流冰對引水隧洞撞擊破壞力學特性數值分析與驗證

貢 力，李雅嫻，靳春玲

?

流冰對引水隧洞撞擊破壞力學特性數值分析與驗證

貢 力，李雅嫻，靳春玲

（蘭州交通大學土木工程學院，蘭州 730070）

寒旱地區冬季寒冷，晝夜溫差大，長距離輸水工程在解凍期易形成流冰，不同尺寸的流冰對隧洞形成不同的擠壓力或撞擊力，甚至導致襯砌破損，工程失效。該文通過深入研究流冰與引水隧洞碰撞時的相互作用問題，并利用有限元接觸-碰撞算法的對稱罰函數算法，進行了流冰撞擊引水隧洞襯砌的接觸-碰撞算法的理論分析。應用ANSYS/LS-DYNA軟件，建立隧洞模型和流冰模型，選用LS-DYNA SOLVER求解器進行求解，分析流冰對隧洞的破壞程度；并通過物理模型試驗采用幾何比尺為C為28進行驗證，揭示流冰對引水隧洞的撞擊破壞機理。結果表明：流冰在不同流速、不同平面尺寸、不同厚度等工況下，流冰與隧洞襯砌碰撞時，隧洞襯砌表面會產生不同程度的變形和破壞；隨著流速增大，撞擊應力值也相應增大，兩者呈線性關系；當流冰平面尺寸變化時，其撞擊應力隨著流冰平面尺寸的增大而增大，兩者呈非線性關系；當流冰厚度增加時，流冰厚度小于0.5 m時，撞擊力隨著流冰厚度的增大而增大；其厚度超過0.5 m時，撞擊應力值變化不大，其流冰平面尺寸和最大應力呈現近似線性關系。同時，通過軟件模擬和試驗觀測得出的計算結果基本一致，流冰與隧洞襯砌碰撞時，隧洞襯砌表面會產生不同程度變形，變形對隧洞穩定性影響不大。但是，流冰沖刷會導致隧洞襯砌表面破碎，長期會影響結構的強度與穩定性。其結果可為寒旱地區冬季輸水工程安全提供理論支撐和技術保障。

力學特性；數值模擬；模型；冰工程；引水隧洞；撞擊力

0 引 言

中國西北地區位于高寒、干寒地帶，冬季氣溫低，冰期長，為了緩解西部地區嚴重缺水的現狀，中國先后在西部地區投資建設了引大入秦工程、引洮工程等大批引調水工程，用于農田灌溉、人畜飲水，目前籌建的南水北調西線項目更是投資空前[1]。然而如此規模龐大的投資建設，建成的項目卻因遭受寒旱氣候的影響，產生了諸如引水隧洞凍融破壞、引水隧洞地質缺陷滲漏等一系列問題，對結構安全性與供水效率產生嚴重影響。尤其是高寒地區冬季寒冷，晝夜溫差大，在氣溫降低到0 ℃以下后，水流內首先會出現水內冰，水內冰經過發展逐漸形成冰花，繼而堆積形成冰蓋，至第二年解凍期，由于高寒地區溫差大，冰蓋融化過程中，易形成武開河或半文半武開河，產生的流冰，對引水隧洞造成不同的擠壓力或撞擊力，導致襯砌破損，直至工程失效，達不到規劃建設的預期目標，進而造成受水區的供水分配壓力，影響春季引水灌溉和春耕生產。因此，流冰對引水隧洞的破壞機理研究迫在眉睫。

國內外學者對冰期的冰情演變進行了研究，國內1921年在黃河下游對冰凌進行了首次科學觀測[2]；Gilberto等[3]進行了彎道冰塞堆積的水槽試驗，對冰塞堆積現象的一些特性開展了研究；茅澤育等[4-6]建立了基于河流動力學和熱力學原理的冰水力學數學模型的基本流動路線圖和相應程序；肖建民等[7]開展了冰蓋的形成與消融原理方面的研究；王軍等[8]通過冰塞堆積試驗，使得冰塞的形成機理和規律方面的研究向前推進了一步；徐國賓等[9]在天津大學低溫冰工程實驗室進行了冰力學模型試驗，探索了冰的膨脹力、冰蓋穩定性和流冰對橋墩等水工建筑物的撞擊力等冰力學問題；貢力等[10]對西部地區引水工程病害特點進行了研究和分析。綜上所述，國內外的研究者對河流冰情演變規律研究較多，經歷了從早期的原型觀測、試驗研究到現在廣泛應用的數值模擬幾個階段，但國內外專門針對流冰對寒旱地區長距離輸水工程中引水隧洞的影響研究較少。

