黄河冰断裂韧度的巴西试验研究

断裂韧度在冰的破坏过程中是一个重要的参数,使用测定岩石力学性质的巴西试验方法测定黄河冰的断裂韧度,通过对有效的载荷—位移破坏过程曲线进行分析,结果表明黄河冰的断裂韧度受应变速率和温度的综合影响:随着应变速率的减小而增大,而随着温度的降低有所减小。黄河冰的断裂韧度与试验选取的试样尺寸关系不大,但试样尺寸的大小会影响试验的成功率。该试验成功率约为70%,可以认为巴西试验具有可行性。     

黄河封冻期河冰的劈裂性能试验研究

为研究黄河河道内天然河冰材料的力学性能,采用巴西圆盘劈拉试验方法,对黄河天然冰的劈拉强度和断裂韧度进行试验研究。试验过程中,冰样的控制温度分别为-3、-5、-7、-10、-15℃,冰样直径分别为60、70、80、100 mm。试验结果表明:温度在-15~-3℃范围内,黄河冰的劈拉强度随着温度的降低逐渐增大,断裂韧度随着温度的降低先减小,而后逐渐增大。此外,当冰样直径在60~100 mm范围内时,黄河冰的劈拉强度具有一定的尺寸效应,随着试样尺寸的增大,黄河冰的劈拉强度逐渐减小,而断裂韧度没有明显的变化。     

乌梁素海湖冰单轴压缩强度特征试验研究

为积累有关纯热力生长淡水柱状冰单轴压缩强度的实际资料,选择黄河河迹湖-乌梁素海的柱状冰制备试样。利用具有严格恒温控温和位移速度控制的电子万能试验机,对垂直冰面加载和平行冰面加载的二类试样进行-2℃、-5℃、-7℃、-10℃和-15℃下不同恒位移速度的试验,研究了应变速率、加载方向及温度对单轴压缩强度的影响。试验结果得到:相应温度下试样的单轴压缩强度随着应变速率的增加,存在先增高到峰值,之后再降低,最后趋于平稳的特征;冰样存在3种破坏形式:鼓胀破坏、剪切破坏和劈裂破坏;在试验温度范围内,冰强度随温度降低有着明显提高;试样单轴压缩强度随温度和应变速率的影响由一个二元统计关系表达;垂直冰面方向加载的试样强度比平行冰面方向加载试样强度大。对于乌梁素海的柱状冰,垂直冰面方向加载的试样峰值单轴压缩强度是平行冰面加载试样的2.1倍;出现峰值强度的应变速率随温度升高而增加;峰值强度随温度的变化能够采用对数函数表达。     

高速荷载下混凝土断裂性能的试验研究

本文对混凝土在高速荷载下裂缝的扩展及其断裂性能进行了试验研究。试验结果表明：裂缝扩展的最大速度及加速度随加载速率的增加而增加；动断裂韧度随裂缝扩展速率增加而增加；对应于峰值荷载的裂缝扩量展也随加载速率的增加而增加。     

混凝土Ⅱ型断裂韧度尺寸效应的试验研究

从试件尺寸为剪切断裂韧度的主要影响因素来考虑,制作了5组40个不同长度和高度的混凝土对称加载试件,通过对试件的荷载-裂缝尖端滑移位移曲线、荷载-应变曲线以及荷载-时间曲线的分析,研究了不同长度和高度对剪切断裂韧度的影响。试验结果表明,试件的稳定度会随着试件长度的增加而提高,随着试件高度的增加而降低;断裂韧度会随着试件长度的增加而增大,随着试件高度的增大而减小;断裂韧度的尺寸效应随着试件宽度的增加而减弱,随试件高度的增大而增强。     

