封凍期冰塞對橋墩壅水的作用范文

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《工程與建設雜志》2014年第二期

1模擬結果分析

經過數值模擬后，得出不同工況下的最大壅水高度的20組數據結果見表1所列，并使用Origin軟件繪制部分工況下的水面線分布圖如圖4和圖5所示。1可以發現，冰塞存在時最大壅水高度，明顯高于無冰塞時的情況。無冰塞時，最大壅水高度隨進口流速增加而增大；冰塞厚度相同時，最大壅水高度也隨進口流速增加而增大；給定進口流速時，最大壅水高度隨著冰塞厚度增加而增大。橋墩本身會壓縮水槽的水流，縮小橋墩附近過水斷面積，必然會引起上游水位的抬高。而冰塞的存在，進一步破壞了水流的運動狀態。將模型計算值與規范公式計算值相比較，對模型進行可靠性驗證。

選用鐵路規范，計算公式其中，v珔2m為橋墩附近的平均流速（m／s）；v珔20為斷面的平均流速（m／s）；η為系數，按照表2所列進行選取，主要是按照河流的阻斷流量，也可以認為是河道的壓縮程度與設計流量的比值進行選取，忽略河岸邊界層影響。無冰塞條件下，進口流速不同時規范計算值和模型計算值對比圖如圖6a所示，不同冰塞厚度條件下，規范計算值和模型計算值對比圖如圖6b所示。由圖6a可知，無冰塞時，改變水槽的進口流速，模型的計算值較規范的計算值存在一定的偏差，規范計算值大于模型的計算值，增大了計算結果的安全性。當進口流速較小時，模型計算值與規范值比較接近，隨著流速的增加，偏差逐漸增大。但是，總體上最大壅水高度與進口流速的增加而加大，兩者的計算值在總體上表現的規律是一致的。由圖6b可知，給定進口流速，改變冰塞厚度，規范計算值與模型計算值有較大的差別，規范計算值較模型計算值偏大，而且冰塞厚度較小時，兩者計算的值卻比較接近，隨著冰塞厚度的增大，偏差也逐漸增大，兩種計算結果規律也是一致的。同樣，進口流速為0．20m／s、0．25m／s以及0．30m／s時，給定不同的冰塞厚度，均可以得出上述相似的規律。而規范計算值之所以大于規范計算值，主要是從工程安全的角度考慮，增加了工程設計與興建的安全系數。

給定冰塞厚度，改變進口流速，根據泥沙推移質運動理論以及穩定冰塞階段斷面的平均流速、流量以及水面寬之間的經驗公式為其中，Q為冰塞最高壅水時相應的流量（m3／s）；H為斷面水深（m）；B為水面寬（m）；V為斷面穩定平均流速（m／s）；β為經驗系數，β的取值可依據表3所列選取。水槽平均比降0．01％，根據β值與河道平均比降建立相關關系，選取β為0．40。選取冰塞厚度為0．20m時模型計算值與公式計算值對比分析，如圖7所示。由圖7可知，給定冰塞厚度，改變進口流速時，模型計算值與經驗公式計算值存在一定的偏差，隨著進口流速的增加，偏差也逐漸增大，當流速較小時，兩者比較接近。但是，總體呈現的變化趨勢是一樣的，最大壅水高度與進口流速正相關。同樣，給定不同的冰塞厚度，即0．15、0．25、0．30m時，也可以得出上述類似的規律。另外，根據應用Π定理并結合黃河河曲段的實測數據得到的關系式（4）也可以發現這種規律，即隨著進口流速的增加而加大，最大壅水高度隨進口流速的增加而加大。其中，Ht為計算斷面水深的平均值（m）；H為過水斷面有效水深的平均值（m）；v為計算斷面水流流速的平均值（m／s）。

2結束語

（1）無冰塞時，當進口流速較小時，模型計算值與規范值比較接近，隨著流速的增加，偏差也逐漸增大，最大壅水高度隨進口流速的增加而加大。（2）冰塞作用下，給定進口流速，改變冰塞厚度時，最大壅水高度隨冰塞厚度的增加而加大，當冰塞厚度較小時，模型計算值與規范值比較接近，隨著冰塞厚度的增加，偏差也逐漸增大。（3）冰塞作用下，給定冰塞厚度，改變進口流時，當流速較小時，模型計算值與經驗公式計算值比較接近，隨著進口流速的增加，偏差也逐漸增大，最大壅水高度隨進口流速的增加而加大。

作者：程保磊單位：合肥工業大學土木與水利工程學院