為了研究寒旱地區長距離輸水工程中解凍期流冰對引水隧洞的影響，本文采用理論分析、數值模擬和試驗研究的方法，開展流冰對引水隧洞的襯砌撞擊影響力的研究。運用ANSYS LS-DYNA建立流冰與引水隧洞之間發生碰撞的有限元模型，搭建流冰撞擊引水隧洞試驗單邊坡試驗裝置，模擬隧洞中流冰與引水隧洞碰撞的全演變過程，發現流冰在不同工況下對引水隧洞的撞擊力影響規律，為寒旱地區冬季輸水工程安全提供理論支撐和技術保障。

1 流冰對引水隧洞撞擊的數值模擬理論基礎

一般描述各種非線性物質運動和變形以及碰撞等問題的控制方程有Lagrange法、Euler法兩類。本文研究的接觸-碰撞問題一般釆用Lagrange描述法。Lagrange法質點隨著物體運動的過程中，其質量保持不變。流冰撞擊隧洞邊壁的過程中，質點在整個運動系統中必須保持能量守恒方程、質量守恒方程、動量守恒方程[11-14]。

1.1 質量守恒方程

式中0(, 0)為模型=0時刻的初始模型中的介質密度（kg/m3）；(,)為模型在時刻的構形介質密度（kg/m3）；(,)為模型的Jacobin行列式。

式中e為排列張量，X為物質坐標，x為空間坐標。

1.2 動量守恒方程

式中v(,)為質點在時刻坐標為的瞬時速度（m/s）。

1.3 能量守恒方程

式中v為質點在方向的瞬時速度，m/s；v為質點在方向的瞬時速度，m/s。

1.4 邊界條件

隧洞模型現時構型的面力邊界條件為：=n，其中為面元上的應力矢量，為現時構型有向面元，為現時構型的現時構型的應力張量。計算要求流冰與隧洞之間的整個運動過程當中，在求解范圍內全部滿足動量守恒方程式，但在實際工程問題中幾乎不可能直接求解出結果。而數值計算方法可以從微分方程的弱形式角度考慮，只需在內積條件下得到基本動量方程，進而對模型的虛功率方程式進行推導，再經過有限元離散化后，得到模型的節點位移方程。通過加權余量法，選取虛速度作為加權系數，則動量方程的弱形式見式（7）。

式中v()為虛速度，其值根據下式（8）進行求解。

式中0，0分別為0時刻的向量和阻尼矩陣，A為模型的邊界面，運用分部積分原理，接觸面力的平衡式如式（9）所示。

那么，模型中任意質點的速度、加速度、虛速度及變形率可以寫成方程組

把方程組（10）中的各方程寫成矩陣形式，然后代入虛功率公式（9）中。整理后可得

求解式（14），便可得出當下時刻的質點位移，進一步解得該時刻的結構應變與應力。

2 流冰對隧洞撞擊模型的建立

2.1 工程實例

盤道嶺3號隧洞全長15.723 km，縱坡1/1 000，設計流量為29 m3/s，最大流量為34 m3/s。該隧道為無壓引水隧洞，洞身為混合式襯砌型式，一次襯砌為錨桿、噴射混凝土、鋼筋網片和鋼拱架，二次襯砌為現澆混凝土和鋼筋混凝土，圓拱直墻、底板為反拱的斷面，凈寬4.2 m，凈高4.4 m，頂為半圓，半徑為2.1 m，反拱底板半徑9.75 m，側墻與反拱交接處加設貼角，貼角高0.404 m，水平寬0.337 m。隧洞前期支護隧洞斷面圖及模型圖如圖1所示。

注：C20為抗凍強度，F150為抗滲強度。

2.2 模型建立

ANSYS LS-DYNA具有ALE和Euler算法、熱分析和流體-固體耦合分析功能、靜力分析功能和隱式分析功能等，可以快速地求解平面或空間內高速碰撞、爆炸等動態非線性問題。采用ANSYS/LS-DYNA模擬流冰對隧洞的撞擊。因此，流冰位于水面之上，所以在ANSYS/LS-DYNA軟件模擬模型的荷載時，應忽略豎向荷載，如重力、浮力等，只考慮風、水流拖曳力等水平方向的荷載[15-16]。水平荷載主要通過流冰的初速度表達，體積不等、厚度不一的流冰分別以不同的速度作用于隧洞內壁時，各種不同工況下的撞擊力也是不同的，通過建模來模擬計算流冰對隧洞的撞擊力。

