摘要：随着城市供水与生态需水要求的提高,寒冷地区输水渠道冬季运行成为常态,目前冬季运行渠道抗冰冻破坏尚无评价准则与结构设计方法。针对此,基于冬季不输水渠道衬砌结构冻胀破坏的弹性地基梁模型,考虑冰推力、冰约束及渠基土冻胀力对结构的共同作用,在结构破坏的极限平衡状态下,推导得到冬季输水渠道冰盖运行工况下衬砌结构内力计算、应力计算及抗裂准则的解析表达式。通过静冰荷载影响系数、静水压力影响系数和冰冻荷载耦合系数的变化,可统一冬季有无冰盖输水及停水3种典型工况下衬砌结构内力、应力分布计算,进一步提出寒区衬砌渠道冰-冻破坏统一力学模型。以新疆某梯形渠道为研究原型,通过对衬砌坡板内力、应力及冰拔力计算分析,得到冰-冻破坏截面位置和各截面受力的分布规律。对无冰盖输水、带冰盖输水和无冰盖不输水3种典型梯形渠道力学模型进行内力计算对比分析表明,截面最大拉应力极大值分别为4.186、2.447和2.208 MPa,冬季无冰盖输水渠道冰冻破坏最严重(控制工况),无冰盖不输水冰冻破坏最轻,而冰盖运行介于两者中间,三者冰冻破坏规律差异较大。因此,在冬季输水衬砌渠道抗冰-冻设计中建议综合考虑3种典型工况,并按其破坏规律和力学模型进行安全性评价。

摘要：河冰是陆地冰冻圈的重要组成要素,在生消演变过程中影响水流运动规律,受冰凌影响河流流态可分为明流、完全冰封和部分冰封。为探究冰盖下水流的紊动特性,采用声学多普勒三维测速仪测量3种流态的恒定均匀流场,对比分析纵向时均流速、雷诺应力和紊动强度的分布规律。结果表明:完全冰封流纵向时均流速垂向上呈不对称“■”型分布,雷诺应力在垂向上线性分布,紊动强度在基于双层假定划分的冰盖层和床面层均符合指数分布律;部分冰封流纵向时均流速垂向分布兼具明流和完全冰封流的特性,存在横向动量交换,导致冰盖区、明流区和过渡区的雷诺应力和紊动强度在水深方向上也存在明显的差异。试验结果可为冰凌灾害防治和供水安全保障提供理论指导。

摘要：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。

摘要：南水北调中线工程自2014年12月全线通水以来已运行8个冬季,为防止冰塞冬季输水流量控制为设计流量的30%~50%,严重制约了工程输水效益的发挥。因此,渠道水温和冰盖特性一直是冬季输水关注的重点问题之一。实测数据表明:①冬季输水流量总体逐年增大,最末段保持相对稳定,岗头闸流量约为50 m^(3)s,北拒马河闸约为25 m^(3)s;②冬季气温总体以暖冬居多。保定站最低气温-22.0℃,3日滑动气温极值-10.7℃,短期强寒潮可能是今后冰盖生成的关键驱动因子;③冬季水温沿程逐渐降低,渠首陶岔闸最低水温6.7℃,渠末北拒马河闸多数年份降至0℃附近。北拒马河闸水温最大降幅10日内由3.5℃降至0℃,期间渠段水温降幅亦达到极大值1.69℃100 km。④2016年冬季冰盖最长达280 km(最南端延伸至午河闸),次之为2015年冬季的73 km和2021年冬季的38 km,有两个冬季未生成冰盖。岗头闸-北拒马河闸近90 km是冰盖多发渠段,应引起关注。基于冰盖生成前实测数据,以初始水温和区间气温为输水条件,拟合给出了2 d、3 d和7 d等不同预报时效的简化水温模型和冰盖生成临界阈值。初步分析认为:冬季气温和输水流量是冰盖生成的两大关键驱动因子,流量越小气温越低越易生成冰盖,1月出现的短期强寒潮更易于导致冰盖生成。2016年冬季严重冰情是二者叠加的结果,2015年冬季冰盖主要是输水流量小诱发,而2021年冬季冰盖主要是短期强寒潮所致。

