水内冰冰塞堆积演变的研究

水内冰冰塞堆积演变的研究 水内冰冰塞堆积演变的研究 ?辑睦.】缄暂. 水利 SHUlLIX【t13A0旃8蝴 /I 6I水内冰冰塞堆积演变的研究 J 堕志垫汪德胜 皓邛引p 提要/ 文根据黄河河曲段A年的冰睛资料,讲究了浚河段冰寒演变段冰期水位变化的规律 崔立了冰塞运动有关参数的关系式在此基础L,对实骑室模拟冰塞的运动进行了分析研究研 究表明:实验室模拟冰塞的演变规律与天然冰寒的演变规律相似. 关键词球塞,水内冰花,初始l孚衡冰塞,平衡冰寒,水浸冰弗浊德数 一 ,引言: 黄河河曲河段对地处黄河巾游的大北T=流f,处于北纬39.一40..东径】10 一 1l2.之间,J=龙口峡谷f断而1).F到黄河天桥水力发电厂坝前(断面22),A长 70km. 1982年初,该河段发生了严重的冰灾,冰盖和冰花的最大厚度分别为1lOm和 9.30m河段的最大储冰量为8638万m,使北元至龙口的13kin多河段的沿河村庄, 农田等受淹,造成了巨大的经济损失. 为此,自1982年冬开始,在该河段上先后布了22个观测断面,见图1.观测的 主要内容有:气温,水温,流凌密度,水位,来水流量,冰盖厚度,冰花厚度,河床演 变,部分断面冰期的流速分布等 研究表明,受内蒙河段的影响,河曲段冰期流量的变化一般呈前后期大,中期小的 马鞍"形.据河曲水文站197o_一1987年日平均流量统计(1969年上游刘家峡水库运用后 的系列),l1月至来年3月的多年月平均流量依次为637,409,481,547和 740m/S. 据河曲水文站197一l988年的资料分析,该于呵段的平均流凌日期为l1月20日, 平均封冻日期为l2月4日平均开河日期为来年的3月23日,平均流凌历时为14 天,平均封冻历时为109天 二,河曲段冰塞演变及水位变化的分析m 河曲段内的石窑弯道,曲率半径为07kin,凹岸有一矶头样石嘴凸向河中,形成 本文F1991年11月5同收到系曰家自然科学基金{搿助项口 一 42— 天然的#口.该皇』=河床窄深.比降较缓.^:桥电r建成前,历年在此首先插凌封河, d1此冰盖延伸到龙口附近,历年平均封冻长度约为33kri]龙口以卜为流凌而不封冻的 敞流河段,是产冰的场所,窑以河段在电r运行前一般不封冻. 电厂建成后,石窑以的河段历年均圭j琼,从历年的观测资料可相j,泳期.E游 敞流段源源而来的水内冰花绝大鄢舒玎需至毙u之间的河段,少部分的冰托进入 石窑至电厂fuj的河段,也就是说,曲河段初封冰塞形成以后,石窑h至龙口的北元 河段冰塞后期演变得剧烈,Jffi石窑至天桥电厂坝前的石窑冰塞的演变幅度小,即河 曲河段冰塞应分为两个性质不同的冰塞:北元冰塞及石窑冰塞,冰期,前者有丰富的 . 来冰量,而后者来冰量较小. (一)冰塞演变及水位变化的规律从整个冰期来看,沿河段冰塞的演变与水位的 变化是完全协调一致的,冰塞的演变及水位的变化不仅取决于来流条件,同时,也受来 冰条件的影响…冰期,冰塞的演变及水位的变化具有五个不同的变化过程,见图 2.1,当河段开始自下游向上游封冻时,冰塞体是随冰盖的延伸由下游向上游发展的, 沿河水位也是随冰塞体的发展自下游向上游逐步壅高的;2,全河段形成初封冰塞以 后,由游冰塞前缘潜人的水内冰花.几乎全部上浮并堆积在冰塞的部河段,而冰塞 的下部河段在得不到冰花补给的情况下,原有的冰塞厚度反会有所减小,全河段的水位 则出现了t涨下跌的变化;3,稳封期.由:上游冰花的源源不断,封冻前缘冰盖F的 冰花越积越多,过水断面也越来越小,致使河水位进一步壅高,冰塞下水流流速进一步 增大,导致冰盖下的水内冰花逐步向F游转移,此时,冰塞体又自上游向下游逐渐增 大,水位也自上而下逐渐壅高;4,1月下旬前后,气温降至年度最低值,上游敞流段 水内冰花来量也达最大强度,此时,冰塞前缘附近的冰塞最厚,壅水最高,输冰能力最 大.随着气温的回升,上游来冰量逐渐减小,同时,由于冰花向下游的输送,F游河段 冰塞的厚度增加,而冰塞前缘的厚度反而减小,此时,水位呈上跌下涨的现象;5,开 河前,上游来冰量很小,全河段的冰塞厚度明显减小,沿河水位普遍下跌. 