双缆网式拦冰索模型试验

进稳定冰盖的形成，缩短流凌期时间；而且在融冰期能够减少拦冰索下游冰凌输送量，降低冰塞、冰坝发生的可能
性，提高流凌期输水能力．通过真冰物理模型试验研究发现，拦冰索的作用过程可以划分为发展期、平衡期和失效
期 3 个阶段．平衡期顺流向索力均值可以作为衡量拦冰索拦冰能力的指标．通过量纲分析获得该指标的计算公式，为
除弗劳德数指标外，很多学者认为应以流速指标
作为冰凌下潜的控制标准．文献[5]指出 Maclachlan
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
收稿日期：2011-07-27；修回日期：2011-11-07. 基金项目：国家自然科学基金创新研究群体科学基金资助项目(51021004)；国家杰出青年基金资助项目(50725929)；教育部“长江学
对于南水北调中线工程而言，通过合理设置拦冰 索，可以解决长期流凌渠段输水能力问题．这一瓶颈 的消除，将全面提高整个工程在冰期的输水能力，具 有巨大的社会和经济价值．
笔者通过对原有拦冰索设计型式的优化、改进， 提出一种新型拦冰索，即双缆网式拦冰索，并通过真 冰 模 型 试 验 ，对 代 表 其 拦 冰 能 力 的 索 力 特 性进 行 研究．
第 45 卷 第 11 期 2012 年 11 月
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天津大学学报 Journal of Tianjin University
Vol.45 No.11 Nov. 2012
双缆网式拦冰索模型试验
赵 新，练继建，黄 焱
(天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072)
摘 要：通过对原有拦冰索型式的优化和改进，提出一种双缆网式拦冰索．适当设置该拦冰索不仅在结冰期能够促
表 1 拦冰索模型参数 Tab.1 Model size of ice boom
m
水面 宽度
漂木
拦冰网
钢丝绳
长度 宽度 高度 长度 高度 长度(单根)
3.55 0.066 0.080 0.030 0.060 0.030
4.8
按照破冰冰厚和水位(体现为拦冰索锚固点与水 面的距离)的不同，划分了 3 个试验组开展试验，试 验参数见表 2．
将结冰期和融冰期统称为流凌期．输水渠道运
行时，往往以冰凌在冰盖或拦冰索前缘不下潜作为流
凌期输水能力的控制条件．水流弗劳德数小于第二 临界弗劳德数时，可避免冰塞的发生．Shen 等[1]和 Sun 等[2]由现场观测认为，第二临界弗劳德数为 0.09
左右．引黄济青工程规定冰期输水过程中水流弗劳 德数应小于 0.08[3]．京密引水将弗劳德数小于 0.09 作为冰期运行的控制指标之一[4]．
南水北调中线工程从丹江口陶岔闸调水至北京、 天津，输水线路长，水流由北亚热带湿润型气候区到 暖温带半湿润气候区．干线工程以明渠输水为主．冬 季运行时，黄河以北渠段受寒冷气候影响，沿线将有 不同程度的冰凌产生．其结冰和融冰过程分别为由 北向南和由南向北发展，会出现南、北渠段冻、融不 同的复杂情况，严重影响沿线冰期输水条件和运行 控制．
通过设置拦冰索，一方面有利于稳定冰盖的形 成，缩短结冰期时间，对运行调控和提高渠道输水能 力具有重要意义．引黄济青、京密引水、引黄济津、引 滦入津等均证明了拦冰索在结冰期对冰盖形成的促 进作用．
另一方面，冰塞、冰坝能否形成，其前提在于大 量冰凌源源不断从上游输送往下游．通过在输水渠 道中以一定间距分布式设置拦冰索，可以减少冰凌的 输送量，破坏冰塞、冰坝形成条件，从而打破弗劳德 数和流速限制，提高输水工程流凌期输水能力．1988 年黄河实测资料证明：拦冰索下游河段流冰密度和冰 块面积均大幅减小，并且沿河架设多处拦冰索能够形 成“梯级封河”，水位涨幅小，使封河过程中不至漫 滩；开河时冰凌受拦冰索逐段阻止，冰滑不动，免除 武开河和冰坝的产生[7]．
图 2 双缆网式拦冰索结构示意 Fig.2 Schematic diagram of net-style ice boom with two axes
双缆网式拦冰索依靠自身浮力作用漂浮于水面 上，在冰凌推力作用下，将呈悬链线形状．其结构形 式具有以下 3 个优点：①拦冰网使结构重心适当向下 部移动，提高拦冰索节块自身的稳性系数，同时使水 面上、下均有一定的拦冰高度，从而有效避免冰凌上 爬或下钻；②漂木和拦冰网形成一个 T 形结构，当承 受冰凌作用时，作用在拦冰网上的力将促使拦冰索前 俯滚动，而作用于漂木迎冰面和底面的力将促使拦冰 索后仰滚动，从而实现这 2 种力之间的相互制衡，拦 冰效果好；③设计 2 个转动轴，充分发挥双缆作用， 强化相邻节块间的作用力，从而有效防止局部失效的 发生．
ZHAO Xin，LIAN Ji-jian，HUANG Yan
(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China)
Abstract：Through optimization and improvement of the original pattern of ice boom，a “net-style ice boom with two axes” was proposed. Appropriate installation of the ice boom not only can promote formation of the stable ice cover and shorten ice-flood duration，but also has the ability to reduce ice throughput and the possibility of ice jam and ice dam forming，and thus improves the water transport capacity. Through research on the physic model test with real ice，it is found that the action process of the ice boom can be divided into three phases: development phase， equilibrium phase and failure phase，and the