本文選取單面自動接觸（automatic single surface contact, ASSC）接觸類型。假設初速度，定義接觸、邊界條件后進行輸出控制，利用動力學分析命令流文件（ANSYS軟件中稱為K文件）進行輸入計算。在計算中，流冰和隧洞模型采用3D Solid164實體單元模擬；流冰和隧洞材料為線彈性材料；單元劃分采用映射網格劃分。隧洞襯砌面為主體，流冰接觸面為從界面。參數見表1，其中冰的參數根據于天來等[17-18]對冰的彈性模量與冰的關系確定。

表1 隧洞和流冰物理性能參數

3 流冰對隧洞撞擊模型的應用

由于流冰與隧洞在碰撞過程中，牽扯諸如動態、流固耦合等不穩定因素較多，是一個很復雜的冰結構之間相互碰撞的問題，影響因素主要有特征冰體的速度、平面尺寸、厚度、幾何形狀、抗拉強度、抗壓強度、彈性模量、結構的柔性、摩擦力、碰撞角度等[19-21]。本文主要研究流冰在不同流速、不同流冰平面尺寸、不同流冰厚度等工況下流冰對引水隧洞邊壁的撞擊力。方便計算，計算中碰撞角度采用正碰，幾何形狀采用長方形，不考慮二次碰撞等問題，其隧洞流冰組合模型網格劃分如圖2所示。

圖2 隧洞流冰組合模型網格劃分圖

3.1 流速對撞擊力的影響

數值模擬中選取水深為2 m，實際碰撞過程中流冰的尺寸不規則，參照徐國賓等[9]的試驗，模擬流冰尺寸設置為2 m×0.5 m×2 m，根據引大入秦工程運營實際水流的控制流速，流速分別取0.5、0.8、1.0、1.3、1.5、1.8、2.0、2.3、2.5、2.8、3.0、3.5 m/s。在流冰允許破壞范圍內，流冰在=0.5 m/s時撞擊力最大應力云圖如圖3所示。

注：時間t=0.004 984 8 s，接觸面取1.0 m2。v為流速，下同。

圖3為流冰對隧洞的撞擊力最大應力云圖，由于撞擊過程中撞擊力為動態變化，當=0.004 984 8 s時，可以得到撞擊力瞬間最大值為0.53×103kN。同理，可以得到不同流速相應的撞擊力最大應力云圖。通過云圖可知，最大撞擊力分別0.94、1.18、1.47、1.77、2.12、2.36、2.71、2.93、3.27、3.42、4.09×103kN。可以得到最大碰撞力隨著流冰流速的變化關系曲線，如圖4所示。

圖4 最大撞擊力-流速關系圖

由圖4可以看出，在其他工況不變的情況下，只改變流冰速度，流速對撞擊應力極值有明顯的影響，其撞擊力隨著流冰流速的增大而增大，其變化關系呈現出近似線性的關系。由于該模擬過程中接觸面積為1.0 m2，可以發現，流冰流速與最大撞擊力的關系近似如公式（12）所示。

=1.2（0.5m/s≤≤3.5 m/s） （12）

式中為流冰的流速，m/s；為流冰與隧洞邊壁碰撞時所產生的最大撞擊力值，kN。

由動能定理和動量定理可知，當同一質量物體的速度越大，它所具有的動能就越大，產生的撞擊力就越大。但是，冰與普通物體（鋼、鐵、石頭等）不同，冰在一定條件下由于其韌、脆轉變典型特性的存在，超過一定大小的撞擊力作用下，冰會發生破碎等現象，當冰破碎后，流冰尺寸變小，但仍然形成二次碰撞，由于涉及因素復雜，且影響小，本文不作計算。

3.2 流冰平面尺寸對撞擊力的影響

為了研究流冰體積對隧洞襯砌作用力的影響，在不改變接觸面的前提下，僅改變流冰平面尺寸。水深選取2 m，流冰流速選取=5 m/s，冰厚選取0.5 m，在其他參數固定不變的條件下，只改變流冰平面尺寸，分別取0.5 m×0.5 m×2 m、1.0 m×0.5 m×2 m、1.5 m×0.5 m× 2 m、2.0 m×0.5 m×2 m、2.5 m×0.5 m×2 m。平面尺寸分別為0.5 m×0.5 m的1、2、3、4、5倍。其實質是碰撞接觸面積不發生變化，為1.0 m2，而流冰的體積和質量發生變化。在流冰允許破壞范圍內，圖5為流冰尺寸為1.0 m×0.5 m×2 m對隧洞的撞擊力最大應力云圖。

