索網結構水利明渠阻冰索設計實驗研究

王 君

(烏魯木齊市水利勘測設計院(有限責任公司)，新疆 烏魯木齊 832000)

水利渠道流冰控制技術，是確保冰期渠道輸水運行安全的需要，也是提高明渠流冰控制設計技術水平的需要。本文對索網結構水利明渠阻冰索開展設計實驗探究，加強對高海拔、高緯度水利明渠流冰治理開展思路拓展和工程設計技術提升，具有重要的技術和應用意義。

1 傳統阻冰索的功能不足與索網結構阻冰索的結構簡述

高海拔、高緯度水利明渠流冰治理中，阻冰索具有良好的適用性，常常成為抗流冰設計的技術選擇。采取阻冰索攔截渠道流冰有四方面優勢：一是可以方便實現在各個渠段中阻截流冰，節制閘脆弱斷面致害的弱點能夠得到充分回避和控制；二是借助阻冰索使冰蓋加速形成，可以使輸水連續性影響盡可能降至最低；三是可使冰蓋形成時段的流速相較預期設計最低流速的降幅數值相差不大，這利于避免輸水效能發生大幅度的波動，因此也非常有利于保障供水連續性；四是阻冰索在開河期亦能有效穩定冰蓋，可以有效利用迎向水流促進冰蓋就地融解。

阻冰索是高度柔性的一種工學浮式裝置，阻冰索攔截流冰是個相互作用的動態進程；阻冰索與流冰前緣接觸后，索具順流冰方向沖展；阻冰索沖緊后，冰前緣在阻冰索的約束下停止流進；后續碎冰在風或水流驅動下，開始索前堆積，此間伴隨冰塊持續不斷的翻轉或浮潛過程；上述過程如果一旦達到動態均衡，冰積就會在阻冰索前向近邊穩定形成。阻冰索工學應力變化和碎冰堆積運動本身的力學復雜性，意味索具阻冰一定是個動態的和極其復雜的工學過程。

傳統設計以上游表面的平均流速和深水傅汝德數作為首要控制參數，忽略沿渠道垂向和橫向的流速變化，對氣溫、氣象、冰的尺寸和強度影響等考慮較少，把阻冰索結構簡化成平面拋物線形式，另受均布線載荷，這便于設計選取鋼索徑面尺寸，但對實現和評估阻冰效果不利。實驗和現實觀察發現，常規阻冰索通常在兩種模式下發生阻攔失效，一種是纜索沿冰體前端翻滾上浮至冰體上表面；一種是冰索被冰體前端壓沉至冰塊下。這意味阻冰索符合設計要求的漂浮狀態，關系著阻索功能的工程實現。

為通過科學設計克服上述阻索的沉浮不穩定性，索網結構成為一種新型阻冰工學技術選擇。本文認為浮索增懸垂向剛性濾網的設計形式是個功效明顯的改進和選擇。索網結構設計能可以有效利用水深，對單索沉底失效問題更有所扭轉。濾網結構能夠阻截沉潛流冰，對水流力學狀況的苛求有所降低。此設計結構中，浮索重心因掛網而有所降低，也更大程度增加了浮索漂浮姿態穩定性，進而提高攔阻效果。

圖1 索網結構水利明渠阻冰索示意圖

如圖1所示，索網結構水利明渠阻冰索模型由單個阻冰索單元經拉索串聯構成，單元間的間距通過拉索上的限位器界定，這樣可以降低單元體扭動對鄰單元的影響，進而避免單個區塊失效可能引起整個結構阻冰失效情況的發生。阻冰索單元由浮子及其下方的網柵構成。

浮子為木質材料，設計為長方體規則狀。為降低水浸泡和盡可能保證表面光滑，浮子表面涂漆。阻冰柵網采用鐵絲制作，為方便拉索通過，柵網的底部和頂部都設計有拉索孔。

固定索網結構時，先在渠道斷面上方拉起一道橫梁，之后把拉索固結在兩端的螺紋柱上，這樣操作人員可以通過對螺紋柱的調控，調整阻冰索距離水高度以及固定間距。為防止滑動，橫梁由固定夾實施固定，這樣的設計也便于在多道阻冰索工況時調整不同阻冰索之間的設置距離。

2 索網結構阻冰索功能實驗設計

2.1 實驗工況設計安排

本設計實驗研究主要考察索網結構在不同工況條件下的阻冰效果，所以選擇設置了單阻冰索、雙阻冰索加浮繩、雙阻冰索無浮繩、雙阻冰索帶閘門加浮繩、雙阻冰索帶閘門無浮繩等5個種類的應用典型工況。其中為考察流速對阻冰索阻冰效果的影響，在單阻冰索和無浮繩雙阻冰索兩種工況下，注意設置了不同轉速和水深組合，以得到不同的流速影響。實驗工況具體見表1。

