流冰對輸水明渠混凝土襯砌的撞擊影響

貢 力，賈治元，李義強，杜強業，張嬌艷

流冰對輸水明渠混凝土襯砌的撞擊影響

貢 力，賈治元，李義強，杜強業，張嬌艷

（蘭州交通大學土木工程學院，蘭州 730070）

為研究西北寒冷地區長距離輸水工程中流冰對輸水明渠的撞擊影響，該研究運用LS-DYNA軟件模擬不同工況下流冰與輸水明渠碰撞擠壓過程，并通過室內模型試驗進行相應驗證，探求水-空氣耦合介質中流冰碰撞輸水明渠的破壞規律。結果表明：流冰速度對明渠襯砌撞擊的最大等效應力與方向最大位移呈現出近似的Pseudo-Voigt函數峰值曲線關系。流冰壓縮強度對明渠襯砌撞擊的最大等效應力與方向最大位移呈現出近似的線性關系。綜合分析所模擬的不同組合工況可以看出，對明渠襯砌撞擊影響明顯的組合區間是流冰壓縮強度為1.825～3.199 MPa、流冰速度為3.5～4.5 m/s時的組合情況，其等效應力值為4.3～16.8 MPa、方向最大位移值為2.59×10-5～5.52×10-5m；對明渠襯砌撞擊影響最大的雙因素組合是流冰壓縮強度為3.059 MPa、流冰速度為4.0 m/s的組合情況，其等效應力值為16.8 MPa、方向最大位移值為5.52×10-5m；對明渠襯砌撞擊影響較為不明顯的組合區間是流冰速度為0.5～1.0 m/s、壓縮強度為1.825～ 2.375 MPa時的組合情況，其等效應力為0.7～2.8 MPa、方向最大位移為0.24×10-5～0.52×10-5m。同時，模擬值與試驗結果基本吻合，表明所采用的數值模擬仿真模型準確可靠，其結果可為寒冷地區冬季輸水工程安全運營提供幫助。

數值模擬；試驗；流固耦合；流冰；明渠；撞擊影響

0 引 言

西北地區冬季寒冷，流冰期長，冰凌災害已經成為該地區農業灌溉輸水工程中的首要問題[1]。位于此地區的輸水明渠在農田灌溉輸水過程中，經常受到水-空氣-流冰耦合作用下的撞擊，而長期的流冰碰撞會導致輸水明渠混凝土襯砌龜裂或表層剝落等破壞，對輸水明渠襯砌結構安全以及長期農田灌溉供水穩定性方面存在著嚴重的威脅。

國內外學者在流冰碰撞仿真模擬方面進行了大量的研究。Tuhkuri[2]利用彈性斷裂理論與邊界單元法建立了各向同性冰排與結構相互作用的數值模型，進行了冰排裂紋形成過程的研究；蔡偉等[3]開展了與實驗場景相對應的不同冰材料模型下的船冰碰撞有限元數值模擬，總結了用于船-冰碰撞數值模擬的冰材料模型準確性和可行性評估方法；Sand等[4]考慮了水壓力、浮力、冰材料的斷裂與破碎等因素后，將各項同性冰材料模型與結構體相互作用進行了系統的有限元仿真模擬研究；貢力等[5]在流冰對輸水隧洞撞擊作用力學特性方面進行了相應的研究與分析；Rüdiger等[6]考慮模型尺度的冰微觀結構和荷載作用下各種物理效應的數值模型；張宿峰[7]基于線彈性材料模型冰排特性和橋墩破冰形狀對流冰撞擊力的影響；Zhang等[8]利用LS-DYNA軟件對影響流冰和T型剛構橋橋墩接觸碰撞過程的因素進行了研究分析；黃焱等[9]對船-冰碰撞載荷時間歷程的模型試驗進行了研究；Miryaha[10]研究了典型的浮冰作用模式和海上結構的應力分布。王健偉等[11]基于非線性有限元法對船-冰層碰撞結構響應研究。綜上所述，國內外學者在流冰碰撞橋墩和船冰碰撞方面的研究較多，但針對流冰對寒冷地區輸水明渠的撞擊作用研究較少。

