融冰期加厚冰盖糙率物理模型试验研究

流凌期输水能力可能成为制约输水工程冰期输水能力的瓶颈,而流凌期允许冰凌下潜,采用加厚冰盖下输水方式运行可以有效提高工程输水能力。加厚冰盖糙率的合理选择直接影响加厚冰盖形成后渠道水位和过流能力计算的正确性,但是加厚冰盖的糙率受到多种因素的影响,见刊的实测资料中,其糙率分布范围很宽。现以冻结模型冰为试验材料,以南水北调中线工程总干渠为原型,通过物理模型试验研究得到:输水渠道融冰期加厚冰盖形成初期糙率约为0.029,以供南水北调中线工程冰期输水调度和冰害防治提供参考。试验研究同时表明:水力加厚冰盖底面的最大水流弗劳德数取值0.09是合适的;力学加厚冰盖前缘都是水力加厚类型的,其长度大约与水面宽度相近;力学加厚冰盖形成和发展的过程是这样的一个循环:前缘发展→推挤增厚→前缘发展。     

基于真冰模型试验的冰盖稳定性研究

南水北调中线工程在冰期输水过程中宜采用冰盖下输水的方式,输水过程中维持冰盖稳定性 成为输水成功与否的关键。鉴于输水渠道和天然河道的冰盖稳定性不同,本文以真冰为试验对象,开 展了冰盖减压试验和冰盖增压试验,研究了冰盖稳定性与冰盖下水压力之间的关系。研究发现随着冰 盖宽度的增加,冰盖下极限水压力升、降幅度先增大,后减小;而随着冰盖厚度的增加,冰盖下极限 水压力降幅减小,升幅增大。同时由于冰盖对于水压力上升的承受能力显著强于水压力下降。为此, 建议稳定冰盖形成后,应适当调高水位运行,以利于保持冰盖稳定性。     

南水北调中线干渠冰期输水能力研究

冰盖的形成使得渠道的湿周增加,水力半径减小,输水阻力加大,致使渠道过流能力减小,影响渠道的冬季输水。渠道冰期的输水能力无论对工程设计,还是运行管理都是十分重要的。文章分析了结冰期冰盖的安全推进模式和稳定封冻期渠道水位壅高的影响,提出了确定渠道在结冰期和稳定封冻期的输水能力的控制指标,在此基础上,对南水北调中线黄河以北渠段结冰期以及完全封冻后的输水能力进行了研究,确定了南水北调中线黄河以北干渠的冬季输水能力,研究成果对于南水北调中线干渠的冬季管理和运行具有一定的参考价值。     

长距离渠系融冰期自动化控制模式研究

开河前,冰盖糙率增加造成渠道水位上涨,有武开河的可能,易形成冰坝;开河时的水力半径和综合糙率突变造成渠道水位陡降,存在渠道衬砌破坏的危险。本文通过分析渠系融冰期的水力响应特性,从渠系运行安全(水位波动幅度和波动速率较小)角度提出渠系融冰期安全输水模式——适时适量的调节各分水口取水量,基于冰情预报建立了渠系融冰期自动化控制管理模型。该模型在渠系安全高效运行的基础上可加快渠系由冰期输水转为正常输水的过程,增大了渠系的输水效益。融冰期的冰盖糙率变化过程是影响渠系水位波动和流量调节量的重要因素,需要通过不同气象条件和流量下的详细原型观测进行分析。     

长距离明渠系统反向输水冰情模拟

针对长距离明渠-闸门-泵站系统冬季反向输水可能出现的冰问题,以南水北调来水调入密云水库调蓄工程为研究对象,升级开发了调水工程冬季输水冰情数值模拟平台。根据实测气象资料和设计资料,对冰情数学模型中的相关参数进行了率定和检验。在此基础上,研究了冰期明渠反向安全输水的水力约束条件,通过模拟调蓄工程典型气温年工况下畅流期、冰盖形成期、稳封期、消融期等冰情演变过程,分析了反向输水的输水能力和冰情特性,并与正向冰期输水能力进行了对比。计算表明,通过控制抽水流量使各渠段泵吸水口拦冰(拦污)设施、倒虹吸或闸门位置处断面佛汝德数满足快速成冰的约束条件,可以保证反向输水;典型年气温下沿程冰厚略小于正向输水工况,且形成冰盖时最大水位波动为0.35 m;从冰封起始的12月中旬提前1~2周启动冬季输水运行工况较为适宜。研究成果可供决策管理部门在冰期制定北京多水源联合调度方案时参考。     