Note: t= 0.002 466 2 s, v=5 m×s-1

從圖5可以看出，由于撞擊過程中撞擊力為動態變化，當=0.002 466 2 s時，可以得到撞擊力瞬間最大值為4.34×103kN。同樣的方法得到0.5 m×0.5 m×2 m、1.5 m×0.5 m×2 m、2.0 m×0.5 m×2 m、2.5 m×0.5 m×2 m的撞擊力最大應力云圖。對應的撞擊力分別1.10×103、4.99×103、5.69×103、6.23×103kN。由接觸面為1.0 m2，可以得到不同流速下的最大撞擊應力分別為1.10、4.99、5.69、6.23 MPa。即可以得到在不同面積尺寸下，最大撞擊力與流冰平面尺寸如圖6所示。

由圖6可以看出，在不改變流冰其他參數的情況下，只改變流冰平面尺寸時，撞擊應力極值的變化明顯，說明質量和體積的變化對撞擊力有較大影響。由于在不同工況下接觸面積均取1.0 m2，所以撞擊應力關系曲線與撞擊力關系曲線一致。當流冰平面尺寸較小時，其撞擊應力隨著流冰平面尺寸的增大而增大較為明顯，但是當質量增大到一定值時，撞擊力增加緩慢，其變化關系呈非線性的關系（流冰在發生韌、脆轉變前）。

3.3 流冰厚度對撞擊力的影響

為了研究流冰厚度對隧洞襯砌作用力的影響，水深選取2 m，選取引大入秦工程運營中的較大流速，取流冰流速=3 m/s，流冰平面尺寸選取2.0 m×2.0 m，在不改變其他參數的情況下，只改變流冰厚度，厚度分別取0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.5 m共12種工況。在流冰允許的破壞范圍內，得到流冰厚度為0.3 m對隧洞的撞擊力最大應力云圖，如圖7所示。

Note: t=0.007 451 s. v=3 m×s-1

由圖7可以看出，由于撞擊過程中撞擊力是動態變化的，當=0.007 45 s時，可以得到撞擊力瞬間最大值為1.58×103kN。同理，可以得到厚度為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.5m的撞擊力最大應力云圖和局部應力云圖。通過云圖可知，撞擊力分別1.58、2.26、3.42、4.02、5.10、5.49、6.34、7.08、7.37、8.40、9.15、10.47×103kN。當接觸面取0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.6、3.0 m2時，得到不同流速下的最大撞擊應力分別為2.63、2.82、3.42、3.35、3.64、3.43、3.52、3.54、3.35、3.50、3.52、3.49 MPa。隨之得到在不同厚度下，最大應力值與流冰厚度的關系、最大撞擊力與流冰厚度關系如圖8所示。

圖8 流冰厚度與最大應力及最大撞擊力關系圖

由圖8可知，當流冰厚度小于0.5 m時，撞擊應力隨著流冰厚度的增大而增大；其厚度超過0.5 m時，撞擊應力值變化不大，最大應力呈現線性關系。撞擊力與流冰厚度之間，當流冰厚度較小時，其撞擊力隨著冰厚度的增大而增大，其變化關系呈現出線性的關系。

綜上結果看出：在不同流冰流速、不同流冰平面尺寸、不同流冰厚度等工況下，流冰與隧洞襯砌碰撞時，隧洞襯砌表面會產生不同程度的變形。這種變形對隧洞穩定性影響不大，但是，隧洞襯砌會產生表面破碎，經過長時間水流的沖刷，將會造成隧洞襯砌表面脫落等現象，破壞結構的強度和穩定性。

4 流冰對隧洞撞擊的物理模型試驗

4.1 試驗設計

本文利用室內模型試驗研究解凍期流冰對引水隧洞的碰撞作用。對不同流冰平面尺寸、不同流冰厚度、流冰速度等工況下流冰對引水隧洞的撞擊力展開系統的室內模型試驗[22-26]。本文中試驗裝置與原型的幾何比尺C取為28，試驗中液體采用普通水, 材料密度比尺取為1.0，在常重力場條件下進行試驗, 加速度比尺C取為1.0[27-30]。模型試驗裝置圖如圖9所示，其中a，b，c，d，e點為應變片一側的位置，另一側對稱布置，應變片位置高度為17 cm。

1.循環水管 2.固定支柱 3.水泵 4.水箱 5.測試儀器 6.應變片（a, b, c, d, e） 7.水槽 8.測試線 9.旋轉螺旋

4.2 試驗內容

根據試驗設計，其具體試驗步驟如下：

1）研究流速對撞擊力的影響試驗。在水箱中充滿水；打開總電源，利用泵使得水箱中的水沖入水槽；將準備好的若干規格為7 cm×3.5 cm×7 cm冰塊放入水槽中；利用旋轉螺旋來調節流速；用流速計測得流速為0.5 m/s；利用水位探針確定水深，根據幾何比尺，水深為17.2 cm；在隧洞模型兩邊邊壁水面線位置分別貼10個有機玻璃應變片；使瞬態應變測試儀處于關閉狀態；利用測試線將應變片與瞬態應變測試儀鏈接，每個應變片與瞬態應變測試儀上面的接頭對應相連；打開瞬態應變測試儀，調成手動裝置；隨著冰塊碰撞隧洞邊壁，依次在瞬態應變測試儀上度數，讀出應變值；記錄數據，處理數據；接著改變流速大小使得流速分別為0.5、0.8、1.0、1.2、1.5、1.8、2.0、2.3、2.5、2.8、3.0、3.5 m/s，重復上述步驟，觀察流速對撞擊應力的影響。