average cable force in downstream direction during the equilibrium phase can be used as indicator to measure the ability of ice interception. Through dimensional analysis a formula to calculate the above-mentioned indicator has been obtained, which can provide assistance to the application of ice boom in the water transport process during ice period in the middle line of south-to-north water transfer project. Keywords：water conveyance during winter；ice boom；characteristics of cable force；the middle line of south-tonorth water transfer project
根据圣·劳伦斯河观测资料，认为冰块下潜的临界流 速 为 0.69,m/s ；Kivisild 分 析 认 为 该 临 界 流 速 为 0.61,m/s．北京市水利科学研究所分析京密引水原型 观测结果，认为在结冰期渠道断面平均流速应控制在 0.6,m/s 以下[4]．
在弗劳德数和流速指标控制下，可以计算渠道在 流凌期的输水能力．由于南水北调中线工程输水线 路长，沿线总会存在流凌渠段．因此，流凌期允许的 最大输水流量成为限制黄河以北渠段冰期输水能力 的瓶颈[6]．
试验组 1 2 3
表 2 试验条件 Tab.2 Test conditions
锚固点与水面的距离 0.050 0.050 0.025
m 冰厚 0.030 0.023 0.030
1 双缆网式拦冰索
图 1 南水北调中线工程原有拦冰索结构示意 Fig.1 Schematic diagram of original ice boom pattern in the
middle line of south-to-north water transfer project
双 缆 网 式 拦 冰 索 由 锚 固 桩 、钢 丝 绳 和 节 块 组 成．锚固桩固定于渠道两侧；钢丝绳为 2 根，并分别 通过卡扣分上下固定于渠道两侧的锚固桩上；节块由 漂木和拦冰网组成．拦冰网为网格状结构，其上、下 边缘与钢丝绳通过套环、定位卡扣等实现连接，见图 2．具体尺寸大小应根据当地冰情确定，确保节块在 水面上、下均具有一定高度前提下，以节块稳性系数 高者为优．
由于输水渠道中水流弗劳德数往往大于 0.02，所 以，拦冰索拦冰效果模型试验应按照重力相似准则 设计．
模型试验在天津大学冰力学与冰工程试验室进 行，为避免尺寸效应影响，模型几何比尺 1∶15，模型 参数见表 1．
3 试验结果分析
3.1 索力特性研究 图 4 为顺流向索力典型时程曲线．由图 4 可知，
拦冰索模型参数tab1modelsizeiceboom顺流向索力典型时程曲线fig4typicaltimehistorycurvecableforcedownstreamdirection按照破冰冰厚和水位体现为拦冰索锚固点与水面的距离的不同划分了验参数见表个试验组开展试验试试验研究发现拦冰索平衡期索力均值与水位破冰冰厚和流速有关其变化特点见表试验条件tab2testconditions平衡期索力均值变化规律tab3variationaveragecableforceduringequilibriumphase在冰试验室中降温制冰直至目标冰厚将冰盖破碎为不同尺度的冰凌
者和创新团队发展计划”创新团队资助项目(IRT0851)；“十一五”国家科技支撑计划重大资助项目(2006BAB04A12). 作者简介：赵 新（1984— ），男，博士研究生，jolson@. 通讯作者：练继建，jjlian@.
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凌与结构物接触后，能量传递效率与冰凌自身的强 度 有 关 ，因 此 ，冰 力 模 型 试 验 又 具 有 材 料 试 验 的 特点[8]．
首先，从流体模型试验角度考虑，模型试验应遵 从重力相似准则．其次，从材料试验角度考虑，当结 构所受冰力依赖于速度时，重力相似准则发挥主要作 用[9]．如 Lau 等[10]在正椎体的冰力模型试验中发现， 当弗劳德数大于 0.02 时，重力相似准则在冰与椎体 作用中起主要作用．这一结论在天津大学冰工程实 验室模型试验中也得到了验证[8,11]．
南水北调中线工程冰期输水过程中拦冰索的应用提供依据．
关键词：冰期输水；拦冰索；索力特性；南水北调中线工程
中图分类号：TV68；TV86
文献标志码：A
文章编号：0493-2137(2012)11-0953-05
Model Test on Net-Style Ice Boom with Two Axes
鉴于拦冰索的重要作用，对南水北调中线工程原 拦冰索设计形式开展模型试验，见图 1．试验发现其 在低流速下对冰絮有一定阻滞作用，有利于稳定冰盖 的形成；但其对于冰凌的拦截效果较差．在动冰作用 下，容易发生翻滚而失效，冰凌将从拦冰索上方或下 方通过．
在分析原拦冰索失效原因的基础上，对其形式进 行优化、改进，最终提出双缆网式拦冰索．
2 物理模型试验
双缆网式拦冰索拦冰效果模型试验属于冰力 模型试验．冰力模型试验具有流体模型试验和材料 试验的双重特性．一方面，冰凌汇集水流和风的能量 后，在运动过程中通过接触作用力，将能量传递给结 构物，所以，其具有流体试验的特点；另一方面，冰
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赵 新等：双缆网式拦冰索模型试验
拦冰索从开始发挥作用到失效可以划分为 3 个阶段： ①发展期，拦冰索阻滞的冰凌数量逐渐增多，索力逐 渐增大；②平衡期，拦冰索达到极限拦冰能力，冰凌 堆积体内部调整，索力均值变化较小，间或出现极大 值；③失效期，拦蓄冰量超过拦冰索极限拦冰能力， 冰凌堆积体从拦冰索上部或下部通过，索力迅速减 小．因此，宜采用平衡期顺流向索力均值作为拦冰索 拦冰能力的衡量指标．