

2 現場觀測結果及分析

根據現場觀測，2010年水庫冬季第二次爬坡發生在3月18日，因此選取2010年3月13日—2010年3月25日期間的氣溫變化過程線見圖1，圖中所示紅色斜線的斜率即為每日的氣溫升溫速率。同時將2009—20113個春季升溫期間的氣溫升溫速率結果也進行了統計[4]。

通過以上3a的春季升溫期間現場觀測的數據，1h內升溫速率在0.4～2.3℃，從工程安全方面考慮，選取最不利情況1h內最大升溫速率2.3℃，確定相應的等效應變速率。

圖1 升溫階段冰面氣溫過程線

根據現場的微觀變形觀測結果，使用19.9m距離的等效應變速率作為大面積冰面應變速率的代表值，觀測距離為19.9m時冰層升溫速率與等效應變速率的關系曲線如圖2所示，畫出其最大包絡線，對應爬坡時最大升溫率2.3℃/h的等效應變速率6.7×10-8s-1。

從冰力學試驗的結果可知，在韌性區，隨著應變速率的增大，強度也增大。為安全考慮，選擇等效應變速率6.7×10-8s-1做為選擇冰力學參數的依據。

圖2 冰層升溫速率與等效應變速率的關系(圖中圓點位置)

選取2010年3月13日—2010年3月25日期間的近表層冰溫數據見圖3，統計出該時間段內近表層冰溫的平均值為-4.7℃，大約為-5℃，即取設計冰溫為-5℃。

圖3 2010年3月13—25日近表層冰溫的變化過程

3 結合力學試驗結果給出設計冰力學參數

根據對觀測數據的分析及力學試驗結果，確定設計冰力學參數。冰層的彎曲強度在冰表層大，而冰表層主要各向同性的粒狀冰，根據彎曲強度試驗結果，將試驗結果中等效應變速率6.7×10-8s-1，冰溫-5℃對應的粒狀冰的彎曲強度值作為水庫護坡工程設計冰彎曲強度[5]。參考圖4，該設計彎曲強度為655kPa。

圖4 設計彎曲強度取值(圖中圓點位置)

根據彈性模量試驗結果，將試驗數據中等效應變速率6.7×10-8s-1，冰溫-5℃對應的粒狀冰的彈性模量值作為水庫護坡工程設計冰彈性模量。依據圖5，選取的設計彈性模量值為0.5GPa。

圖5設計彈性模量取值(圖中圓點位置)

通過現場觀測，爬坡完成的時間大約30min，按推坡距離2.7m計算，爬坡速度為0.0015m/s，護坡材料為混凝土材料，此時的動摩擦系數設計取值為0.40。

4 結 論

1)通過對3個春季現場升溫速率的數據統計，得出最大升溫速率為2.3℃/h。通過不同距離的冰面變形觀測發現>14m冰面上的裂縫分布能夠具有水庫冰面裂縫分布的代表性，故觀測距離選取19.9m，對應爬坡時最大升溫率2.3℃/h的等效應變速率的上包絡線取值為6.7×10-8s-1。在韌性區，應變速率越大，冰的彎曲強度和彈性模量越大。因此選取等效應變速率大值6.7×10-8s-1做為選擇冰力學參數的依據是合理的。

2)護坡接觸的冰層上部受力較大，通過對冰爬坡時間段內近表層冰溫的統計，確定爬坡發生時間段內近表層冰溫度的設計取值為-5℃。

3)結合冰爬坡時對應的所有冰條件，給出水庫護坡工程設計冰力學參數的取值：彎曲強度取655kPa，彈性模量取0.5GPa，與護坡材料的摩擦系數取0.40。

[1]姜連杰,盧永超,韓紅衛,等.紅旗泡水庫冰層變形及護坡破壞現象成因分析[J].水利水電技術，2011,42(07):85-88.

[2]隋吉學.作用于斜坡結構物上海冰荷載的二維計算[J].海洋環境科學,1996,15(02):70-73.

[3]李云鵬，王芝銀.花崗巖低溫強度參數與冰脹力的關系研究[J].巖石力學與工程學報，2010,29(02)：4113-4118.

[4]沈國輝，徐曉斌，樓文娟，等.導線覆冰脫冰有限元模擬方法的適用性分析[J].工程力學，2011,28(10)：9-15.

[5]賴遠明，吳紫汪，朱元林，等.寒區隧道東張莉的粘彈性解析[J].鐵道學報，1999,21(06)：70-74.

DeterminationofDesignIceMechanicsParametersbyFieldObservationandMechanicalTest

JIANG Qing1；LI Zhi-jun1；LIANG Jing-jiang3；GU Xin1and WANG Yong-ming1

(1.Hydraulic Engineering & Power College of Heilongjiang University，Harbin 150086，China；2.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering of Dalian Institute of Technology，Dalian 116024，China;3.Harbin City Dike Management Office，Harbin 150018，China)

According to the theory of slope structures in two-dimensional formulas for calculation of ice force，the reasonable value of ice mechanics parameter in the design of the plain reservoir is given.Through the observation of winter ice field，the strain rate，the typical ice temperature are obtained when the ice appears second climbing；combining the experimental research on ice mechanical properties of large，ice bending strength，elastic modulus and ice and revetment material friction coefficient between the design value are given at the most adverse conditions in slope protection project when the second climbing.

plain reservoir；ice；mechanical parameters；experimental research；design parameters

1007-7596(2014)10-0001-03

2014-08-04

黑龍江省教育廳科學技術研究項目(12531509)

賈青(1971-)，女，黑龍江哈爾濱人，副教授；李志軍(1960-)，男，河北崇禮人，教授；梁景江(1969-)，男，黑龍江肇東人，高級工程師；谷欣(1971-)，女，黑龍江虎林人，副教授；王永明(1971-)，男，黑龍江牡丹江人，副教授。

TV698.26

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