浅析长距离输水渠道冬季运行安全措施探讨

结合新疆某大型渠道长距离冬季非冰盖输水发电运行实践,摸清冰情、冰害及对输水产生的影响,分析研究冬季输水存在的问题,探索冰期输水安全措施,确保渠道工程安全和冰期输水安全,为今后的冬季输水管理提供参考。     

输水渠道冰盖增厚物理模型试验相似律研究

随着南水北调中线工程冰期输水相关问题研究的深入,理论研究成果亟需物理模型试验和原型观测数据的支持和验证,由于原型观测难度较大,且影响因素不可控,物理模型试验方法成为解决冰水力学问题的有效途径。现在国内外学者开展冰水力学模型试验的成果基础上,结合冰水力学理论研究成果,对以冻结模型冰为试验材料的输水渠道冰盖增厚物理模型试验相似律展开研究,并通过物理模型试验进行了验证。研究表明:冰凌下潜临界流速的比尺为λ0.5,水力加厚冰盖沉积厚度的比尺为λ,均遵循重力相似准则;对于力学加厚冰盖,由于冰凌黏结力不遵循重力相似准则,结冰期需设法控制黏结力;融冰期可按照重力相似准则设计,但需控制环境温度在结冰点以上,以减小冰凌间的黏结力;因此输水渠道冰盖增厚物理模型试验宜采用冻结模型冰为试验对象,试验应按照重力相似准则进行设计。     

斜卡水电站面板堆石坝三维渗流计算分析

采用有限元法,对斜卡水电站面板堆石坝进行了三维渗流计算分析,讨论了面板、防渗墙出现裂缝及帷幕灌浆劣化、帷幕减薄对三维渗流场分布和渗流量的影响。计算结果表明,由于斜卡坝址覆盖层深厚(45~100 m),加之基岩渗透性强,防渗墙和帷幕上下游水头差大,正常运行方案渗流量可达0.642 m3/s。面板和防渗墙出现裂缝对大坝整体渗流场影响较小,而通过坝面和防渗墙的流量显著增大;帷幕劣化或变薄使坝基渗流量明显增加。加厚帷幕和减小其渗透系数是加强防渗效果的有效措施。     

深覆盖层上面板堆石坝渗流与防渗墙变形特性研究

斜卡面板堆石坝最大坝高110 m,坝基覆盖层深厚（45～108 m）,基岩结构松散,渗透性较强。采用有限元法,对斜卡面板堆石坝及坝基进行了三维渗流及应力应变计算分析,讨论了帷幕厚度、深度与渗透系数对坝基渗流场的影响,分析了防渗墙在施工蓄水过程中的变形趋势以及趾板的沉降规律。结果表明,帷幕是防渗的薄弱环节,帷幕渗透系数增大与深度减小会使总流量显著增加;增大帷幕厚度可较大程度减小渗流量。防渗墙竣工期向上游变位,蓄水期受水推力作用向下游变形。防渗墙与连接板接合部位发生错动,但量值不大。     

高纬度地区渠道无冰盖输水的冰情控制研究

中国北方高纬度地区有一些渠道工程,因其建设年代早,受规划之初经济条件限制,未考虑冰期运行,仅在非冰期输水。随着经济发展,目前亟需实现冬季输水。但是受结构上的限制,这些渠道抗冰冻能力差,无法采取冰盖下输水或冰水二相流输水,通过加设保温盖板,防止渠道结冰,既可解决用水矛盾,又可节省工程改造投资,具有巨大的经济效益和社会效益。本研究根据传热学理论对加设保温盖板后的渠道水体失温过程进行理论分析,并在此基础上建立了设置保温盖板的一维渠道冰期输水数学模型,对加设保温盖板的冰期输水过程进行了模拟,分析了保温材料厚度、输水流量、出库水温等对冰期输水的影响,论证渠道冬季加设保温盖板输水的可行性。并提出了切实可行的冬季输水方案。研究成果对于冰期渠道安全输水和渠道改造都有一定的借鉴意义。     

