河道冰盖输水过流能力分析

冬季输水河道形成冰盖后,湿周增大,水力半径减小,加之冰盖底面糙率的影响,致使河道过流能力减小。依据河北省大清河系南拒马河、大清河、白沟引河冰期输水观测成果,计算了不同河段冰盖糙率,分析了冰盖对河道过流能力的影响,以及试验河段冰盖糙率的变化范围和冰盖对河道过流能力的消减幅度,为冬季河(渠)道冰盖输水提供了参考依据。     

河道冰盖输水过流能力分析

冬季输水河道形成冰盖后，湿周增大，水力半径减小，加之冰盖底面糙率的影响，致使河道过流能力减小。依据河北省大清河系南拒马河、大清河、白沟引冰期输水观测成果，计算了不同河段水盖糙率，分析了冰盖对河道过流能力的影响，以及试验河段冰盖糙率的变化范围和冰盖对河道过流能力的消减幅度，为冬季河（渠）道冰盖输水提供了参考依据。     

冰盖河渠水深平均流速的横向分布

以Reynolds平均的Navier-Stokes紊流方程为基础,提出了冰盖河渠恒定流的水深平均流速的横向分布准二维模型,该模型包括了河渠流动的一些关键三维紊流因素,不仅适用均匀流和非均匀流,而且适用于明流和断面部分冰封的流动。建立了综合阻力系数fd与河床糙率系数nb和冰盖糙率系数ni的函数关系,其中nb和ni可以是常数,也可以是横坐标y的函数。典型冰盖梯形明渠的算例表明,本文模型具有足够的计算精度,同时计算明流无因次涡流黏度λ的方法也适用于冰盖下流动。     

冰期河道糙率分析和计算方法研究现状的评述

本文对现有冰期河道糙率分析和计算方法的研究现状进行了综述，包括冰期河道阻力的组成；河道综合糙率，冰盖糙率，冰盖糙率和床面糙率间的关系；冰期河道综合糙率的各种计算方法以及冰盖糙率和床面糙率的计算方法，本文还用计算例对各种综合糙率计算方法进行了比较，并对产期糙率研究的问题和我国北方河流冰期观测等问题进行了讨论。     

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。     

北方河流冰期水流阻力分析

本文通过由流速分布推求冰期河道冰盖糙率系数,提出了由流速分布推算冰盖及河床糙率的计算方法,同时考虑冰盖影响区与河床的流速分布,确定最大流速位置,阐述了冰盖对水流的阻力是研究河道冰情演变及其运动规律的依据.并对河道冰期形成冰盖,其阻力使河道水位升高、过流能力降低、水位流量关系改变.流速分布推算冰盖及河床糙率的计算方法进行了分析.为北方地区基层测站的冰期测验工作提供参考.     

明渠冰盖下流动的综合糙率

明渠冰盖下流动的综合糙率nc是确定冰期水位和流量关系的关键参数,本文根据冰盖区和床面区的边界条件和流量的连续性条件提出了通用的综合糙率公式,研究了冰盖下一般矩形明渠和宽浅明渠流速分布及流速比a对综合糙率nc的影响,在此基础上,计算分析比较了通用综合糙率公式、Einstein公式、Belokon-Sabaneev公式和Larsen公式的差异和使用条件,结果表明:对于宽深比b/H较小的矩形明渠,采用Belokon-Sabaneev公式将产生很大的计算偏差,Larsen公式只适合宽浅明渠,而Einstein公式是通用综合糙率公式的最好近似,推荐在工程设计中采用。     

含竖向杆件的半圆形明渠糙率研究

TBM掘进机轨道常采用工字钢支撑,明渠底部设置工字钢后会降低其过水能力。为了定量研究明渠底部设置工字钢后对其糙率的影响,引入了等效水力参数的概念,对工字钢产生的等效附加糙率进行了理论分析。此外,结合某实际工程,通过模型试验研究,测量了设有工字钢的半圆形明渠在不同流量下的水深,采用假定糙率试算法、逐段计算糙率法对其综合糙率进行了计算分析。研究结果表明,建立的"糙率条带计算法+等效附加糙率计算法"得到的综合糙率值与模型试验值吻合良好,可采用理论计算方法估算半圆形明渠底部设置竖向杆件后的综合糙率。     

冰情模型中不确定参数的影响特性分析

数学模型中参数的不确定性直接影响到模拟结果的不确定性。以南水北调中线工程冬季输水为例,根据实测和设计资料,采用自主开发的大型长距离调水工程冬季输水冰情数值模拟平台,重点分析了冰情数学模型中单一参数（冰期冰盖糙率、大气与冰盖的热交换系数）的不确定性对冰期冰盖形成、发展、消融和水位、流量等要素的影响,并计算给出了一般规律。研究表明,初始冰盖糙率的不确定性对典型年冰期水力学要素的变化过程影响较大,主要反映在沿程各计算断面的水位、流量波动以及结冰期冰盖前缘动态发展模式上,而对冰情范围及与冰相关的变量变化过程无影响。大气与冰盖的热交换系数的不确定性直接影响到最大冰盖厚度的模拟结果,而对冰盖的发展规律影响不大。建议及早准备开展中线工程冰期输水原型观测工作,对上述不确定参数进行率定。     

关于冰盖流研究应用Einstein假定的探讨

以二维紊流为例,从理论上对冰盖流研究中应用Einstein假定进行了分析,认为:①冰盖流的水流并不能简单分区;②若假定冰盖区和床面区的能坡相等,则水力半径分割法在宽浅河流上应用时将导致谬误;③若假定冰盖区、床面区及过流断面的平均流速相等,则会推导出冰盖糙率和床面糙率相等的谬论.因此,在冰盖流研究中应用Einstein假定值得商榷.     