為研究寒冷地區長距離輸調水工程中水-空氣-流冰耦合作用下對輸水明渠混凝土襯砌的撞擊影響，探究水-空氣耦合介質中流冰碰撞輸水明渠混凝土襯砌破壞規律，本文采用數值模擬結合模型試驗的方法，并運用 ANSYS/LS-DYNA 建立水-空氣耦合介質中流冰與輸水明渠之間發生碰撞的有限元模型，模擬流冰與輸水明渠混凝土襯砌碰撞過程，發現流冰在不同工況下對輸水明渠的撞擊影響規律，擬為寒冷地區冬季輸調水工程安全運營提供技術支撐。

1 流冰-明渠碰撞仿真模型

1.1 仿真分析理論

1.1.1 顯示時間積分原理

根據牛頓定律得流冰碰撞明渠運動方程如(1)所示：

在考慮阻尼沙漏后，式（1）變為矩陣形式[12]，如式（2）：

由式（2）可以得到t時刻的加速度如式（3）。

(t)=-1[(t)–int(t)+(t)–(t)] （3）

式中(t)為位移列陣。

根據公式（4)、（5)可以求出t+1時刻的速度和位移。

1.1.2 接觸碰撞算法與類型

運用LS-DYNA軟件模擬流冰與明渠碰撞問題時，碰撞過程中的接觸問題計算分析以罰函數法為主[13]，罰函數法為在時間步?中檢查到穿透主面的從節點，則將會在被穿透面中間引入一個界面接觸力[14]。該接觸力稱為罰函數值，如公式（6）所示。

=（6）

式中為罰函數值，N；為接觸界面剛度,N/mm；為穿透量,mm。

接觸面力應遵守作用力與反作用力原理，并滿足條件（7）、（8）。

1.1.3 流固耦合

基于本文所述的流冰-明渠碰撞場景，考慮到明渠中存在的水介質與空氣介質而建立的水-空-流冰耦合關系，因此在LS-DYNA軟件分析顯式動力學問題時選用關鍵字*CONSTRAINED-LAGRANGE-IN-SOLID來定義流固耦合，添加任意拉格朗日歐拉（Arbitrary Lagrange-Euler）算法來區分水介質和空氣介質，實現拉格朗日（Lagrangian）算法與歐拉（Euler）算法的相互作用。

1.2 工程實例

本文選取“引大入秦”工程總干渠00+406.92～04+ 231.08段梯形明渠為原型建模。引大入秦總干渠為天祝縣境內的天堂寺渠首至永登縣莊浪河西岸香爐山總水閘段，全長87 km，年輸水量為4.43億m3，控制灌溉面積可達5.73萬hm2，設計引水量為32 m3/s，加大引水量為36 m3/s，設計水深2.29 m，加大水深3.37 m。該明渠底板為C25鋼筋混凝土澆筑，厚0.2 m，邊坡掛鋼筋網澆筑C25細粒混凝土，厚0.12 m，底寬4.6 m，渠高4.1 m，邊坡1：1.25。因為考慮到碰撞作用以及計算時間的問題，故而選取對稱明渠的一半來進行模型的建立與求解分析，水-空氣耦合介質中流冰與明渠襯砌碰撞模型圖如圖1所示。

圖1 水-空氣耦合介質中流冰與明渠襯砌碰撞模型圖

為減少計算時間，接近真實碰撞情形，選取(7.582 9 m + 2.307 9 m)×4.1 m×0.5×5 m的梯形明渠模型、(5.432 9 m + 4.8079 m)×0.5 m×0.5×5 m的梯形空氣介質模型和(4.807 9 m+2.307 9 m)×2 m×0.5×5 m的梯形水介質模型，其中梯形模型截面面積按照（上底+下底）×高×0.5計算，模型總長度均為5 m。本文以大通河冰情和明渠所在地理位置為依據，并參考徐國賓等[15]在流冰方面的研究，選取為1 m×1 m×0.5 m的長方體流冰模型，其中流冰厚度為0.5 m，碰撞面積為0.5 m2。

1.3 模型材料參數的選取

1）流冰模型材料參數

流冰模型材料參數參考楊亮等[16]的研究成果，冰材料模型參數如表1所示。

表1 冰材料模型參數

2）輸水明渠襯砌混凝土材料

明渠襯砌混凝土材料模型由Federal Highway Administration開發，并運用于模擬混凝土結構低速沖擊碰撞方面[17]，混凝土材料模型參數如表2所示。

