弯槽冰塞水位试验研究

冰塞的出现造成河道上游水位壅高,常诱发凌洪灾害。天然河道并非理想直线而是蜿蜒曲折的,冰塞的堆积演变过程更为复杂,研究弯道冰塞水位变化规律对于北方河流的防凌工作具有重要意义。通过S形弯槽试验,分析弯槽冰塞水位变化特点及规律,并与直槽和天然河道进行对比。试验结果表明:冰塞水位壅高滞后于冰塞的增厚过程,且平衡冰塞水位增值随冰塞厚度的增加而增加,平衡冰塞水位相对增值随弗劳德数的增大而递减,弯槽平衡冰塞水位相对增值与直槽相比增幅较小。     

冰塞渗流阻力特性的实验研究

冰塞引起的上下游水位变化与内部水流阻力有关,其堆积演变形成的固液多孔介质中存在渗流问题,且渗流阻力对上下游水头压力具有一定影响。本研究基于实验室冰水力学模型实验,通过设定不同的水力条件,获取不同冰塞剖面形状及沿冰塞剖面累积方向冰盖下流速分布,采用非达西渗流理论对冰塞内渗流阻力进行率定,获得了渗流阻力能量损失的变化特征。结果表明,渗流阻力能量损失占总能量损失的比例为11%～21%,冰厚较大位置可达到42%,沿冰塞累积方向,渗流能量损失占比与冰厚和水深之比呈典型的正相关。渗流流量为河道内重要的槽蓄水量,孔隙率在0.39～0.51之间,冰厚与水深之比在0.6～1.4之间时,渗流流量占总流量的9%～26%。渗流流量的变化受孔隙率、冰塞结构及水力特征等共同影响,冰颗粒均匀且随机堆积情况下,冰塞厚度越厚,冰体排列越紧密,孔隙率和渗流系数越小,流体通过多孔介质的比表面积越大,渗流能量损失也越多。本研究进一步明晰了冰塞阻力机理及渗流阻力在冰塞中的重要性,为受凌汛灾害困扰流域解决实际问题提供理论科学依据。     

初始冰塞厚度与水流条件及冰流量关系的试验研究

初始冰塞厚度是冰塞研究的基础，对冰塞的后期增厚及平衡冰塞的形成与发展均有重要的影响。本文通过水槽试验，对初始冰塞厚度的形成及变化机理进行了试验研究，揭示了初始冰塞厚度与水流条件和冰流量等因素间的相互关系。试验表明：在室内水槽中定性研究冰塞的形成与发展机理等变化规律时，使用石蜡模型冰材料是可行的。     

初始冰塞厚度与水流条件及冰流量关系的试验研究

初始冰塞厚度是冰塞研究的基础，对冰塞的后期增厚及平衡冰塞的形成与发展均有重要的影响。本文通过水槽试验，对初始冰塞厚度的形成及变化机理进行了试验研究，揭示了初始冰塞厚度与水流条件和冰流量等因素间的相互关系。试验表明:在室内水槽中定性研究冰塞的形成与发展机理等变化规律时，使用石蜡模型冰材料是可行的     

Karl-Erich Lindenschmidt：洪水危险与风险评估、制图及防治措施

正Lindenschmidt副教授以加拿大温尼伯市(Winnipeg)的冰塞为例,介绍了加拿大河流冰塞通常形成的过程——上游的碎冰在下游完整的冰层前缘处堆积,阻挡水流,形成冰塞。不断堆积的碎冰导致冰塞逐渐增厚,同时碎冰的粗糙表面也增加了冰塞对水体的摩擦力,导致冰塞体上游的水位逐渐壅高。值得注意的是,当其他因素均保持不变时,即使冰塞底部仅仅向下游移动一小段距离,都会导致上游回水和冰塞形状发生变化,因此对冰塞的预测很难进行,可能需要采用随机法或蒙特卡洛(Monte-Carlo)算法。     

黄河宁蒙河段冰期洪水波运动过程中的变形分析

河道中冰盖的存在会影响到洪水波的演进变形。以黄河宁蒙河段为研究对象,将马斯京根法尝试应用于冰期洪水计算,分析了马斯京根法参数与糙率的关系,比较了冰盖冻结增厚和融化减薄过程对洪水波变形的影响差异。研究结果表明,将马斯京根法应用于冰期洪水计算是可行的;断面的糙率越大,洪水波传播时间越久,变形越大;冰盖冻结增厚过程中,洪水波的变形存在先增加再减少而后又增加的现象;冰盖融化减薄过程中,洪水波随冰厚的减薄而变形增大。相同冰厚下,两种过程的变形程度存在交点。交点之前的冰厚范围,冰盖融化减薄时的洪水波变形更大;交点之后的冰厚范围,冰盖冻结增厚时的洪水波变形更大。     