表1 實驗工況設計安排一覽表

2.2 實驗水槽與功能區段設計劃分

本實驗借助冰池大型實驗室的制冰制冷系統實現低冷氣溫模擬以及水槽實驗模型中冰體的制取。實驗水槽現場如圖2所示。

圖2 實驗水槽現場圖

實驗水槽功能區段設計劃分，具體如圖3所示。

圖3 實驗水槽功能區段設計劃分示意圖

2.3 實驗實施過程以及相關檢測內容

實驗實施過程以及相關檢測內容，具體見表2所示。

3 索網結構阻冰索實驗結果分析

3.1 實驗數據結果匯總

不同工況下的阻冰索阻冰效果及對應Fr傅汝德數匯總，具體見表3。

表3 不同工況下的阻冰索阻冰效果及對應Fr傅汝德數匯總一覽表

注：這里封冰效果選擇以第一道阻冰索斷面為基準。(A)形成平整冰蓋，冰花平鋪；(B)形成堆積體，形成平整冰蓋，流冰下潛，上游流速下降；(C)局部冰塞成型，冰花流量大，且有下潛流冰。

表2 實驗實施過程以及相關檢測內容概覽表

3.2 實驗數據模擬分析

3.2.1 阻冰過程冰厚發展

通過數據模擬，阻冰索阻冰過程大致可以劃分成如下幾個階段過程：

第一階段狀態：流冰開始進入計算域，但還沒有進展到阻冰索所處的流段斷面時。因為空氣對表層流冰阻礙作用，以及浮筒對表層水流和流冰的阻礙作用，使流冰的流進速度明顯致緩。第一階段阻冰發展狀態，具體如圖4所示。

第二階段狀態。此時流冰已推進發展到阻冰索近處，因為浮筒上游對水流的反射影響，流冰在此處發生開始部分下潛。有少量流冰潛脫阻冰索，而緩慢向下游移動，但大部分流冰還是停留在阻冰索前。隨流冰的堆積推擠，索前阻截形成的冰積逐漸加厚，并且緩慢向上游方向逐漸發展。第二階段阻冰發展狀態，具體如圖5所示。

第三階段狀態。阻冰索前冰積達到一定程度后，計算域中隨著流冰繼續淤積，阻冰索失去阻冰作用而功能失效。此時阻冰索上游冰積厚度趨于穩定，出現較多浮冰不受阻冰索束縛而流向下游，致使下游冰層分布的范圍及厚度有所增加。第三階段阻冰發展狀態，具體如圖6所示。

圖6 第三階段阻冰發展狀態圖

不同發展階段的冰積厚度沿程分布曲線，具體如圖7所示。

圖7 不同發展階段冰積厚度的沿程分布曲線

從圖7中我們得知，在6～8m斷面內，積冰厚度呈急劇下降。

6m斷面冰積厚度歷程發展曲線，如圖8所示。

圖8 典型斷面冰積厚度歷程發展曲線

從圖8中我們看到，該典型斷面的冰積厚度發展，在阻冰索失效前后，表現狀態顯著不同。在阻冰索失效前，由于上游流冰持續淤積，斷面冰積厚度呈不斷增加，而且增加速度也較快。在阻冰索臨近功能失效時，斷面冰積厚度的增加速度有所趨緩。在阻冰索功能完全失效后，斷面冰積厚度則趨于穩定。

3.2.2 失效情態流速分布

以下是阻冰索出現功能失效狀態，索前各斷面的速度分布曲線，具體如圖9所示。

圖9 失效狀態下索前各斷面速度分布曲線

從圖9中我們看到，流速分布在索網結構阻冰索的下游，呈越發不均勻分布狀態。渠道下游，冰積加厚，下游最大速度較上游大，速度極值出現的位置，呈現愈發靠近河床的趨勢。

索后各斷面流速分布曲線，具體如圖10所示。

圖10 失效狀態下索后各斷面速度分布曲線

從圖10中我們看到索后方范圍內，除了出口邊界附近以外，各個斷面上呈現著水深處較大，河床及流表面處較小的流速分布狀態。沿渠道向下，斷面流速極值隨冰積厚度的變薄而下降，也隨過流面積的增加而降低。

阻冰索附近斷面流速分布曲線，如圖11所示。

圖11 阻冰索附近斷面流速分布曲線

從圖11中我們看到，索后9m斷面與索前7.5m斷面相距很近，兩處的流速分布形態區別不大，明顯差別還是發生在水面附近。索前7.5m斷面因為有浮筒的阻流作用，故分布流速下降較快。索后9m斷面因為不存在浮筒的阻水影響，故流速分布下降呈現慢變，不過此間發生著明顯的曲線分布振蕩。