圈l黄河河曲段平面图 日? 图2黄河河曲段【98】98年球期 水{,冰塞度及水流量过程线 (--)vk塞演变与有关物理量的关系冰期对冰塞演变的影响主要因素有:1.河段 ?一43— 的河谷比降;2.河段的来水量,来冰组成及其变化过程;3.河段来水量及其变化过 程;4.河段来沙量,来沙组成及其变化过程;5河段的河床形态及其地质情况. 河段的来冰量及其组成,直接影响冰塞体的大小,同样的水流条件,来冰量越大, 冰塞体则越大,对过水断面阻塞就越严重,断面流速则增大;反之,冰塞体越小,冰下 流速也随之变小. 影响冰塞演变的4,5州项因素,主要是从河床演变方面考虑.研究表明:冰塞演 变与河床演变是相辅相成的,随着水流条件的改变,河床会出现冲刷或回淤,但是,在 研究冰塞演变时,河床的演变已体现在冰塞的演变之中,所以,对河床之演变不作阐 述. 由此,把影响冰塞演变的有关参数表示成一般计算式: ,l【,,h?J,H^,-?g,P?P,djD,,q,b,0,(1) 式中:H为平均总水深;v为冰塞下的平均流速;h为冰塞下的平均水深;J为水面比 降;和H分别为河床及冰塞之糙率;p和P分别为冰,水的密度;为冰花颗粒之 中值粒径为冰花颗粒粒径的均方差;q为河道的单宽来冰量;t为冰塞的平均厚 度;b为河宽. 根据曼宁公式等方程可知: V:v(d,h,.,",…),(2) qqr【H,,d0-.-..)(3) 根据式(1),(2),(3),删去式(1)中的一些非独立变量及次要因素,得: (H,h.g,P,P,t.d)=0,(4) 经分析研究得: h/H:,(/-/gt.P/P,d/).(5) 由于本河段的P/P变化很小,亦为次要变量,忽略不计.而本河段的冰花为松散 的,较均一的颗粒,所以/t暂不作变量考虑,即认为河段内冰花特性沿河不变则 式(5)可简化为: h/H:K(v/.1gt).(6) 根据北元冰塞6年的185组实测资料及石窑冰塞6年的334组实测资料分析可 知,h/H与/qgf关系密切,见图3及图4 44—— 图3北元冰塞参数相关图 i 图4石窑冰塞参数相关图 其中,北元冰塞运动的有关参数计算式: h/H=00238(/g)..' h/H与/qgt两系列的相关系数为0767 石窑b冰塞运动的有关参数计算式: h/H=0.9348(v/gt1……, h/H与v/qgt两系列的相关系数0.660. (8) 上式中,h/H为表征冰塞程度的参数,而v/称之为水浸冰佛汝德数 是表征冰塞运动的参数 从图3及图4中看出,由_丁=来冰条件的不同,冰塞的演变也不同,对于北元冰塞 水浸冰佛汝德数越大,冰塞堵塞得越严蕈;而对于壬窑b冰塞,水浸冰佛汝德数越大 冰塞的堵塞程度则越小. 三,冰塞演变的试验研究 . 基于河曲段冰塞演变的原型观测研究,为了对原型研究结果进行验证及进一步探求 冰塞演变的规律,进行了水内冰冰塞的试验研究 (-.)模拟材料及试验水槽本试验采用的模拟冰粒为半精炼石蜡加工成均一的5× 5xmm的小立方体经测试率定,石蜡的密度为0.903g/cm接近于天然冰的密度 (0.917g/cm)冰粒间的平均空隙率为418%,平均容重为05225g/cm.模拟冰盖 采用的是轻质泡沫塑料板.根据试验,建造了一座具有单独供木系统的二元冰槽, 槽深60cm,宽50cm,以水泥抹面的槽底为平坡,槽身总长为36m,试验观测段为玻 璃槽壁,长263m,由两个直段和一半径为15m,中心角为180.,槽壁透明的有机玻 璃弯段组成. (二)初始冰塞的演变规律当固定冰盖延伸到水力作用较强,如河宽由宽变窄或底 坡由缓变陡的地方,冰盖前缘即不再向上发展,此时,上=游敞流段源源而来的水内冰便 随水流潜入冰盖下,最初堆积在冰盖前缘断面处,随着冰粒不断堆积,过水断面减小 流速增大,当流速大到使该断面处冰粒间的剪切力达到某一临界值时,后继的冰粒即被 冲走,井堆积在剪切力低于临界值的下一断面处,该处的几何边界类似于管流的扩散 段,于是,在冰塞前端出现一个范围不小的平轴涡流区,由于冰粒是贴近冰塞底面呈推 移状向下游移动的,当冰粒行近冰塞前端时,立即全部进入平轴涡流区,并随反向水流 堆积在冰塞前端,因此,初始冰塞维持一个初始平衡厚度向下游延伸 当试验水流稳定时,水面比降很小,沿程初始冰塞的平衡厚度及其相应水深基本一 致而处于一种初始的平衡状态初始冰塞的平衡厚度,随不同的水流条件而改变,鉴于 畅流时的水流条件是冰期水流条件的前期基础,所以,初始平衡冰塞的堵塞程度与畅流 时的流速vn及初始平衡冰塞的厚度等有较好的关系. 