3）水-空氣耦合介質材料參數

在軟件LS-DYNA 中，水介質和空氣介質采用空白材料組進行定義，關鍵字為*MAT_NULL，由文獻[18]可知，水介質材料密度參數為1000 kg/m3、截斷應力為–1×105Pa，空氣介質材料密度參數為1.184 5 kg/m3、截斷應力為 –10 Pa。定義狀態方程時，水介質采用Gruneisen狀態方程，空氣介質采用Polynomial狀態方程，水-空氣狀態方程參數[19]如表3所示。

表2 混凝土材料模型參數

表3 水-空氣狀態方程參數

注：0為初始相對體積；0為初始內能。

Note:0is the initial relative volume;0is the initial internal energy.

1.4 有限元模型

ANSYS/LS-DYNA適用于模擬各類真實環境中的復雜問題，能夠求解三維非彈性結構在高速碰撞、爆炸沖擊下的大變形動力響應。作為一款通用的非線性有限元分析軟件，可以進行包括幾何非線性（如位移、應變和轉動）、材料的非線性（如多種材料動態模型）及接觸非線性等分析。在算法上以Lagrange算法為主，此外還有ALE和 Euler算法；在求解上以顯示求解為主，同時兼有隱式求解功能；主要功能為結構分析，同時兼備熱分析、流固耦合功能；分析上以非線性動力為主，以靜力分析為輔。

流冰與明渠襯砌的碰撞因素主要包括：流冰壓縮強度、流冰初速度、流冰體積、碰撞面積、流冰厚度、空氣介質以及水介質作用等[20]。由于冰水兩相之間運動是非常復雜的，其間存在著粘滯力、拖曳力等多因素耦合影響的問題，若改變流冰尺寸，則水介質對不同尺寸的流冰其粘滯力、拖曳力是不一致的，比如流冰質量增加后，水介質的粘滯力和拖曳力增加，使得水流的挾冰能力下降，撞擊力則變緩。因此，在模擬時將體積、面積、厚度等參數作為一個定值不變，而將流冰流速、壓縮強度作為變量，意在減小流冰“尺寸效應”對模擬結果的影響。從而只探究流冰在不同流速、不同壓縮強度工況下對輸水明渠襯砌的等效應力及明渠碰撞區位移進行分析。

將材料參數設置好后，建立水-空氣耦合介質中流冰與明渠混凝土襯砌的有限元碰撞模型，采用SWEEP網格劃分，水-空氣耦合介質中流冰與明渠襯砌碰撞網格劃分圖如圖2所示。水、空氣、流冰和輸水明渠模型均采用3D Solid164實體單元，求解過程中將流冰與輸水明渠設置為面面自動接觸類型，明渠襯砌面為主面，流冰接觸面為從面。由于漂浮在水面的流冰處于豎向平衡狀態,所以在仿真模擬時忽略了流冰所受的豎向荷載，僅考慮水流拖動流冰運動的水平荷載,而其水平荷載主要通過給流冰設置初速度（初速度方向即明渠襯砌方向）來體現，水流不提供使流冰水平運動的動力。因此，在模擬計算中并沒有對水流設置速度，水介質處于靜止狀態。流速不同、壓縮強度不一的流冰作用于明渠襯砌時，不同工況下的撞擊影響也是不同的。給流冰假設初速度及邊界條件后進行輸出控制，輸出K文件進行計算。為了減小計算時間，在模擬時將流冰與襯砌距離設置為 0.005 m，求解時間設置為0.1 s進行求解，不考慮二次碰撞等問題。在這樣一個短距離和一個短時間內的單次碰撞問題中，流冰對明渠襯砌撞擊區的方向起主要作用，對方向的影響很小，因此在分析計算時僅對明渠撞擊區方向做相應的說明。

圖2 水-空氣耦合介質中流冰與明渠襯砌碰撞網格劃分圖

1.5 工況的選取

1）不同流冰流速工況的選取

根據引大入秦工程設計流速與最大流速并參考文獻[21]建立了0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、 5.0 m/s這10種流速工況下流冰與明渠襯砌的碰撞方案。根據引大入秦工程運營設計水深及最大水深，選取模擬水深為2.0 m。