稳封期天然河道冰塞堆积的数值模拟

冬季寒区河道中容易出现冰塞,冰塞出现使过水断面减少,河道阻力增加,进而引发凌洪灾害。借鉴泥沙输运理论推导得到的冰塞面变形方程,并结合标准k-ε模型建立了稳封期天然河道冰塞堆积厚度的数值模拟计算模型,采用贴体坐标变换法将曲线网格转化为正交网格,控制方程离散求解采用有限体积法,选取同位网格方法将所有计算变量布置于同一控制体积,引入动量插值法和压力校正方程耦合求解速度压力场,进而求解冰塞面变形方程获得冰塞堆积厚度。选取黄河河曲段天然河道,应用模型计算得出了稳封期河道中的冰塞堆积厚度,对比实测资料表明,数值模拟与实测结果比较一致,验证了该数学模型的实效性,表明冰塞面变形方程可应用于天然河道冰塞堆积厚度的数值模拟计算。     

冰盖前缘冰块稳定性研究进展

冰块在冰盖或冰塞前缘的稳定性是冰塞演变研究的重要基础，是任何预测或预报冰塞演变相关数学模型不可缺少的部分。对国内外经典的冰块下潜研究文献进行了梳理，按照研究方法的不同，冰块下潜临界条件的研究大致可分为以原型观测为主、以理论分析为主和以试验研究为主的三个方面。无论是工程应用还是理论研究，流行的下潜判断是临界弗劳德数形式。经过分析，探讨了现有相关研究的不足之处，得出以下主要结论和今后的研究方向：临界弗劳德数影响因素众多，如水流、气象和冰本身的状况，因此，其值表现出范围变化，具有特定的场所性；迄今为止的冰块下潜研究基本忽略了冰块宽度效应，直接影响了下潜力矩和抗倾覆力矩的正确表达；冰块在下潜时，其底面的压力和分布变化的研究是非常重要的，而现有的研究尚有很多需要改进。     

2019—2020年度黄河头道拐断面冰厚增长影响因素分析

为了解黄河干流同一断面冰厚增长差异及其产生原因,依据2019—2020年度冬季对头道拐断面封冻期原型观测数据,分析冰厚增长方式以及负积温、流速、冰花等对冰厚增长的影响。结果表明:头道拐断面冰层上层由冰花冻结形成;距左岸400～500 m为非主流区且区间内测点的冰生长方式为热力学生长,主要形成柱状冰;距左岸500～740 m为主流区且区间内测点的冰生长方式以冰花堆积冻结为主,测点之间的冰厚差异大。随着冰厚的不断增长,冰厚单位度日增长量逐渐减小;冰层底部有冰花堆积的冰厚单位度日增长量大于无冰花堆积的情况;当冰厚增长到一定厚度时,有冰花和无冰花的冰厚单位度日增长量趋于一致。负积温是冰厚增长的主要影响因素,流速对冰厚增长有抑制作用,冰层底部存在冰花对冰厚增长有促进作用。     

江河冰塞糙率的分析研究

本文对江河冰塞糙率的主要研究成果进行了分析,指出了目前江河冰塞糙率研究成果的共同缺点是没有把冰塞糙率与水流强度及水流的含冰率联系起来,而认为冰塞糙率是冰厚或时间的函数。根据黄河河曲段6年的冰塞实测资料,建立了冰塞糙率与河床糙率的比值和水流佛汝德数的关系。据此,对实验室模拟冰塞糙率进行了分析研究,建立了模拟冰塞糙率与河床糙率的比值和水流佛汝德数及水流含冰率等关系式。文中还对一些问题进行了讨论,认为冰塞下水内冰花的堆积运动应与泥沙在河床上的运动相似。     

双桥墩条件下冰塞发展临界条件试验初步研究

河流中的桥墩改变了附近原有的水流特征,冬季可能对其附近冰塞的形成和演变产生影响。基于水槽模型试验,通过改变墩心距、墩径、墩形、冰水流量比和水流弗劳德数,分析了双桥墩条件下冰塞发展通过桥墩的临界条件。试验表明：冰塞能否发展通过桥墩所在断面存在临界弗劳德数,其值受墩心距、墩径、墩形和冰水流量比等因素控制,随着墩心距的减小或冰水流量比、墩径的增大,冰塞发展通过桥墩所在断面难度增大,方形墩相较于圆柱形墩难度增大;试验范围内,随着墩心距的减小,桥墩所处河道断面输冰能力增强,初始冰塞厚度增加,但冰塞平衡厚度减小。     

Impact of bridge pier on the stability of ice jam

River ice jam is one of the most important issues in rivers in cold regions during winter time. With the extra solid boundary due to the ice cover, the flow condition under ice-covered conditions is completely different from that of a open channel flow. The presence of bridge piers will further change the velocity field around the bridge piers. As a consequence, the formation and the accumulation of ice jams in the vicinity of the bridge pier will be affected. On the other side, the formation of an ice jam around the piers can cause extra turbulence to reduce the stability of a river bridge. The present study focuses on the stress analysis of the ice jam in the vicinity of a bridge pier. By developing a governing equation for describing the equilibrium state of an ice jam, the stability of the ice jam around bridge piers is analyzed and determined. As seen from the field data in literature, the stability estimations of an ice jam around bridge piers determined by the present method agree well with the field observations. Therefore, the proposed approach can be used for the prediction of the formation of ice jams around bridge piers.     