纤维加筋黏土的Ⅰ型断裂韧度试验研究

纤维加筋土的抗拉裂性能对土工构筑物裂缝问题至关重要。针对目前土体断裂韧度测试方法的不足,引入了半圆弯曲NSCB试样,开展了纤维加筋土的I型断裂韧度试验,查明了纤维含量、纤维长度对纤维加筋黏土断裂韧度的影响规律。研究结果表明:在纯黏土中掺入纤维后,试样内部纤维与黏土的接触作用使得两者共同受力并协调变形,在三点弯曲加载作用下纤维加筋黏土具有更大的峰值荷载、峰值位移及断裂韧度;随着纤维掺量的增加,纤维加筋黏土的Ⅰ型断裂韧度K_(IC)先增大后减小,在纤维掺量为0.2%时断裂韧度达到最大;随着加筋长度的增加,纤维加筋黏土的Ⅰ型断裂韧度K_(IC)先增大后减小,当掺入纤维长度为12 mm时,纤维加筋土的断裂韧度最大。     

击实黏土剪切断裂韧度的试验研究

为研究黏性土剪切断裂韧度,研制了土体剪切断裂韧度测试仪,对黏性土进行了断裂韧度测试,验证了使用线弹性断裂力学来简化土体断裂韧度研究的合理性,并进行相关试验探讨了试样干密度、含水率和剪切速率对断裂韧度值的影响。结果表明:断裂韧度与试样干密度呈正相关,即随试样干密度的增大,土体断裂韧度值也增大,并拟合了两者之间的经验计算式;含水率对断裂韧度有很大影响,当含水率为13%~17%时,断裂韧度随含水率的增加先增后减,即存在一个断裂韧度值最大的最优含水率;当剪切速率在0.5~6.0 mm/min时,相对于干密度和含水率而言,剪切速率对断裂韧度值影响较小,同时土体含水率、裂缝深度、试样尺寸等因素均对土体断裂韧度有较大影响,需要对其进行深入研究。     

黏土Ⅰ型断裂韧度影响因素试验

为研究击实黏土干密度、含水率对其断裂韧度的影响,把标准三点弯曲试验试样绕底部长边向前旋转90°,加载方向随之变为水平方向,使荷载的方向与重力方向垂直,从而消除自重对裂隙向土梁厚度、长度方向扩展的影响。对重庆地区罗系地层中的黏土岩风化形成的高塑限黏土进行了室内黏土Ⅰ型断裂韧度试验,总结了干密度、含水率对黏土断裂韧度的影响规律,结果表明,黏土Ⅰ型断裂韧度随其干密度的增大而增大,随其含水率的增大先增大后减小;存在一个最优含水率,此时断裂韧度取得最大值。     

内部裂缝缺陷对混凝土断裂性能的影响

为研究混凝土梁内部贯穿裂缝缺陷对其断裂性能的影响,设计了含不同裂缝缺陷混凝土梁的三点弯曲断裂试验,研究不同长度、位置及数量的水平裂缝缺陷对混凝土断裂性能的影响。通过试验测得的P-D_m曲线以及相关试验数据计算得到含不同裂缝缺陷的混凝土断裂参数与断裂能。对比结果可知:混凝土三点弯曲梁的起裂荷载和起裂韧度受水平裂缝缺陷参数变化的影响较小,而失稳荷载和失稳韧度受水平裂缝缺陷的影响较大;水平裂缝越长,试验测得其失稳荷载越小,计算得到的失稳韧度和断裂能也越小。水平裂缝距离试件的底部越近,试验测得其失稳荷载越小,计算得到的失稳韧度和断裂能也越小。水平裂缝数量越多,试验测得其失稳荷载越小,计算得到的失稳韧度越小,断裂能也越小。该现象表明混凝土试件中含线性缺陷导致材料的缺失量越大,其完全断裂所消耗的能量越小,且测得的断裂参数值也越小。     