2）流冰平面尺寸大小對撞擊力的影響試驗。改變工況，水深為17.2 cm；流速為3.0 m/s，改變冰塊尺寸分別取1.8 cm×1.8 cm×7 cm、3.5 cm×1.8 cm×7 cm、5.5 cm× 1.8 cm×7 cm、7.0 cm×1.8 cm×7 cm、9.0 cm×1.8 cm×7 cm；重復上述步驟，測試流冰平面尺寸對撞擊應力的影響。

3）流冰厚度對撞擊力的影響試驗。流速和冰塊厚度一定，冰塊平面尺寸為變量進行試驗，具體為：選定水深為17.2 cm，流速為3.0 m/s，流速和平面尺寸一定，改變冰塊尺寸分別取1.1、1.4、1.8、2.14、2.5、2.9、3.2、3.6、3.9、4.3、4.6、5.4 cm；重復上述步驟，測試流冰平面尺寸對撞擊應力的影響。

4.3 流速對撞擊力的影響

按照試驗步驟1）開展試驗，得到不同流速下，隧洞邊壁所受的撞擊力及應力值，將上述試驗數據處理后，按照模型相似比進行計算，其軟件模擬計算結果、試驗觀測計算結果對比圖如圖10 a所示。可以發現，在流速不同的條件下，數值模擬值與試驗值有大致相同的趨勢，吻合性較好，總體來說，隨著流速的增大，流冰對隧洞的撞擊力力增大，且基本程線性分布關系。模擬值與試驗值的最大誤差為1.83%，最小誤差為0.04%，平均相對誤差為0.94%，在允許范圍內[28]。由此可知，本文采用的計算模型準確可靠，模擬結果可信。分析可知，誤差主要是試驗值波動導致，可能與試驗中流冰的二次碰撞有關。

圖10 試驗結果與模型計算結果對比圖

4.4 流冰平面尺寸大小對撞擊力的影響

按照試驗步驟2）開展試驗，得到不同平面尺寸下，隧洞邊壁所受的撞擊力及應力值，將上述試驗數據處理后，按照模型相似比進行計算，可以得到試驗結果與模型計算結果對比圖10b，觀察圖可以發現，當流冰平面尺寸較小時，其撞擊應力隨著流冰平面尺寸的增大而明顯增大。但是當平面尺寸大于1.2 m2以后，撞擊力的增量趨緩，說明當面積增大時，冰水粘滯力和拖曳力增加，使得撞擊力變緩。通過計算可知，試驗值與模型值最大誤差為2.24%，最小誤差為0.05%，平均相對誤差為1.15%，在允許范圍內[29]，吻合性較好。

4.5 流冰厚度對撞擊力的影響

按照試驗步驟3）開展試驗，根據試驗的測算，流冰的厚度不同，隧洞邊壁所受的撞擊力及應力值也不同，將上述試驗數據處理后，按照模型相似比進行計算，可以得到試驗結果與模型計算結果對比圖10c，觀察圖可以發現，在流冰厚度不同的條件下，模擬值與試驗值有大致相同的趨勢，吻合性較好，總體來說，隨著流冰厚度的增大，流冰對隧洞的撞擊力增大，且基本程線性分布關系。模擬值和試驗值結果吻合性較好，最大誤差為1.98%，最小誤差為0.06%，平均相對誤差為1.02%，在允許范圍內[30]。由此可知，本文采用的計算模型準確可靠，模擬結果可信。

5 結 論

本研究應用有限元接觸-碰撞算法建立流冰撞擊引水隧洞襯砌作用時的數值計算仿真模型，并相應地開展室內模型試驗，數值模擬結果和試驗結果良好吻合，并根據流冰的流速、平面尺寸、厚度等參數變化對引水隧洞破壞力學特性得到以下結論：

1）隨著流冰流速的增大，流冰對隧洞襯砌的碰撞力增大，且流冰流速對隧洞最大撞擊力之間存在線性關系（=1.2），試驗值與計算誤差在5%以內。因此，在滿足供水要求的情況下，解凍期運營要控制流速，減小流冰對隧洞襯砌的撞擊力。