摘要：基于桥墩局部冲刷原理,在水平护圈防冲措施的基础上,设计了一种能改变桥墩周围水流流态的新型防冲设施—钩环式护圈。为探究钩环式护圈对圆柱形桥墩局部冲刷的防护效果,采用不同形状的钩环式护圈进行室内物理模型试验,分析了桥墩周围的冲刷特征和水力特性。试验结果表明:当钩环式护圈的高度为1 cm、角度为135°且安装在床面时,防护效果最好;与光墩相比,桥墩安装钩环式护圈后,最大冲刷深度最多可减小62.2%,桥墩底部垂向流速、垂向紊动强度均明显减小。通过多元回归分析建立了计算桥墩周围无量纲最大冲刷深度的经验方程,该方程对明流和冰盖条件下水流均适用。

摘要：基于标准的k-ε模型,利用有限体积法,对冰盖下水流速度分布进行了二维数值模拟和分析.结果表明:当冰盖和河床糙率比值变化时,水流速度剖面发生变化;冰盖下的最大流速值比速度对称分布时要大,且偏于光滑的一边;在相对光滑壁处近壁流速值大于相应对称分布时的流速值,该结果与实验室实测速度剖面情况吻合.数值试验表明,最大流速点位置的偏移量仅在有限的范围内,冰盖区、床面区及冰盖下水流平均速度相差较小,表明了工程应用中假定各区流速相等是可行的.

摘要：采用三维k-ε紊流模型,对封冻河道冰盖下水流流速垂向分布规律进行了研究。结果表明:冰盖下水流流速垂向分布主要受床面与冰盖粗糙度的相对大小影响,受水深影响较小,对雷诺数变化并不敏感;在流动核心部分分布较为均匀,并不遵循对数分布规律。研究结果揭示了冰盖对水流流动的影响,指出了目前普遍采用的流速分区及平均流速相等的假定理论上的缺陷。最后采用双幂律拟合冰盖下水流流速垂向分布,取得了良好的效果。

摘要：针对冰盖的定向地球工程研究旨在增强冰盖稳定性和减缓冰盖物质流失,从源头上减少冰盖对海平面上升的贡献,有望为应对气候变化和保护海岸线争取几百年的时间。冰盖地球工程主要作用在冰底和冰架-海洋界面上,主要途径如下:(1)排干或冻结冰盖底部水来干燥冰床,增强冰盖底部摩擦力;(2)在海洋中建造人造岛来支撑漂浮的冰架;(3)在冰架前端建造水下隔离墙,阻止温暖的海水到达冰川底部以减缓其融化。冰盖地球工程包括数值模拟、方案设计、工程试验和政治法律等诸多方面的研究。国际上的研究团队正在开展数值模拟和方案设计方面的研究,工程试验和政治法律等方面的研究尚未起步。预计工程试验的难度阶梯很可能是从实验室试验开始,到小尺度的野外试验,接着到格陵兰冰盖的入海冰川,最后到南极冰盖的入海冰川。针对冰盖的定向地球工程研究很有可能成为21世纪全球变化领域新兴的研究方向。

摘要：运用Fluent软件建立雷诺应力模型,模拟不同冰盖覆盖度下恒定均匀流流场,从纵向时均流速、二次流、雷诺应力、紊动能等方面揭示部分冰盖下水流的水力特性。结果表明:岸冰的形成会导致冰盖下水流在断面上重新分配,明流区流速增大,冰盖下流速减小;横向动量交换产生复杂的二次流结构,涡体形状、数量、大小和位置随着冰盖覆盖度的增加而变化;雷诺应力断面分布较复杂,冰盖附近区域雷诺应力为负值,负值区范围与冰盖覆盖度密切相关,并凸向明流区;冰盖、边壁和床面的粗糙度不同导致紊动能在断面上的分布呈现出明显的差异,冰盖区紊动能大于明流区的值,反映出岸冰对冰盖下水流结构影响的复杂性。

摘要：在测定冰盖下复式断面流场、流速的模型试验中,水体中的运动粒子是重点研究对象。粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术已在水力学研究领域得到普遍应用,但该技术在冰盖下复式断面渠道模型试验的应用为国内首次。基于试验特点,设计砖砌混凝土的循环水箱,采用变频器配合水泵、流量计实现对流量的定量控制,对不同流量下不同断面的流场、流速进行测定,采用PIV技术对水体中运动的粒子的位移场进行具体分析。试验结果表明,PIV分析结果能够直观反映流场中的状态,且可以避免测量盲区,其所测的流速与多普勒超声测速仪测得值吻合较好,并给出了横向流速分布图,弥补了传统方法无法获得冰盖下的流场分布的难题。