彎槽段冰塞形成臨界條件的試驗研究

汪濤++陳胖胖++李淑祎++王軍

摘要：冬季北方河流經常出現冰塞現象，而彎道處易于卡封是普遍認識，但對其形成機理的認識尚有待探索。借助于實驗室的試驗水槽，通過改變水流條件和冰流量條件，研究了S型彎槽和直槽冰塞形成條件，并進行對比分析，試驗表明：彎槽段冰塞形成的臨界Fr值大于直槽臨界Fr值，即在相同水深的條件下，更大的流速時彎槽段也能形成冰塞；彎槽段能形成冰塞的Fr值范圍大于直槽，故彎槽段更易形成冰塞；平衡冰塞厚度大致隨著初始流速的增大而減小，隨著初始水深的增大而增大，隨著冰流量的增加而增加。

關鍵詞：冰塞；佛汝德數；臨界值；平衡冰塞厚度；試驗研究

中圖分類號：TV131 1文獻標志碼：A文章編號：16721683（2016）06008704

Experimental study of critical condition of ice jam formation in a curved channel

WANG Tao，CHEN Pangpang，LI Shuyi，WANG Jun

（School of Civil Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

Abstract： Ice jam is a common phenomenon for rives in cold regions.Lodgment and gorging can easily occur especially in curved channels.The formation of ice jam and its thickness distribution in curved channels were not fully understood.By changing the flow conditions and ice discharge in a flume in the laboratory，the condition of ice jam forming in a curved channel and straight flute was studied and comparatively analyzed.The experiment results showed that the threshold Fr number of ice jam forming for curved channel was larger than that for straight flute，that is to say under the condition of the same water depth，the bigger velocity of curved channel could also form ice jam.The Fr number of ice jam formation in a curved channel ranged larger than that in straight flute.The curved channel was more likely to form ice jam.Balance of ice jam thickness decreased with the increase of initial velocity，roughly increased as the initial water depth increased，and increased with the increase of the ice flow rule.

Key words：ice jam；Froude number；threshold；balance thickness；experimental study

高緯度地區河流在冬季常形成冰塞。冰塞的出現會增加過水斷面濕周，減小冰蓋下過流能力，使河道中水位急劇壅高，極易引發凌洪災害[14]。因此，研究冰塞形成的臨界條件對預防凌洪災害具有重要的意義和實用價值[57]。

關于冰塞的形成演變，國內外學者進行了大量的試驗研究。王軍等[8]在實驗室條件下，利用直槽開展了冰塞問題的相關研究，揭示了水位變化以及冰塞厚度變化的一般規律。Beltaos[911]基于彎槽試驗，指出彎道水流不利于輸冰，從而使天然河道中的彎道處常成為初始冰塞形成的[HJ1.9mm]地點或卡封場所。Healy和Hicks[1213]基于模型試驗在動態流速條件下，對由于流量突增對冰塞形成和演變的影響進行了研究，通過試驗發現，冰塞厚度在高動態流動情況下比穩定流動條件下要略薄一點。Urroz[1415]利用一個具有13個連續彎道的水槽得出初始冰塞形成的兩種主要方式以及冰水流量比與Fr的關系，利用180°的楔形斷面試驗水槽研究了彎道冰塞冰厚分布規律和提出了彎道螺旋流；隋覺義[16]等對水內冰冰塞的演變過程進行了較為全面的研究，并與黃河河曲段的原型觀測進行比較，得出彎曲河道橫斷面冰厚分布不僅受水力條件影響，如Fr，還與河道彎曲段中心線曲率有關；王軍等[1718]分別對“S”型和“U”型彎槽開展了較為全面的冰塞演變試驗研究，提出了彎槽段的冰塞堆積順序和臨界佛汝德數。隋覺義等[19]將黃河河曲段的冰情資料與實驗室模擬冰塞運動進行對比分析，研究結果表明：實驗室模擬冰塞的演變規律與天然冰塞的演變規律相似。因此，對“S”型彎道冰塞形成的試驗研究，是研究冰塞問題的重要途徑。借助于實驗室直槽和“S”型彎槽，對冰塞形成進行試驗研究，得到“S”型彎槽冰塞形成臨界佛汝德數，以及該條件下冰塞形成后平衡冰塞厚度與佛汝德數、冰流量之間的關系。