水动力学模型在引水隧洞糙率反推及过流能力复核中的应用

引水隧洞受闸门启闭影响,其水流大都为非恒定流,传统方法采用恒定流模型进行糙率,存在一定偏差。为提高糙率反推精准度,文中以辽宁省某引水隧洞工程为实例,结合水动力学模型进行糙率反推,并对其过水能力进行复核计算。结果表明:和原型观测数据对比,采用水动力学模型的糙率反推值更为合理,引水隧洞可满足现状过水能力设计要求。     

有冰盖明渠输水能力的计算

本文考虑了冰盖及渠道边壁阻力对水流的影响,提出有冰盖渠道过水能力的计算式,供应用参考。     

大清河系观测河段及南水北调 中线方案冰情计算分析①

为研究南水北调中线方案总干渠冰期输水问题，通过对大清河系冰情分析、水位水温验证计算及冰情影响计算表明：建立的一维非恒定水力学和水温数学模型可行且验证精度较高；观测河段无冰盖时糙率为０．０２～０．０３，有冰盖时糙率增加到０．０３～０．０４；假定不出现冰情，观测河段水位将下降０．１～０．４ ｍ ，过流能力将提高３０％ ～６５％ 。总干渠与大清河冰情对比分析表明：冬季冰期输水期间，总干渠可以不考虑岸冰和底冰，并且难以形成静态稳定冰盖，水内冰、水面流冰、冰塞和冰坝的出现和存在将不同程度上影响总干渠的糙率、水位和输水能力。     

大清河系观测河段及南水北调中线方案冰情计算分析

 为研究南水北调中线方案总干渠冰期输水问题，通过对大清河系冰情分析、水位水温验证计算及冰情影响计算表明：建立的一维非恒定水力学和水温数学模型可行且验证精度较高；观测河段无冰盖时糙率为002～003，有冰盖时糙率增加到003～004；假定不出现冰情，观测河段水位将下降01～04 m，过流能力将提高30%～65%。总干渠与大清河冰情对比分析表明：冬季冰期输水期间，总干渠可以不考虑岸冰和底冰，并且难以形成静态稳定冰盖，水内冰、水面流冰、冰塞和冰坝的出现和存在将不同程度上影响总干渠的糙率、水位和输水能力。     

基于水动力学方法的输水隧洞糙率反推及过水能力复核分析

输水隧洞水流受闸门起闭影响大都为非恒定流,传统恒定流方法很难实现输水隧洞糙率的准确计算。为此基于水动力学方法,以辽宁某输水工程为实例,对该输水工程的糙率进行反推并对设计过水能力进行复核。结果表明:相比于传统方法,水动力学模型在糙率反推精度上具有明显改善,可提高设计过水能力复核的精准性。     

珠江三角洲水资源配置工程输水隧洞糙率取值范围研究

珠江三角洲水资源配置工程采用泵压输水,长期运行后隧洞内壁受淡水壳菜生长附着影响,过水断面减小,糙率和水头损失增加,在保证设计流量前提下,要求泵组扬程加大,这种由生物生长产生的动态糙率,将对泵组选型产生影响,如何在设计之初确定糙率变化范围,在缺少先例的情况下,需要对输水隧洞的检修条件、长度、是否有压流等方面综合研究确定.     

不可忽视渠道糙率的变化

近年来。在多泥沙河流上引水的一些灌区,用混凝土衬砌的渠道杂质及泥沙淤积,使过水断面减小,糙率相应增大,输水能力骤降。管理单位每年投入大量的人力和资金进行清淤,但效果甚微,成为管理上的一大难题。泥沙杂质沉积渠道,改变了原来混凝土渠槽的边界条件。直观上是设计过水断面的减小。但往往泥砂、垃圾、砖石等杂质在渠床上沉积厚度并不大,阻水影响也不明显,但却使渠床糙率改变,这种糙率改变对衬砌渠道的过流影响相当惊人。     

封冻河道的阻力研究

冰盖引起的流动阻力是研究河冰生消演变及其运动规律的关键问题之一。封冻阻力使河流水位壅高、过流能力降低、水位流量关系改变。本文应用 Prandtl半经验紊流理论，推导得到封冻河道水力要素间的理论关系表达式，并对冰盖影响区与床面影响区的交界位置进行了分析讨论；对由流速分布推算冰盖及河床糙率的计算方法进行了研究，并与现场实测资料进行了验证。     

冰盖下散粒体泥沙起动流速的试验研究

本文通过水槽试验，对模拟冰盖流的河床泥沙起动流速进行了试验研究，探讨了冰盖流下河床泥沙起动流速的变化规律。试验表明:冰盖下泥沙起动流速与冰盖及槽底糙率的相对比值有关。     

冰封期黄河悬移质泥沙分布特性研究

冬季冰盖的形成,导致河道水流特性较敞流期发生改变,进而影响悬移质泥沙浓度及垂线分布。本文选定黄河内蒙古下游段为研究区域,通过冬季野外采样及室内检测,研究冰封期黄河悬移质泥沙浓度及垂线分布特征,讨论冰封期河道综合糙率和冰盖厚度对含沙量大小的影响,建立冰厚与各取样垂线平均含沙量之间的相关关系模型,其精度达85%以上。