龄期对碾压混凝土双K断裂参数影响的试验研究

为了研究龄期对碾压混凝土双K断裂参数的影响,制作了龄期为28,60,90 d共18个楔入劈拉碾压混凝土试件并进行了断裂试验,结合双K断裂参数公式,得到了不同龄期试件的有效裂缝长度、起裂断裂韧度和失稳断裂韧度等断裂参数,并分析了龄期对碾压混凝土断裂性能的影响。试验结果表明:起裂荷载和失稳荷载均随龄期的增大而增大,且起裂和失稳荷载的比值趋于稳定,伴随着龄期的增加,起裂荷载占失稳荷载的比重越来越大;龄期从28 d增加到90 d,起裂和失稳断裂韧度分别增加了0.216 0 MPa·m^1/2和 0.292 2 MPa·m^1/2,起裂和失稳断裂韧度的比值基本在0.5~0.6;有效裂纹长度随龄期的增大而减小,相同尺寸下,龄期越小,裂缝亚临界扩展量越大,试件的韧性越好。     

黄河冰单轴压缩强度的试验与影响因素探究

为进行黄河冰单轴压缩强度的试验,在黄河头道拐水文站附近取冰坯,加工成单轴压缩试验冰样,在实验室测试了其单轴压缩强度。试验温度分别为-3℃、-5℃、-7℃、-10℃、-15℃,应变速率范围10-7s~(-1)~10-2s~(-1)。试样按加载方向分为垂直冰面方向和平行冰面方向,分别测试75个和212个。试验得到250组有效数据,分析结果验证了单轴压缩强度的应变速率效应,建立了单轴压缩强度随应变速率变化的拟合公式;给出不同力学行为下的单轴压缩强度与温度和应变速率的统计关系,进而得到了宽应变速率范围下单轴压缩强度随温度变化的统计关系曲面。此外,试验还推断出河流流向与黄河冰单轴压缩强度之间不存在相关关系,垂直冰面方向加载试样的峰值强度比平行冰面方向加载试样的峰值强度高。     

2011-2012年度凌汛期黄河下游河道未封河原因浅析

2011-2012年度凌汛期,黄河下游河道9年来首次未封河。凌汛期内气温较往年无明显变化,1月上旬气温偏高;小浪底水库和西霞院水库联合调度,通过人为控制流量来干预黄河下游凌汛,12月下旬至1月上旬大流量下泄的动力和热力因素推迟了下游河道流凌的时间;黄河下游主河槽最小过流能力已经从2002年的1 800 m3/s提高到了4 000 m3/s,水流保持较大流速。受气温、流量、河槽形态等多方面综合影响,降低了黄河下游封河的可能性。     

河冰单轴压缩破坏过程细观数值仿真

为了解并认知河冰材料的内在属性,对黄河封冻期的河冰进行了现场取样观测并开展了单轴抗压破坏过程的物理试验,依据物理试验结果,在细观层面将河冰看成由晶粒、晶界、初始缺陷构成的非均质材料,给出了随机缺陷界面弹簧元模型模拟河冰单轴压缩强度的数值方法,模拟了河冰在单轴受压荷载作用下的开裂破坏过程,分析了初始缺陷分布和含量、晶粒尺寸等各相组分对河冰力学性能的影响。结果表明:随着初始缺陷含量的增加,河冰单轴压缩强度呈下降趋势,但下降幅度逐渐变缓;随着晶粒尺寸的增加,河冰单轴压缩强度呈降低趋势,且与晶粒尺寸d-1/2呈线性相关关系。与物理试验对比发现,该计算模型能较好地模拟黄河冰的单轴压缩强度和开裂过程。     

黄河宁蒙河段2009—2010年度凌情特点分析

分析了2009—2010年度黄河宁蒙河段凌情的特点及其成因:该年度凌情特点是流凌、封河早,封河发展呈阶梯状、封冻冰盖薄、槽蓄水量大、局部河段水位偏高、开河速度慢、开通日期晚、开河洪峰小、开河最大10 d水量大等;气温骤升骤降是造成上述特点的最主要因素,河道淤积、河道工程阻冰阻水、水库调度及人工分凌等是影响该年度凌情的重要因素。     