1試驗條件

試驗是在合肥工業大學冰凌研究室的“S”型彎槽上進行的，其平面布置圖見圖1，“S”型水槽長2517 m，寬為60 cm，自上游至下游共設有27個斷面。“S”型彎槽每個斷面的槽底預設三個測壓孔，將各斷面的測壓管引至附近槽壁的側壓板測度。“S”型水槽上游1至2斷面處設有自動加冰裝置。試驗采用35 mm均勻一致扁形聚乙烯塑料顆粒作為模型冰材料，其密度為0918 g/cm3，接近天然冰的密度0917 g/cm3。斷面冰厚通過毫米尺量取。試驗時，在S型水槽下游25至26斷面中放置長為04 m的模型冰蓋，在直槽下游20至21斷面中放置長為1 m的模型冰蓋，材料為輕質聚苯乙烯泡沫板，以模擬初封條件。通過改變堰口進水流量Q和水槽尾門高低，調節試驗水深H和流速V；通過調節加冰器開口大小來控制冰流量Qi。

2臨界佛汝德數

2.1直槽試驗中冰塞形成的臨界佛汝德數

將劉濤等[20]所得出的直槽試驗數據進行處理，按冰塞能否形成對試驗條件進行分類統計，結果見圖2，圖中以初始水流佛汝德數Fr為橫坐標，以冰水流量比Qi/Q為縱坐標。由圖2可以看出，在試驗冰水流量比條件下，當Fr≤014時，只要冰流量條件滿足一定條件，在水槽中即可形成冰塞。當Fr>014時，冰粒全部下潛往下游輸移，即使增大冰流量條件，也不能形成冰塞。

[BT（3]2.2[ZK（][JP+2]“S”型水槽試驗中冰塞形成的臨界佛汝德數[ZK）][BT）]

在“S”型彎槽上共進行了30次試驗，其中7次不能形成冰塞。

同上述方法分類統計，結果見圖3，可以看出，在試驗冰水流量比條件下，當Fr≤0145時，只要冰流量條件滿足一定條件，在水槽中即可形成冰塞。

當Fr>0145時，冰粒全部下潛往下游輸移，即使增大冰流量條件，也不能形成冰塞。

在“S”型水槽上進行的試驗研究表明，當Fr≤0145時，彎槽段可以形成冰塞；在直槽上進行的試驗研究表明，當Fr≤014，直槽段可以形成冰塞。將“S”型彎槽與直槽試驗進行對比發現，“S”型彎槽臨界值大于直槽的臨界值。因為Fr=[SX（]V[][KF（]gH[KF）][SX）]，當水深H相同時，彎槽段流速V比直槽大時，彎槽段也能形成冰塞，這亦證實了彎道更易形成冰塞。王軍等[17]利用180°彎槽進行試驗研究，研究結果表明Fr≤015，彎槽段可以形成冰塞。“S”型彎槽與180°彎槽冰塞形成的臨界值基本一致。

在天然河流中，冰塞形成的臨界佛汝德數在009左右，試驗中所得臨界佛汝德數比天然情況大，這是由于實驗室模擬條件與天然河道之間存在一定的差異。試驗中采用的模型冰的材料性質與真冰的材料性質存在差異，塑料類的模型冰大多屬于非浸濕型材料，具有較大的摩擦系數，對于冰塞形成及冰塞發展的試驗研究或多或少的會產生影響；熱力學因素是影響冰塞形成的重要因素之一，[JP2]而在模型試驗中對這一因素很難控制，由于試驗周期較長，溫度的變化對試驗結果可能也會產生一定的影響；此外，河流邊界條件不同也會對試驗結果產生影響。雖然試驗條件與天然情況存在差異，但這種差異不影響利用實驗室水槽研究冰塞形成和發展機理的一般定性規律，王軍等對比了真冰和模擬冰之間的試驗結果，發現兩者的水力學定性變化規律是相似的；試驗表明彎道更易形成冰塞的規律也與天然情況一致。

