輸水渠道雙軸型攔冰索模型實(shí)驗(yàn)分析

孫浩夫

(海城市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 海城 114200)

輸水渠道攔冰是低溫地區(qū)渠道設(shè)計(jì)和管理繞不開的技術(shù)課題。本文參考南水北調(diào)中線工程攔冰實(shí)用案例，以實(shí)驗(yàn)室比尺實(shí)驗(yàn)分析的方式，對輸水渠道雙軸型攔冰索開展模型實(shí)驗(yàn)分析，探究不同起始冰厚、不同冰速以及不同水位差異下的攔冰影響關(guān)系，以為同類渠道攔冰應(yīng)用提供研究和技術(shù)參考，助力實(shí)現(xiàn)適用可靠的渠道攔冰應(yīng)用工程。

1 雙軸型渠道攔冰索

攔冰索由多部分構(gòu)成，最主要包括鐵鏈、原木、錨固端等，雙軸攔冰索實(shí)物應(yīng)用狀態(tài)具體如圖1所示。

本文在選取攔冰索時(shí)，主要遵循下述3項(xiàng)原則：①軸線最小直徑與受力需要相適應(yīng)；②單位長度的重量要匹配，水下深度及出水高程也要符合要求；③保持良好的穩(wěn)態(tài)性。本研究所涉及的攔冰索總長4.8m；攔冰網(wǎng)寬度6cm，高度3cm；選用截面規(guī)格長×寬×高為8cm×7cm×3cm的松木漂木；由于鋼絲繩及鋼絞線長期浸泡在水中會被銹蝕，因此在本文中筆者選用了直徑為1mm的尼龍繩。

2 實(shí)驗(yàn)室攔冰索比尺實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)比尺模型

出于冰厚、冰速等方面的考量，將λ=1∶15作為本模型的最佳比尺。各物理量的比尺值見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)攔冰索物理量主要比尺

2.2 實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段

在本實(shí)驗(yàn)中，通過調(diào)整固定點(diǎn)距水面的距離對河道水位變化情況進(jìn)行模擬分析，分別設(shè)定-1.5、2.5、5cm的間距，水面以上為正，反之為負(fù)，經(jīng)實(shí)證研究確定出最佳水位。

2.2.1方案一：高水位

攔冰索對應(yīng)原型0.225m，固定端部署在水面下1.5cm位置，關(guān)于高水位方案設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 基于高水位實(shí)驗(yàn)方案

2.2.2方案二：中水位

攔冰索對應(yīng)原型37.5cm，固定端部署在水面

圖1 雙軸攔冰索現(xiàn)場應(yīng)用圖片

上2.5cm位置，關(guān)于中水位方案設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)見表3。

表3 中水位方案

2.2.3方案三：低水位

攔冰索對應(yīng)原型37.5cm，固定端部署在水面上2.5cm位置，關(guān)于低水位方案設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)表4。

表4 低水位方案

3 雙軸型攔冰索實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及分析

3.1 起始冰厚的影響分析

3.1.1起始冰厚對攔冰厚度的影響

對生成的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析，并基于水位、速率均同等的條件下，深入探討與研究起始冰厚與攔冰量之間的關(guān)系。

(1)基于高水位方案

在高水位條件下，如果速率未達(dá)到100mm/s，起始冰厚與攔冰厚度呈顯著負(fù)相關(guān)。其原因是：隨著水位的不斷升高，攔冰索兩頭的漂浮力越大，起到的攔冰效果就很顯著；在冰速小且冰很厚的情況下，攔冰索受力就變小，所以能起到攔冰作用。但在冰厚且冰速大的情況下，攔冰索力就會增大，由于失穩(wěn)無法起到良好的攔冰效果，所以攔冰量減少。

如果速率≥150mm/s，那么與上述規(guī)律則截然不同。其原因是：冰速越大，攔冰索受力就越大，攔冰索也就很難保持穩(wěn)態(tài)，這時(shí)，只要起始冰厚度增大，攔冰量就越大，反之亦然。如圖2所示。

圖2 起始冰厚影響

(2)基于中水位方案

在中水位條件下，如果速率不變，起始冰厚越大，攔冰量越多，反之亦然。由于漂木及攔冰網(wǎng)都具有攔冰作用，而且攔冰索足夠平穩(wěn)，那么起始冰厚就成為了攔冰量的決定性因素。如圖3所示。

圖3 起始冰厚影響

(3)基于低水位方案

在低水位條件下，漂木及攔冰網(wǎng)均懸空在水面上，不能發(fā)揮攔冰作用。如果速率未達(dá)到100mm/s，始冰厚與攔冰量呈顯著負(fù)相關(guān)。如果速率≥150mm/s，那么與上述規(guī)律正相反。如圖4所示。

圖4 攔冰厚度的影響

3.1.2起始冰厚對攔冰索失效模式的影響

在水位、速率均同等的工況下，如果起始冰厚較小，那么就容易出現(xiàn)以下幾種情況：

(1)起始時(shí)刻，冰力施加于漂木上，攔冰索受力后仰。

(2)之后來冰下潛，冰凌體比較厚，冰力作用于攔冰網(wǎng)上，攔冰索受力前俯。

(3)漂木受冰凌浮力作用，阻止攔冰索前俯。

(4)因?yàn)楸褫^小，下潛耗費(fèi)的時(shí)間就增加，那么攔冰索由于長時(shí)間受力無法保持穩(wěn)態(tài)，也就不能起到良好攔冰效果效。