桥墩影响下弯槽冰塞形成临界条件和冰厚变化的试验研究

天然河道中,桥墩的存在改变了局部水流特性,对冰塞形成及演变产生影响。通过模型试验,研究了桥墩存在及桥墩位置不同时对冰塞演变过程的影响,试验结果表明:桥墩的存在改变了桥墩附近的水流结构,使得桥墩附近水流输冰能力相对增大,冰塞厚度减小;相比于将桥墩安置在两弯连接直道段,将桥墩安置于弯道顶点处时,桥墩附近水流输冰能力增大;在两弯连接的直道段和弯道顶点处同时放置桥墩时,弯道平衡冰塞厚度介于单墩放置于两弯连接的直道段与单墩放置于弯道顶点处时的弯道平衡冰塞厚度之间。     

黄河头道拐段冰输移及堆积过程数值模拟

头道拐河段因其特殊的河道形态及地理位置而成为黄河内蒙古段最易形成冰坝的河段,研究该河段河冰输移及堆积过程是理解内蒙古段河冰过程及卡冰结坝作用机理的关键。本文基于耦合的二维有限元水动力学模型和DPM(Discrete Parcel Method)河冰动力学模型,模拟了黄河头道拐河段2020—2021年冬季封河过程并进行了验证,讨论了不同水力条件、上游流凌密集度及河道形态对封河过程的影响。结果表明：相比于官牛犋弯道,河道弯曲率大、束窄程度高的什四份子弯道更易形成卡冰,且流量越小,卡冰作用越明显,冰盖向上游发展速度越快。河道流凌密集度小于0.4时,各种流量下研究河段未发生卡冰;流凌密集度增大至0.4,表面流冰首先在弯曲率系数较大的什四份子弯道处形成卡冰,随着流凌密集度和流量的进一步增大,下潜并输移到下游的流凌也会在官牛犋弯道形成卡冰,因此,头道拐河段形成卡冰的流凌密集度临界条件为0.4。应用冰水耦合二维动力学模型可以很好地模拟天然河道河冰输移、堆积过程中河道的水力特性、冰厚增长及封河形态,揭示了影响河冰过程的相关因素及作用机理,为黄河内蒙古段防凌减灾工作提供技术支撑。     

适用于明渠流及冰盖流的统一泥沙颗粒起动流速公式

为得到冰盖流条件下的非黏性泥沙起动公式,揭示冰期河道断面强烈冲淤变化的机理,基于Einstein假定,推导得到了同时适用于明渠流及冰盖流的统一的非黏性泥沙颗粒起动流速公式,所得公式与已有冰下泥沙起动流速试验数据符合良好。当冰盖糙率为0时,冰盖流泥沙颗粒起动流速公式即化为明渠流泥沙颗粒起动流速公式。应用所得公式,比较了明渠流、冰盖流、冰塞条件下的起动流速及可起动最大泥沙粒径关系,冰塞条件下起动流速最小,可起动最大泥沙粒径最大。2014年冰期黄河头道拐断面发生强烈冲淤变化,是冰花集聚形成冰塞引起可起动最大泥沙粒径增大所致。所得公式及所揭示机理,将为进一步深入研究河道冰期泥沙输移规律提供重要思路和参考。     

冰波运动特性及盖移质输冰能力研究

冰下盖移质冰颗粒集体运动时易形成一种特殊的冰情现象——冰波，其运动特性与冰塞形成、堆积演变及输冰能力密切相关。为探究冰波运动特性及盖移质输冰能力，借鉴泥沙输移理论，从理论层面建立了冰波运动的基本控制方程与盖移质输冰率方程，进一步推求了无量纲盖移质输冰强度（输冰能力）与水流强度的本构关系。结果表明:冰波形成需要一定的水力条件，冰波波高与背流面波长的变化及表征水流强度的弗劳德数Fr相关，同时也受水深、冰下阻力等因素的综合影响；建立的输冰率公式体现了输冰能力与水流条件的关系，且考虑了冰盖影响，优化了输冰能力的计算结果；总体上，输冰能力与水流强度呈复杂的函数关系，但水流强度仍是体现输冰能力的主要指标与便捷指标。研究结果可为寒区河流输冰能力的计算提供理论参考，同时可辅助揭示河流冰塞的形成机理。     

ICE JAMS IN A SMALL RIVER AND THE HEC-RAS MODELING

This paper describes a model of a 3.06km long river reach between two small reservoirs under both open flow and ice covering conditions for different operational settings of the stoplogs in the downstream reservoir. The HEC--RAS model developed by the Hydrological Engineering Center of US Army Corps of Engineers was used to compare different approaches in terms of flow velocity, water level and the Froude number. The impacts of heavily vegetated main channel and floodplain on ice accumulations were investigated. And it is shown that this vegetation plays a significant role in the formation of river ice jam during winter period and thus the vegetated channel has strong influence on ice flooding. In addition, the paper explores the impact both of the operation of the stoplogs during the winter period and the presence of the downstream dam on the accumulation of ice jam along this river reach.