封冻期冰塞对桥墩壅水的作用

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《工程与建设杂志》2014年第二期

1模拟结果分析

经过数值模拟后，得出不同工况下的最大壅水高度的20组数据结果见表1所列，并使用Origin软件绘制部分工况下的水面线分布图如图4和图5所示。1可以发现，冰塞存在时最大壅水高度，明显高于无冰塞时的情况。无冰塞时，最大壅水高度随进口流速增加而增大；冰塞厚度相同时，最大壅水高度也随进口流速增加而增大；给定进口流速时，最大壅水高度随着冰塞厚度增加而增大。桥墩本身会压缩水槽的水流，缩小桥墩附近过水断面积，必然会引起上游水位的抬高。而冰塞的存在，进一步破坏了水流的运动状态。将模型计算值与规范公式计算值相比较，对模型进行可靠性验证。

选用铁路规范，计算公式其中，v珔2m为桥墩附近的平均流速（m／s）；v珔20为断面的平均流速（m／s）；η为系数，按照表2所列进行选取，主要是按照河流的阻断流量，也可以认为是河道的压缩程度与设计流量的比值进行选取，忽略河岸边界层影响。无冰塞条件下，进口流速不同时规范计算值和模型计算值对比图如图6a所示，不同冰塞厚度条件下，规范计算值和模型计算值对比图如图6b所示。由图6a可知，无冰塞时，改变水槽的进口流速，模型的计算值较规范的计算值存在一定的偏差，规范计算值大于模型的计算值，增大了计算结果的安全性。当进口流速较小时，模型计算值与规范值比较接近，随着流速的增加，偏差逐渐增大。但是，总体上最大壅水高度与进口流速的增加而加大，两者的计算值在总体上表现的规律是一致的。由图6b可知，给定进口流速，改变冰塞厚度，规范计算值与模型计算值有较大的差别，规范计算值较模型计算值偏大，而且冰塞厚度较小时，两者计算的值却比较接近，随着冰塞厚度的增大，偏差也逐渐增大，两种计算结果规律也是一致的。同样，进口流速为0．20m／s、0．25m／s以及0．30m／s时，给定不同的冰塞厚度，均可以得出上述相似的规律。而规范计算值之所以大于规范计算值，主要是从工程安全的角度考虑，增加了工程设计与兴建的安全系数。

给定冰塞厚度，改变进口流速，根据泥沙推移质运动理论以及稳定冰塞阶段断面的平均流速、流量以及水面宽之间的经验公式为其中，Q为冰塞最高壅水时相应的流量（m3／s）；H为断面水深（m）；B为水面宽（m）；V为断面稳定平均流速（m／s）；β为经验系数，β的取值可依据表3所列选取。水槽平均比降0．01％，根据β值与河道平均比降建立相关关系，选取β为0．40。选取冰塞厚度为0．20m时模型计算值与公式计算值对比分析，如图7所示。由图7可知，给定冰塞厚度，改变进口流速时，模型计算值与经验公式计算值存在一定的偏差，随着进口流速的增加，偏差也逐渐增大，当流速较小时，两者比较接近。但是，总体呈现的变化趋势是一样的，最大壅水高度与进口流速正相关。同样，给定不同的冰塞厚度，即0．15、0．25、0．30m时，也可以得出上述类似的规律。另外，根据应用Π定理并结合黄河河曲段的实测数据得到的关系式（4）也可以发现这种规律，即随着进口流速的增加而加大，最大壅水高度随进口流速的增加而加大。其中，Ht为计算断面水深的平均值（m）；H为过水断面有效水深的平均值（m）；v为计算断面水流流速的平均值（m／s）。

2结束语

（1）无冰塞时，当进口流速较小时，模型计算值与规范值比较接近，随着流速的增加，偏差也逐渐增大，最大壅水高度随进口流速的增加而加大。（2）冰塞作用下，给定进口流速，改变冰塞厚度时，最大壅水高度随冰塞厚度的增加而加大，当冰塞厚度较小时，模型计算值与规范值比较接近，随着冰塞厚度的增加，偏差也逐渐增大。（3）冰塞作用下，给定冰塞厚度，改变进口流时，当流速较小时，模型计算值与经验公式计算值比较接近，随着进口流速的增加，偏差也逐渐增大，最大壅水高度随进口流速的增加而加大。

作者：程保磊单位：合肥工业大学土木与水利工程学院