河北省冰期调水水文特性分析

在北方冬季跨流域调水中,水流在年底至次年初发生结冰现象。输水河道在此期间,经过岸冰、冰花、溜冰、冰盖等冰情,造成河道输水水位抬升,流量变小,输水能力减低,且水位流量关系复杂。调水河道在冰寒加剧和高水位运行下,个别河段甚至出现冰塞、冰坝等冰灾现象,直接威胁到河道堤防安全,增加了输水管理的难度。研究分析冰期水流变化规律,对冰期输水监测及调度管理具有重要意义。     

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。     

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。     

南水北调水内冰对冰期输水的影响及分析

水内冰是北方地区河渠冰期输水出现的主要冰情之一,是形成流冰花、动态冰盖、冰塞的物质基础。根据1994~1997年3个冬季的冰期输水原型观测,归纳总结了水内冰的产生、发展、消失的变化规律及水内冰对冰期输水的影响。     

太阳辐射和地温对冰盖下水温的影响

太阳辐射可以透射穿过雪盖和冰盖与地温一起影响冰下水温的变化,加剧冰盖底部的融解和冲蚀,使得冰盖更易于崩溃开河。基于现有理论和原型观测研究成果,建立了描述太阳辐射在雪盖、冰盖和水体中的透射和吸收规律的数学模型;利用观测数据回归分析的方法,提出了太阳辐射可见光在水体中消光系数的参数化模型;然后研究了冰下水温的变化与太阳辐射和地温的函数关系。研究证实,冰下水温随太阳净辐射和地温的增加而升高,随雪厚和冰厚的增加而下降,并且与水体与冰盖的热交换系数成反比。此外,太阳辐射的透射可能使得开河期冰盖糙率不是减小,而是增大。     

南水北调中线工程输水冰情的初步分析

本文结合南水北调中线工程初步设计方案及在冬季输水运行的防凌要求，根据南水北调工程中线沿线各地区的多年气候、邻近河道冰情实测资料的统计，分析并得出了沿线各渠段地区的气候、邻近河流冰情的变化与特征。应用一维热平衡方程对三个不同气温典型年即冷年、平均年、暖年，以出库水温和邻近渠道表面温度为初始条件和边界条件，模拟干渠郑州至北京段沿程的水流温度变化，预测冰花起始时间、冰流量、冰盖形成及冰盖厚度。估算出沿程各河段主要断面过冰能力、预测各渠段的冰塞发生位置，冰盖形成及稳定性和冰下过流能力，阐明了在寒冷地区冬季输水防凌的必要条件和可行性。研究并提出了冬季输水的防凌害初步运行方案及防凌措施。     

冰期输水研究进展

高纬度寒冷地区的河流在冬季结冰是一种普遍现象。冰块堆积，堵塞和聚集形成的冰坝、冰盖和冰塞会导敛河道阻力增加，致使卜游水位上涨，并可能造成冰期洪水，建筑物破坏，航运不畅等危害。研究河冰形成和演变规律，寻求相出的解决办法保证冰期安全输水成为许多国家关心的重要问题。国内外一些学者通过原型观测，试验和数值模拟的方法对水内冰，岸冰，底冰，冰盖和冰塞的生成和演变，封冻河道的阻力、过流能力和水位变化等有关问题进行『，研究。前苏联，加拿大，北欧等国家和地区结合河冰研究的成果，在引水工程中采取各种有效措施，达到了冬季安全引水的目的，积累了许多有价值的经验。由于河冰问题的复杂性，已有的理论成果和工程经验还很不完善．需要进一步的研究。本文对上述河冰问题的研究成果以及冰期输水的一些工程经验作简单介绍。