2）不同流冰壓縮強度工況的選取

流冰壓縮強度隨著溫度產生變化，溫度越低，流冰壓縮強度越大。根據天堂水文站實測資料推得冬季平均氣溫在–5℃左右，極端最低氣溫為–28.3℃，并參照王慶凱等[22]對黃河冰單軸壓縮強度的試驗，可知流冰壓縮強度與溫度數據如表4所示。

表4 流冰壓縮強度與溫度數據表

2 仿真結果與分析

2.1 組合工況下的仿真結果

流冰速度工況范圍為0.5～5 m/s，考慮到3.5 m/s為中間值，具有代表性，因此選擇速度為3.5 m/s進行典型分析。流冰壓縮強度對應溫度，如表4，考慮到該地區冬季平均氣溫在–5°左右，對應流冰壓縮強度為1.825 MPa，因此選取溫度–5°對應的壓縮強度為1.825 MPa進行求解分析。經模擬計算可知，流冰速度為3.5 m/s、流冰壓縮強度為 1.825 MPa雙因素組合工況下，明渠襯砌的方向位移和最大等效應力云圖與時程曲線分別如圖3、圖4所示。

圖3 明渠襯砌的X方向位移和最大等效應力云圖

圖4 明渠襯砌的X方向位移和最大等效應力時程曲線圖

由圖3、圖4可知，當=0.008 995 2 s，流冰速度為3.5 m/s、流冰壓縮強度為1.825 MPa組合工況下的明渠混凝土襯砌撞擊區的方向最大位移與最大等效應力分別為2.81×10-5m、4.8×106Pa。

由于水-空氣耦合介質中流冰與明渠襯砌的碰撞屬于動態響應的過程，因此圖4a中明渠襯砌的方向位移時程曲線在不同時刻出現多峰值情況。當=0.008 995 2 s時的峰值為流冰撞擊到明渠襯砌的作用峰值，是整個碰撞過程中的最大峰值，明渠襯砌撞擊區的位移值在此時也為最大，為2.81×10-5m。在=0～0.008 995 2 s時，撞擊區的位移呈現出近似線性增長的趨勢，是由于流冰撞向明渠襯砌是一個逐漸逼近的過程，流冰與明渠襯砌之間的水-空氣耦合介質會形成一個高應力場先對明渠襯砌產生作用。在=0.008 995 2 s以后撞擊區位移由最大峰值下降到有穩定的趨勢且出現多個振幅，是由于流冰撞擊到明渠襯砌的后構件發生了的不斷失效破壞，此時明渠襯砌出現彈性變形。

由圖4b知，在=0～0.008 995 2 s時，即荷載加載階段出現中間峰值，且整體呈現出近似線性增長，是因為流冰在撞向明渠襯砌的過程中，流冰與明渠襯砌之間的水-空氣耦合介質對明渠襯砌產生的擠壓作用。當= 0.008 995 2 s時，出現最大峰值，為流冰撞擊到明渠襯砌的作用峰值，明渠襯砌受撞擊區的撞擊應力在此時也達到最大值4.8×106Pa。在=0.008 995 2 s以后撞擊區等效應力由最大峰值下降到趨于0階段內，即荷載卸載階段出現中間峰值，可以看成是由于撞擊過程中產生的波浪或者碎冰對明渠襯砌的影響。

2.2 不同組合工況下的仿真結果分析

2.2.1 不同壓縮強度下流冰速度對明渠襯砌的影響

由2.1節對圖3、圖4數據分析結果同理可知，流冰壓縮強度為1.825 MPa時，流冰速度為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0 m/s工況下對應的明渠碰撞區的最大等效應力分別為0.7×106、0.8×106、1.1×106、1.7×106、2.3×106、3.2×106、4.8×106、8.1×106、4.3×106、3.6×106Pa，所對應的方向最大位移分別為0.24×10-5、0.52×10-5、0.57×10-5、0.61×10-5、0.73×10-5、0.89×10-5、2.81×10-5、2.91×10-5、2.59×10-5、2.27×10-5m。分析不同流冰速度與最大等效應力、方向最大位移的關系，繪制如圖5、6所示擬合曲線圖。