3.3 實驗設計結構阻冰效果分析

3.3.1 不同水深和流速下的阻冰效果分析

不同水深和流速下的阻冰效果數值模擬分析工況組合，具體見表4。

表4 不同水深和流速下的阻冰效果數值模擬工況組合

(1)水深1.5m不同流速阻冰效果數值模擬曲線分析，具體如圖12所示。

圖12 水深1.5m不同流速阻冰效果曲線

從圖12我們看到，隨流速的不斷增加，流冰獲得水流裹挾的作用在增強，上游來冰對冰積體的推擠作用加劇，會致使發生更多流冰出現下潛的現象。這導致隨水流速度增加，阻冰索上游冰積體變小，而且不同斷面上冰積厚度及均勻程度變低。

(2)水深3.5m不同流速阻冰效果數值模擬曲線分析，具體如圖13所示。

圖13 水深3.5m不同流速阻冰效果曲線

從圖13我們看到，當Fr不超過0.035且流速較低時，流冰得到水流裹挾的作用相對較弱，來冰對下游冰積體推擠的影響作用幾乎可以忽略，也因此形成了較平整的冰積狀態。阻冰索上游的不同斷面處，流積厚度變化不大，基本都處于0.45m左右。

(3)水深6.5m不同流速阻冰效果數值模擬曲線分析，具體如圖14所示。

圖14 水深6.5m不同流速阻冰效果曲線

從圖中14中我們看到，隨水力和流速增加，下潛流冰通過程度也在增加，進冰渠段范圍擴大，冰積體變小，不同斷面的阻冰厚度呈現了下降趨勢。

3.3.2 不同狀態下失效時刻的阻冰效果分析

各不同工況下阻冰失效時刻的阻冰效果數值模擬，具體見表5。

表5 不同工況下阻冰失效時刻的阻冰效果數值模擬匯總

為更好考察阻冰索對流冰的滯阻作用，這里對Sc值作如下定義：

Sc=t/t′

(1)

式中，t—阻冰索失效時刻；t′—無阻冰索狀態下流冰抵達8.5m斷面所需要的時間；t′的具體計算是依據下邊公式進行。

t′=8.5/v

(2)

式中，v—流冰移動速度。

Sc體現阻冰索對流冰的滯阻程度，Sc值越小，意味阻冰索對流冰的阻滯作用越小，反之，則意味流冰通過阻冰索就越發困難。不同工況下阻冰索Sc值分布曲線，具體如圖15所示。從圖15中我們看到，所列各工況下模擬結果中，Sc數值都要大于1，意味流冰均受阻冰索不同程度阻滯。第一階段，浮筒反射空氣、水流的阻滯作用，冰體流進速度趨緩，從而導致t較t′增加；第二階段，流冰不能通過浮筒，故而也不能引起t較圖15增加。

圖15 工況不同狀態下Sc值曲線分布

Sc值在不同水深下均隨流速增加而呈現降低趨勢，意味阻冰索受到明顯的流速影響，規律為流速越大，冰索阻滯作用則越來越變弱。在Fr值大于0.065時，Sc值在各工況下大致相同，意味此時水深及流速對Sc值的影響作用基本消失，表明此條件下阻冰索不能對流冰起到阻截作用。

3.3.3不同流速和不同水深組合對阻冰效果的影響分析

不同流速和不同水深的組合工況，具體見表6。

表6 不同流速和不同水深的組合工況列表

得到最終觀察斷面的冰積厚度隨水深變化的函數變化關系，具體曲線如圖16所示。

圖16 冰積厚度隨水深的變化曲線

從圖16中我們看到，在典型觀察斷面，隨著流速的增加，最終冰厚均在減小，而且隨著水深的增加，冰厚大體呈現線性增加的變化態勢，盡管增速緩慢。顯然，對阻冰索最終阻冰效果，流速相對水深影響明顯。

4 結語

本文在低溫實驗室中，以真冰對索網阻冰索結構形式，進行了阻冰效果實驗驗證，結果表明：索網結構阻冰索因為在浮子下方設計了網柵結構，下潛流冰可以得到較好的捕捉。多道索網阻冰索組合使用，能夠加速形成索間冰蓋，進而可以減輕下游阻冰索處的冰積程度，在水位變化情形下，可功能促進冰蓋形成和狀態基本穩定。索網阻冰索因為增加了剛性垂向濾網，對流冰下潛增加了捕捉能力，故此型阻冰索較傳統其它阻冰索的流速適用范圍有所放寬。但當冰流量較大時，此型索網阻冰索因捕捉能力過強，也要適當防止過度冰塞，因此，實際運用索網結構阻冰索時，也不容忽視監測氣象條件的變化。索網阻冰，多道索網組合阻冰對改善攔冰效果有積極作用。

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