2）流冰在平面尺寸增大時，其實質是體積和質量增大，當流冰平面尺寸小于1.0 m2時，其撞擊應力隨著流冰平面尺寸的增大而明顯增大，但是當流冰平面尺寸超過1.0 m2時，撞擊力增加緩慢，二者之間呈非線性的關系。說明流冰質量增加后，水流的挾冰能力下降，撞擊力變緩。

3）流冰厚度小于0.5 m時，撞擊力隨著流冰厚度的增大而增大；其厚度超過0.5m時，撞擊應力值變化不大，說明冰水粘滯力和拖曳力增加，使得撞擊力變緩。

實際工程中冰水兩相之間的運動是非常復雜的，其間存在著粘滯力、拖曳力等多因素耦合影響的問題；流冰與隧洞襯砌之間的碰撞是不規則的，在模擬流冰與隧洞的碰撞時，碰撞角度選取的形式等問題，需要做進一步的研究。

[1] 楊開林. 長距離輸水水力控制的研究進展與前沿科學問題[J]. 水利學報，2016，47(3)：424－435.

Yang Kailin. Review and frontier scientific issues of hydraulic control for long distance water diversion[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2016, 47(3): 424－435. (in Chinese with English abstract)

[2] 張成，王開. 冰期輸水研究進展[J]. 南水北調與水利科技，2006，4(6)：59－63.

Zhang Cheng, Wang Kai. The relational research and experience of water transfer during freezing period[J]. South-to-North Water Transfers and Water Science& Technology, 2006, 4(6): 59－63. (in Chinese with English abstract)

[3] Gilberto E U, Robert E. Bend ice jams: Laboratory observations[J]. Canadian Journal of Civil Engineering, 1992, 19: 855－864.

[4] 茅澤育，吳劍疆，張磊，等. 天然河道冰塞演變發展的數值模擬[J]. 水科學進展，2003，14(6)：700－705.

Mao Zeyu, Wu Jianjiang, Zhang Lei, et al. Numerical simulation of river ice jam[J]. 水科學進展, 2003, 14(6): 700－705. (in Chinese with English abstract)

[5] 茅澤育，趙升偉，相鵬，等. 冰蓋下水流流動的摻混特性[J]. 水利學報，2005，36(3)：291－297.

Mao Zeyu, Zhao Shengwei, Xiang Peng, et al. Turbulentmixing characteristics of ice-covered river flow[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2005, 36(3): 291－297. (in Chinese with English abstract)

[6] 茅澤育，許昕，王愛民，等. 基于適體坐標變換的二維河冰模型[J]. 水科學進展，2008，19(2)：214－223.

Mao Zeyu, Xu Xin, Wang Aimin, et al. 2D numerical model for river-ice processes based upon body-fitted coordinate[J]. Advances in Water Science, 2008, 19(2): 214－223. (in Chinese with English abstract)

[7] 肖建民，金龍海，謝永剛，等. 寒區水庫冰蓋形成與消融機理分析[J]. 水利學報，2004，35(6)：80－85.

Xiao Jianmin, Jin Longhai, Xie Yonggang, et al. Study on mechanism of formation and melting of reservoir ice cover in cold area[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2004, 35(6): 80－85. (in Chinese with English abstract)

[8] 王軍，陳胖胖，江濤，等. 冰蓋下冰塞堆積的數值模擬[J]. 水利學報，2009，40(3)：348－354+363.

Wang Jun, Chen Pangpang, Jang Tao, et al. Parameter model of water-conducting device specification for indirect subsurface drip irrigation[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2009, 40(3): 348－354+363. (in Chinese with English abstract)

[9] 徐國賓，李大冉，黃焱，等. 南水北調中線輸水工程若干冰力學問題試驗研究[J]. 水科學進展，2010，21(6)：808－815.

Xu Guobin, Li Daran, Huang Yan, et al. Laboratory study of problems in ice mechanics encountered in the Middle Route of South-to-North Water Transfer Project[J]. Advances in Water Science, 2010, 21(6): 808－815. (in Chinese with English abstract)

[10] 貢力，靳春玲. 西部干寒地區引水明渠病害特點及治理措施[J]. 建設監理，2014(12)：66－68, 73.

Gong Li, Jin Chunling. The characteristics and treatment measures of open diversion canal diseases in dry and cold regions of western China [J]. Journal of Construction Supervision, 2014(12): 66－68, 73. (in Chinese with English abstract)

[11] 李釗. 石頭河水庫灌區東干渠水流數值模擬研究[D]. 西安：西安理工大學，2009.