注：不同形狀符號為試驗值，相應實線為擬合曲線。下同。

圖6 流冰速度與X方向最大位移的關系

由圖5可以看出,當流冰壓縮強度不變，流冰速度在0.5～4.0 m/s范圍時，明渠混凝土襯砌撞擊區所受最大等效應力隨著流冰速度的增大而增大；流冰速度在4.0 m/s時，明渠混凝土襯砌撞擊區所受最大等效應力均出現最大“峰值”；流冰速度在4.0～5.0 m/s范圍時，明渠混凝土襯砌撞擊區所受最大等效應力隨著流冰速度的增大而減小，說明流冰速度在0.5～4 m/s時，其剛性效果起主要作用，流冰速度在4～5 m/s時，其塑性效果其起主要作用。經曲線擬合后明渠混凝土襯砌撞擊區所受最大等效應力隨流冰速度的增大整體呈現出“單峰”現象，其變化在不同流冰壓縮強度工況下均呈現出Pseudo-Voigt函數“峰值曲線”關系，不同壓縮強度下流冰速度與最大等效應力的Pseudo-Voigt函數“峰值擬合曲線”關系如公式（9）所示，不同壓縮強度下對應的公式（9）中的各項數值見表5。

式中為最大等效應力，Pa；為流冰速度，m/s；0為偏移量，Pa；為面積，m2；為半高寬，m/s；x為正中心；m為剖面形狀因子。

表5 不同壓縮強度下對應擬合曲線中的各項數值

由圖6可以看出，當流冰壓縮強度不變，流冰速度在0.5～4.0 m/s范圍時，明渠撞擊區方向最大位移隨著流冰速度的增大而增大；流冰速度在4.0 m/s時，明渠混凝土襯砌撞擊區方向最大位移均出現最大“峰值”；流冰速度在4.0～5.0 m/s范圍時，明渠混凝土襯砌撞擊區方向最大位移隨著流冰速度的增大而減小，說明流冰速度在0.5～4 m/s時，其剛性效果起主要作用，流冰速度在4～5 m/s時，其塑性效果其起主要作用。經曲線擬合后明渠混凝土襯砌撞擊區方向最大位移隨流冰速度的增大整體呈現出“單峰”現象，其變化在不同流冰壓縮強度工況下均呈現出Pseudo-Voigt函數“峰值曲線”關系，不同壓縮強度下流冰速度與方向最大位移的Pseudo-Voigt函數“峰值曲線”擬合關系如公式（10）所示，不同壓縮強度下對應的公式（10）中的各項數值見表6。

式中′為方向最大位移，m；0′為偏移量，Pa；′為面積，m2；′為半高寬，ns；x′為正中心；m′為剖面形狀因子。

表6 不同壓縮強度下對應擬合曲線中的各項數值

圖7為最大等效應力擬合曲線殘差圖，由圖可知，不同壓縮強度下的殘差數值均圍繞殘差值等于0的直線上下隨機散布，可以看出殘差的絕對值較小，均分布在0～0.8范圍內，且不同流冰壓縮強度對應的指數系數2均接近1.0，綜合說明最大等效應力曲線擬合情況良好，論證了不同壓縮強度下流冰速度與最大等效應力的Pseudo-Voigt函數“峰值曲線”關系合理。

圖7 最大等效應力擬合曲線殘差圖

圖8為方向最大位移擬合曲線殘差圖，由圖可知，不同壓縮強度下的殘差數值均圍繞殘差值等于0的直線上下隨機散布，可以看出殘差的絕對值較小，均分布在0～0.6范圍內，且不同流冰壓縮強度對應的指數系數2均接近1.0，綜合說明方向最大位移曲線擬合情況良好，論證了不同壓縮強度下流冰速度與方向最大位移的Pseudo-Voigt函數“峰值曲線”關系合理。

圖8 X方向最大位移擬合曲線殘差圖

2.2.2 不同速度下流冰壓縮強度對明渠襯砌的影響

由2.1節對最大等效應力、方向最大位移數據分析結果同理可知，流冰速度為4 m/s時，流冰壓縮強度為1.825、2.375、2.668、2.899、3.059、3.199 MPa工況下對應的明渠碰撞區的方向最大位移分別為2.91×10-5、3.18×10-5、3.55×10-5、3.71×10-5、5.52×10-5、4.63×10-5m，所對應的最大等效應力分別為8.1×106、10.2×106、12.1×106、11.3×106、16.8×106、14.3×106Pa。分析不同流冰壓縮強度與最大等效應力、方向最大位移的關系，繪制如圖9、10所示擬合線關系圖。