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。     

中巴地球资源一号02星在黄河凌汛监测中的应用

通过2003~2004年及2004~2005年两年度应用中巴地球资源一号卫星02星(简称CBERS-02)CCD数据进行黄河凌汛监测实践得出主要结论:CBERS-02具有较高的空间和光谱分辨率,对冰凌具有良好的识别能力,与GIS相结合,完全可以为黄河防汛减灾及黄河凌期的槽蓄水量计算、黄河流域生态环境的评价等应用决策提供帮助。利用CBERS-02的侧摆功能快速监测黄河凌灾,是利用国产卫星进行突发灾害监测的一个成功典范,对江河污染、洪涝灾害、山体滑坡等自然灾害的监测工作也具有很好的参考和借鉴价值。     

用气温和冰厚修正黄河冰内雷达波速的物理机理和参数化

黄河平封冰和立封冰中冰晶体间以水膜形式存在有未冻结的自由水和非自由水,其含量随冰温变化。理论上冰内雷达波速取决于冰体自身的晶体结构和组分,但冰内未冻水含量可对其产生明显的影响;冰内未冻水含量取决于冰温,冰温又受控于气温、辐射和冰厚。分析了黄河什四份子2020—2021年冬季气温和雷达探测冰厚数据,发现气温主导的未冻水含量变化是影响雷达准确探测平封冰厚度的首要因子。通过确定黄河冰-水界面热通量,并引入含有气温、辐射、风速、云量的一维冰热力学模型,结合13个钻孔实测冰厚,计算了与雷达探测冰厚时刻一致的1251个热力学模拟冰厚。在此基础上,分别获得了气温升高过程和降低过程中粒状冰、柱状冰内雷达波速受气温影响以及受气温和冰厚联合影响的统计关系。最终确定将气温和冰厚对雷达波速联合影响的统计关系作为平封冰雷达波速动态修正的参数化方案,依此将固定式雷达冰内雷达波速由常数更换为函数,从而提高了平封冰雷达冰厚探测的精度。根据黄河存在非冻结冰花和堆积碎冰块,建议开展不同类型冰厚探测研究。     

黄河源区河道冰凌特征变化及影响因素分析

黄河流域是我国凌汛灾害常发的地区,其中黄河源区是黄河上游凌情研究的空白区。为掌握该区域的凌情规律,对黄河沿-唐乃亥河段黄河沿、吉迈、玛曲3个常封断面的气象资料(1960-1987,2007-2011)和水文资料(1960-1987,2007-2011)进行研究,分析3个站的封河、开河日期以及冬季最大冰厚的变化规律,得出黄河源区封河从黄河沿附近开始向下游延伸,封河日期和开河日期均有推迟趋势,但总封冻天数在减少,冬季最大冰厚则各站趋势不同。通过对冬季气温、流量等因素进行分析,得出冬季累计负气温和冬季平均流量对于凌情主要特征的影响十分显著,可以作为预报因子进行进一步的研究。     

历史上的黄河凌汛灾害及原因

历史上黄河凌汛灾害严重，特别是清咸丰五年（1855年）铜瓦厢决口改道后至1955年的100年中，发生凌汛决溢的年份达29年，决口近百处，平均三年半就有1年发生凌汛灾害。山东为黄河凌汛灾害的重灾区。新中国成立后．分别于1951年和1955年凌汛期在山东利津发生漏洞决口；1951年在内蒙古河套河段浸溢决口达60余处：2001年又在宁蒙河段乌兰木头发生民堤溃决。凌汛灾害的产生，主要受河道形态、气温和河床流量等多方面因素的影响和制约。     

MM5在黄河流域降水和气温预报中的应用

基于NCEP再分析资料,利用中尺度数值预报模式MM5开展了黄河流域降水和气温预报工作,对其在2011年渭河流域典型降水过程及2011年宁蒙河段和黄河下游的气温预报效果进行分析检验。结果表明:MM5对渭河流域雨区分布、强度及强降水中心位置和量级的预报与实况比较吻合,模式能够正确反映渭河流域汛期降水的空间分布特征;对于气温预报,随着预报时效的延长,误差增大,但平均误差范围均在允许的误差范围内,尤其是对内蒙古河段凌情预报的关键站点-包头站,预报效果最佳。