Li Zhao. Research on the Stream Numerical Simulation of Shitou River Reservoir Irrigation District East Main Channel[D]. Xi’an: Xi’an University of Technology, 2009. (in Chinese with English abstract)

[12] Zufelt J E, Ettema R. Fully coupled model of ice-jamdynamics[J]. Journal of Cold Regions Engineering, 2000, 14(1): 24－41.

[13] Shen Hungtao, Sun Junshan, Liu Lianwu. SPH simulation of river ice dynamics[J]. Journal of Computational Physics, 2000, 165(2): 752－770.

[14] 陳明千. 西藏高寒地區引水渠道冰花生消規律研究[D]. 成都：四川大學，2006.

Chen Mingqian. Study on the Process of Ice Formation and Melting in Diversion Channel of Tibet[D]. Chengdu: Sichuan University, 2006. (in Chinese with English abstract)

[15] 吳素杰，宗全利，鄭鐵剛，等. 高寒區多口融冰井引水渠道水溫變化三維模擬及井群優化布置[J]. 農業工程學報，2017，33(14)：130－137.

Wu Sujie, Zong Quanli, Zheng Tiegang, et al. 3D simulation on water temperature change of diversion channel and optimal arrangement of multi-wells at high altitude and cold regions[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(14): 130－137. (in Chinese with English abstract)

[16] Betchelor G K. Mass transfer from small particles suspended in turbulent fluid[J]. Journal of Fluid Mechanics, 1980, 98(3): 609－623.

[17] 于天來，袁正國，黃美蘭. 河冰力學性能試驗研究[J]. 遼寧工程技術大學學報：自然科學版，2009，28(6)：937－940.

Yu Tianlai, Yuan Zhengguo, Huang Meilan. Experimental study on mechanical behavior of river ice[J]. Journal of Liaoning Technical University: Natural Science, 2009, 28(6): 937－940. (in Chinese with English abstract)

[18] 張鳳德，李廣一. 基于LS-DYNA的流冰撞擊壩體仿真計算[J]. 水利建設與管理，2013，33(2)：19－21.

Zhang Fengde, Li Guangyi. Simulation of flow ice impact on dam body based on LS-DYNA[J]. Water Conservancy Construction and Management, 2013, 33(2): 19－21. (in Chinese with English abstract)

[19] 李抗彬，沈冰，李智錄，等. 基于非恒定水流模擬的灌區明渠水力響應特征分析[J]. 農業工程學報，2015，31(10)：107－114.

Li Kangbin, Shen Bing, Li Zhilu, et al. Open channel hydraulic response characteristics in irrigation area based on unsteady flow simulation analysis[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(10): 107－114. (in Chinese with English abstract)

[20] 王亞玲，劉應中，繆國平. 圓柱繞流的三維數值模擬[J]. 上海交通大學學報，2001，35(10)：1464－1469.

Wang Yaling, Liu Yingzhong, Miao Guoping. Three-dimensional numerical simulation of viscous flow around circular cylinder[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2001, 35(10): 1464－1469. (in Chinese with English abstract)

[21] 張寬地，呂宏興，陳俊英. 馬蹄形過水斷面臨界水深的直接計算法[J]. 農業工程學報，2009，25(4)：15－18.

Zhang Kuandi, Lü Hongxing, Chen Junying. Direct calculation of critical depth of horseshoe section tunnel[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009, 25(4): 15－18. (in Chinese with English abstract)

[22] 李煒. 水力計算手冊[M]. 北京：中國水利水電出版社，2006.

[23] 張成. 南水北調中線工程非恒定輸水響應及運行控制研究[D]. 北京：清華大學，2008.

Zhang Cheng. Research on Response of Unsteady Water Transport and Operation Control in the Middle Route of the South-to-North Water Diversion Project[D]. Beijing: Tsinghua University, 2008. (in Chinese with English abstract)

[24] 韓延成，高學平. 長距離自流型渠道輸水控制的二步法研究[J]. 水科學進展，2006，17(3)：414－418.

Han Yancheng, Gao Xueping. Two-step optimal operation and control method for long distance gravity-flow delivery in canals[J]. Advance in Water Science, 2006, 17(3): 414－418. (in Chinese with English abstract)

[25] 高霈生，靳國厚，呂斌秀. 南水北調中線工程輸水冰情的初步分析[J]. 水利學報，2003，34(11)：96－102.

Gao Peisheng, Jin Guohou, Lü Binxiu. Preliminary study on ice regime in the middle route of south to north water transfer project[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2003, 34(11): 96－102. (in Chinese with English abstract)

[26] 李家春. 現代流體力學發展的回顧與展望[J]. 力學進展,1995，25(4)：442－450.