3彎槽段平衡冰塞厚度

3.1“S”型彎槽平衡冰塞厚度分布

試驗中發現，彎槽上冰塞堆積形態與直槽相比，也有著顯著的不同。從平衡冰塞厚度分布來看，以中彎為例，在中彎的彎10斷面上，仍然保持和上游直線段一致的均厚分布.自彎11斷面開始，凸岸的冰厚稍有增加，凹岸稍有減少；而在彎12至彎15的4[JP2]個斷面上，冰顆粒幾乎集中堆積在凸岸一側，凹岸一側僅有少量冰顆粒堆積。尤其是在流速較小、冰流量較大的情況下，凸岸一側冰顆粒的堆積可直達槽底。這時，過水斷面不在冰塞之下，而被擠向凹岸一側。中彎各斷面平衡冰塞厚度見圖4和圖5（兩圖[JP3]水力條件為Qi=151 L/s，h=0.18 m，v=0.14 m/s）。相比之下，直槽兩側冰塞厚度分布比較均勻。

[BT（3]3.2[ZK（][JP+1]平衡冰塞厚度與水深和流速以及冰流量之間的關系[ZK）][BT）]

試驗中發現，當“S”型彎槽初始冰塞形成后，冰塞厚度進入后期的增厚過程，隨著時間的增加，冰塞厚度的增加幅度越來越小，增加的速度越來越慢，直至最終上下游各個斷面冰厚不再隨時間增加而增加，冰塞厚度的發展演變則進入了平衡狀態，即進入平衡冰塞階段，此時各斷面的來冰量等于輸冰量，水位及水面比降也處于相對平衡狀態，冰塞體發展到最大，冰塞下的輸冰能力達到最大。

[JP2]通過改變水流條件和冰流量條件，研究“S”型彎槽平衡冰塞厚度與水深和流速以及冰流量之間的關系。

圖6為t/h與Fr的變量關系，其中t是平衡冰塞厚度，h是冰塞下的平均水深，Fr是初始水流佛汝德數。由圖6可知，在冰流量不變的條件下，t/h值隨Fr的增加而減小。 Fr增加使冰塞下水流具有的輸冰能力增加，由冰蓋前緣下潛到冰塞下的冰顆粒較難在冰塞下停留，而被水流輸運至下游。因此，當水流Fr增大時，平衡冰塞厚度則相應減小，該圖表也表明了當h增加時，t亦增加。

圖7是t/h與Qi/Q的關系，其中Qi是冰流量，Q是水流量，該圖表明當Qi/Q增加時，平衡冰塞厚度亦增加，Qi/Q增加意味著水中的含冰量增大，因此所需的水流輸冰量增大，從水流與冰顆粒相互作用調節的過程中，通過增加冰塞厚度t減小冰塞下水深h從而使水流的輸冰能力增大。

4結論

通過對“S”型彎槽和直槽的冰塞堆積和形成的試驗研究，發現的一些規律和現象可概括如下幾點。

（1） 彎槽段冰塞形成的臨界Fr值大于直槽臨界Fr值，即在相同水深的條件下，較大的流速時彎槽段也能形成冰塞，故彎槽段更易形成冰塞。

（2）彎槽上冰塞堆積形態與直槽相比，也有著顯著的不同。彎槽冰厚整體呈凸岸厚，凹岸薄分布。

（3）平衡冰塞厚度大致隨著初始流速的增大而減小，隨著初始水深的增大而增大，隨著冰流量的增加而增加。[HJ1.3mm]

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