根据5场试验的20组实测资料的分析可知,h/H与/4gt两系列的关系密 切,相关系数为0.988,属显着性相关,见图5. h/H=10264(v/4g),….【9) (三)冰塞后期发展阶段的演变规律实验室模拟冰塞与黄河河曲段冰塞形成的过程 尽相同,所以,模拟冰塞的演变及水位的变化规律仅可分为三个过程,如图6所 45 示.1.当模拟冰粒下潜并在冰盖F开始堆积时,首先形成初始冰塞,当初始冰塞的自端 推进到某一断面时,该断面上的流速水头突然增大,水深略有减小,水位稍有下降这 时,初始冰塞前端下游的水位保持变,上游水位则随冰塞后期增大而升高:2初婚冰 塞形成以后,便进入后期发展阶段,随着历时的增加,上游的来冰量不断在冰塞卜堆 积.冰塞厚度不断增加,水位亦逐渐升高,:者之间的变化是协调一致的;3.当冰塞达 到平衡状态,即来冰量等于输冰量时,冰塞的厚度保持平衡厚度而不变,此时,上游源 源而来的冰粒穿过冰塞段而完全输出,各断面的水位及断面问的水面比降也相应地处于 平衡状态而不变. 1n_l12I14t51日I7 时(h) 圈5实验室中韧始平衡冰塞参数相关图6宴幢室中冰塞水亿厚度随时间变化过程 鉴于实验室中实验水槽尾门的影响(即通过改变尾门而改变畅流时的水力条件),所 以,在研究平衡冰塞的演变规律时,应考虑畅流时水力条件所造成的影响(即尾门的影 响),于是,用平衡冰塞时的水位增值A(平衡冰塞时的水位减去同条件下畅流时的水 位)表征平衡冰塞的水位变化,用平衡冰塞的冰塞厚度增值Af(平衡冰塞的厚度减去初 始平衡冰塞的厚度)表征平衡冰塞厚度的变化. 研究表明,平衡冰塞的堵塞程度/A)不仅与来冰量有关,与冰塞的长度及水浸 冰塞佛汝德数/gAt)均有关,如图7所示. 图中,,为模拟冰塞的长度;AL为计算断面至冰塞前缘的距离:Q为其上游的 来冰量;Q为来水流量;为平衡冰塞下的水流流速;h为冰塞下的平均有效水深. 从图中可以看出,对于同一断面(即AL/L为常数),当上游的来水含冰率(Q/Q) 相同时,水浸冰佛汝德数越大,冰塞的堵塞程度越Ib;反之.冰塞的堵塞程度则越大. 当v./,『PAf为一定值时,对于同一观测断面,上游的来水含冰率越人,冰塞堵塞得越 严重反之,冰塞堵塞得越轻.于是,得到冰塞处于平衡时的冰塞堵塞程度/AH1与 水浸冰佛汝德数(v/4gAt),上游来水含冰率(Q/Q)及冰塞的封冻长度率(?,/,)等 有关参数的关系式: 南_63"?().】n,【10) 其复相关数为O.980. —— 46—— ', 电 ^ ^ 一, 诚然,实验室中采用石蜡颗粒模拟天然河道中的水内冰仡颗粒.存在一定的问题 石蜡及冰属两种性质不同的材料,石蜡属憎水性材料,冰则属亲水性材料,但是,由于 他们均浸没于水中而上浮在冰盖底下作堆积运动且两者密度相近,所以,实验室模拟 冰塞演变的规律应与天然冰塞的演变规律相同,至于两者之间的换算关系,有待于进一 步的研究 在此,我们再回过头来讨论天然河段中冰塞运动的参数式比较式(7),(8)与(10) 可知,原型观测研究中没有体现上游来水含冰率及冰塞的封冻长度率等的影响,此外, 原型研究中分别以总水深及总冰塞厚度f代替水位增值?及冰塞厚度增值?f,这 是因为:1.由于条件的限制,在原形观测研究中,根本无法确定来冰量,顶多只能估 计一下流凌的密度,至于由丁紊流的掺混作用而在水中悬移运动的水内冰花量.更 是无 法确定,所以,在原型研究中,游来水含冰率无法考虑进去;2.河段封冻以后,由 厚度进行量侧,所以,在原型研究中,以代替?,以代替?f. .由于上述种种原因,所以导致原型研究中的运动参数h/H与/,/,陌系列的离 散度较大,但是,尽管如此,原型观测研究是实验室中对冰塞演变及水位变化研究 的基 础.. 