Li Jiachun. Retrospects and prospects of fluid mechanics[J]. Advances in Mechanic, 1995, 25(4): 442－450. (in Chinese with English abstract)

[27] 劉孟凱，王長德，馮曉波. 長距離控制渠系結冰期的水力響應分析[J]. 農業工程學報，2011，27(2)：20－27.

Liu Mengkai, Wang Changde, Feng Xiaobo. Analysis on the hydraulic response of long distance canal control system during ice period[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(2): 20－27. (in Chinese with English abstract)

[28] 王曉玲，周正印，蔣志勇，等. 考慮氣溫變化影響的引水渠道水內冰演變數值模擬[J]. 天津大學學報：自然科學與工程技術版，2010，43(6)：515－522.

Wang Xiaoling, Zhou Zhengyin, Jiang Zhiyong, et al. Numerical simulation of frazil ice evolution in diversion channel considering effect of temperature variation[J]. Journal of Tianjin University, 2010, 43(6): 515－522. (in Chinese with English abstract)

[29] 成都科學技術大學水力學教研室. 水力學（下冊）[M]. 北京：人民教育出版社，1979.

[30] 王曉玲，張自強，李濤，等. 引水流量對引水渠道中水內冰演變影響的數值模擬[J]. 水利學報，2009，40(11)：1307－1312.

Wang Xiaoling, Zhang Ziqiang, Li Tao, et al. Numerical simulation of diversion water flux effect on frazil ice evolution in diversion channel[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2009, 40(11): 1307－1312. (in Chinese with English abstract)

Numerical simulation and verification on impact damage mechanical property of drift ice on diversion tunnel

Gong Li, Li Yaxian, Jin Chunling

(School of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

In high latitude region of western China, the environment is in harsh condition that it is cold and dry in winter and has long ice period, which causes many water resource problems. In order to relieve the serious water shortage condition in cold and dry region, a large number of long distance water diversion projects were established to improve the water resource condition, such as increasing farm irrigation, human and animal drinking. While the ice damage occurs frequently under severe ice conditions in cold and dry region, especially in ice period in winter and thawing period in spring, it is easy to form drift ice with different velocities, different plan sizes and different thicknesses, which produces different extrusion forces or impact forces to damage tunnel lining, causing project failure. The failure project could not realize the original planning and construction goal, giving rise to the water allocation pressure. The water allocation would cause water shortage which influences diversion irrigation and farming production in spring. Based on the intense researches on the collision simulation problem of the interaction between drift ice and diversion tunnel, this paper used the symmetric penalty function in the finite element contact-impact algorithm to conduct the theoretical study on collision simulation problem between drift ice and water diversion tunnel. ANSYS/LS-DYNA was adopted as the platform to establish tunnel model and drift ice model. LS-DYNA SOLVER was used as the solver to solve and analyze the damage degrees of drift ice on tunnel. The physical model tests were conducted to verify and reveal the impact damage mechanism of drift ice on diversion tunnel. The physical model was constructed by the geometric scale of 28, which is the ratio of the experiment facility to the prototype in the test. The results show that tunnel lining surface will form varying degrees of deformation and failure when the tunnel lining is impacted by the drift ice with different velocities, different plane sizes and different thicknesses. It is also discovered that the impact stress increases with the flow velocity and their relationship presents linear variation. The impact stress also increases with the drift ice’s plane size and their relationship presents nonlinear variation. The impact stress increases with the drift ice thickness when the drift ice thickness is less than 0.5 m. While the drift ice thickness is greater than 0.5 m, the maximum stress value shows little change. The relationship between drift ice’s plane size and maximum stress shows approximately linear variation. Meanwhile, the software simulation and test observation results are almost the same. The impact of drift ice on the tunnel lining would cause the deformation of lining, but the deformation has little influence on the tunnel stability. The drift ice’s long time erosion would cause the tunnel lining surface to fall off, and further break the strength and stability of the tunnel structures. The study supplies theoretical support and technical guarantee for water diversion project security in cold and dry region of western China.

mechanical performance; numerical simulation; models; ice engineering; diversion tunnel; impact force

貢 力，李雅嫻，靳春玲. 流冰對引水隧洞撞擊破壞力學特性數值分析與驗證[J]. 農業工程學報，2018，34(13)：144－151. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.017 http://www.tcsae.org

Gong Li, Li Yaxian, Jin Chunling. Numerical simulation and verification on impact damage mechanical property of drift ice on diversion tunnel[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(13): 144－151. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.017 http://www.tcsae.org

2018-03-12

2018-06-01

國家自然科學基金項目（51669010，51541902）；甘肅省自然基金（17JR5RA105，17JR5RA101）

貢力，教授，博士，主要從事輸水工程安全的研究。Email：gongli@mail.lzjtu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.017

TV672

A

1002-6819(2018)-13-0144-08