在水位、速率均同等的工況下，如果起始冰厚很大，那么就容易出現(xiàn)以下幾種情況：

(1)起始時(shí)刻，冰力施加于漂木上，攔冰索受力后仰；同時(shí)攔冰索受力前俯。

(2)之后來冰下潛，冰凌體增厚，攔冰網(wǎng)受力加大，攔冰索前俯。

(3)漂木受冰凌浮力作用，阻止攔冰索前俯。

(4)因?yàn)楸翊螅聺摃r(shí)間大大縮短。冰凌體厚度達(dá)到一定水平后，如果前俯力比后仰力大，那么冰從底部鉆過，反之則從攔冰索上部走過。

3.2 冰速差異的影響分析

3.2.1冰速對攔冰厚度的影響

對生成的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析，并基于水位、起始冰厚均同等的條件下，深入探討與研究冰速與攔冰量之間的關(guān)系。

(1)基于高水位實(shí)驗(yàn)方案

在高水位條件下，冰速與攔冰厚度呈顯著負(fù)相關(guān)。其原因是：隨著水位的不斷升高，漂木及攔冰網(wǎng)部分沉于水中，也就能起到攔冰的效用。當(dāng)冰速很小時(shí)，攔冰索受力就小，也就能長期保持穩(wěn)態(tài)，起到的攔冰效果就越好，所以攔冰量較大，如圖5所示。

圖5 冰速對攔冰厚度的影響(高水位，2.6cm相同起始冰厚)

(2)基于中水位實(shí)驗(yàn)方案

在中水位條件下，如果冰速>50mm/s，冰速對攔冰厚度產(chǎn)生的影響就非常小，如見圖6所示。

圖6 攔冰厚度的影響(冰速，中水位，2.1cm相同起始冰厚)

(3)基于低水位實(shí)驗(yàn)方案

低水位時(shí)，冰速對攔冰厚度的影響很小，如圖7所示。

圖7 攔冰厚度的影響(冰速，低水位，2.1cm相同起始冰厚)

3.2.2對攔冰索失效模式的影響

(1)起始冰厚不發(fā)生改變，冰速逐漸增大時(shí)，冰塊下潛時(shí)間就越短，冰力作用于攔冰網(wǎng)上，攔冰索受力呈前俯姿勢；漂木底面受浮力作用，使攔冰索前俯姿態(tài)改變。

(2)起始冰厚不發(fā)生改變，冰速逐漸減小時(shí)，冰塊下潛速度就很慢，漂木受力時(shí)長就延長，攔冰索受力呈后仰姿勢；之后來冰下潛，冰凌體增厚，冰力作用于攔冰網(wǎng)上，攔冰索受力呈前俯姿勢；漂木底面受浮力作用，使攔冰索前俯姿態(tài)改變。

(3)如果前俯力與后仰力一致，攔冰索就會處于動平衡狀態(tài)。冰凌體厚度達(dá)到一定水平后，如果前俯力明顯比后仰力大。那么冰從底部鉆過，反之則從攔冰索上部走過。

(4)在水位、起始冰厚均同等的工況下，如果冰速很大，冰塊下潛就越快，動平衡持續(xù)時(shí)間就很短；反之亦然。

具體見表5—7。

表5 基于高水位實(shí)驗(yàn)方案

表6 基于中水位實(shí)驗(yàn)方案

表7 基于低水位實(shí)驗(yàn)方案

3.3 水位差異的影響分析

對生成的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析，并基于冰速、起始冰厚均同等的條件下，深入探討與研究水位與攔冰量之間的關(guān)系，見表8—11所示。

表8 基于50mm/s冰速工況 單位：cm

表9 基于100mm/s冰速工況 單位：cm

表10 基于150mm/s冰速工況 單位：cm

表11 基于200mm/s冰速工況 單位：cm

通過上表數(shù)據(jù)分析進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在此工況下所產(chǎn)生的各種效果：如果冰速未達(dá)到50mm/s，只有在高水位工況下，可起到良好的攔冰效果；如果冰速達(dá)到100mm/s，只有在低水位工況下，可起到良好的攔冰效果；如果冰速達(dá)到150mm/s，3個(gè)水位工況下的攔冰效果幾乎一致；如果冰速達(dá)到200mm/s，只有在中水位工況下，可起到良好的攔冰效果。

4 結(jié)語

本文對不同實(shí)驗(yàn)方案下各要素與攔冰厚度、攔冰索失效模式間的關(guān)系展開了深入探討與全面研究。經(jīng)過實(shí)證論證，筆者獲得了以下幾個(gè)重要結(jié)論：

(1)起始冰厚影響：在高、低兩種不同的水位工況下，如果速率未達(dá)到100mm/s，起始冰厚與攔冰量存在顯著負(fù)相關(guān)；如果速率≥150mm/s，那么與上述規(guī)律正相反。在中水位工況下，在速率不發(fā)生改變時(shí)，起始冰厚與攔冰量存在顯著正相關(guān)。

(2)冰速影響：在高水位的實(shí)驗(yàn)工況下，冰速與攔冰厚度存在顯著負(fù)相關(guān)：在中水位的實(shí)驗(yàn)工況下，攔冰量在冰速為50mm/s時(shí)達(dá)到最低，攔冰量在冰速>50mm/s時(shí)基本一致；低水位的實(shí)驗(yàn)工況下，冰速對攔冰厚度產(chǎn)生的影響很小。

(3)水位影響：如果冰速未達(dá)到50mm/s，只有在高水位工況下，可起到良好的攔冰效果；如果冰速達(dá)到100mm/s，只有在低水位工況下，可起到良好的攔冰效果；如果冰速達(dá)到150mm/s，3個(gè)水位工況下的攔冰效果幾乎一致；如果冰速達(dá)到200mm/s，只有在中水位工況下，可起到良好的攔冰效果。