致谢在本研究中,国际前任冰协i:席,美国陆军寒带地区研究和工程实验室 (USArmy CRREL)雪冰物理室主任GEFrankenstein先生在1991年4,5月访华期间,对本文初 稿提出过意 见,并带来了许多有关球塞研究的资料,谨此向他们表示诚挚的谢意 参考文献 (1)黄河水利委员会工务处,清华大学水利系,黄河下游凌汛.科学出版社,1979年 (2)孙肇初,姚昆中,周明,傅元文,黄河河曲段1982年1月冰害成因分析国家自然科 学基金 资助项目专题研究,1988年12月. (3)隋觉义,黄河河曲段冰塞水位的分析计算圆家自然科学基金资助项目专题研究 报告, 1988年l2月 (下转苇6页) Abstract Acalculationmode1forstructuralcomputationofpartiallyself-anchored cable—stayedaqueductandthemothodforcontrolofcabletensionduringconstruc- tionarepresentedinthispaper.Themode1andmethodaresucessfullyusedjnthe designandconstructionoftheJiu—ou—ShanaqueductinJiangxiprovince,which jsthefirstpartiallyself-anchoredcable-stayedaqueductinChina Keywordspartaillyself-anchored,cable—stayedaqueduct,structuralcom- putation,controlofcabletension,stateofrigidsupport,stateofelasticsupport. (上接第47页) [4]孙肇初,隋觉义,倪景贤,水内球冰塞的彤成和演变的试验研究.国家自然科学基 金资助 项日专题研究报告,l990年I2月 (5]隋觉义黄河北元河段h术塞糙率的初步探讨水文1991年第2期 (6]SpyridonBeltaosRivericeJamtheory.casestudies,andapplicationJournal— drau址Engineering,Vol109,No10,1983 C73ZhaochuSun,JueyiSui,CalculationofwaterleverinariverreachwithfraziliceJam Proceedingsofthe[OthIAHRInternationalSymposiumoniceProblems.Espoo, Finland,l990. Accumulationandevolutionoffrazilicejam SuiJueyiFangDaxianWangDesheng Department州CivilEnghteerJng.HecUnivers#y州~chndgv Abstraet BasedonthedataobservedforsixyearsinHequsectionontheYellowRiver, thelawsofevolutionofjceiitmandvariationofwaterleve1areinvestigated.Afor. mulatocalculatetheparametersrelatedtojceammovementjsestablished.Theice jammovementisalsosimulatedinlaboratory.Comparisonbetweendataandla- boratorytestingresultsrevealsthatthesimilarityoftheevolutionlawsoftheicejam inlaboratoryisgood. Keywordsicejam,frazilice,equilibriumicejam,initialequilibriumice jam,froudenumbberoficefloe. 6l一