圖9 流冰壓縮強度與最大等效應力的關系

圖10 流冰壓縮強度與X方向最大位移的關系

由圖9可以看出，在不改變流冰速度的情況下，只改變流冰壓縮強度，流冰壓縮強度對明渠混凝土襯砌撞擊區的最大等效應力影響明顯，其最大等效應力均隨著流冰壓縮強度的增大而呈現出近似線性增長的趨勢。由表4可知溫度越低，流冰壓縮強度越大，因此，冰期輸水需要考慮溫度變化對流冰壓縮強度的影響，減小運營期明渠輸水過程中流冰對明渠襯砌的碰撞破壞作用。不同流速下流冰壓縮強度與最大等效應力的線性擬合關系如公式（11）所示，不同流速工況下對應的公式（11）中的各項數值見表7。

=′+（11）

式中為最大等效應力，Pa；′為流冰壓縮強度，MPa。

由圖10可以看出，在不改變流冰速度的情況下，只改變流冰壓縮強度，流冰壓縮強度對明渠混凝土襯砌撞擊區方向最大位移影響明顯。其方向最大位移均隨著流冰壓縮強度的增大而增大，呈現出近似線性增長的關系。由表4知溫度越低，流冰壓縮強度越大，因此，冰期輸水需要考慮溫度變化對流冰壓縮強度的影響，減小運營期明渠輸水過程中流冰對明渠襯砌的碰撞破壞作用。不同流速下流冰壓縮強度與方向最大位移的線性擬合關系如公式（12）所示，不同流速工況下對應的公式（12）中的各項數值見表8。

′=′′+′ （12）

式中′為方向最大位移，m。

表7 不同流速工況下最大等效應力擬合曲線結果

表8 不同流速工況下X方向最大位移擬合曲線結果

2.2.3 流冰不同速度與不同壓縮強度組合工況對明渠混凝土襯砌的影響

通過上述對流冰速度與流冰壓縮強度工況變化對明渠混凝土襯砌的單因素影響分析可知，最大等效應力以及方向最大位移均會受到流冰速度與流冰壓縮強度因素的影響，且單因素的影響明顯。為了綜合分析兩種單因素組合成多因素工況下對明渠襯砌的影響分析，通過Matlab軟件建立流冰速度-壓縮強度-最大等效應力關系圖與流冰速度-壓縮強度-方向最大位移關系圖，如圖11、12所示。

圖11 流冰速度-壓縮強度-最大等效應力關系圖

圖12 流冰速度-壓縮強度-X方向最大位移關系圖

由圖11可以看出流冰速度-壓縮強度雙因素組合工況中，流冰壓縮強度為區間1.825～3.199 MPa情況下：當流冰速度在0.5～3.5 m/s區間時，其最大等效應力增長緩慢，增長變化率小但較為穩定；當流冰速度在3.5～ 4.0 m/s區間時，其最大等效應力有明顯的增大，增長變化率較大；當流冰速度在4.0～5.0 m/s區間時，其最大等效應力有明顯的減小，減小變化率較大；當流冰速度在0.5～5.0 m/s時，最大等效應力隨著流冰速度的增大呈現增大后減小的趨勢，且在4 m/s時變化率最為突出。流冰速度在0.5～3.5 m/s區間情況下，最大等效應力隨著流冰壓縮強度的增大而增大，但增長率較為緩慢，整體呈現出近似的線性關系。綜合上述分析可認為，流冰速度對明渠撞擊區最大等效應力的影響非常明顯，但流冰壓縮強度對明渠撞擊區最大的等效應力的影響較為明顯。由圖11可以看出對明渠襯砌撞擊區等效應力影響明顯的組合工況區間為流冰壓縮強度在1.825～3.199 MPa、速度在3.5～4.5 m/s時的組合情況，在其組合區間內等效應力變化范圍為4.3～16.8 MPa，整體值大且增長變化幅度大；對明渠襯砌等效應力影響最大的雙因素組合工況為流冰壓縮強度是3.059 MPa、流冰速度是4.0 m/s的組合情況，其等效應力值為16.8 MPa，為所有工況的最大值，即雙因素組合影響最大；對明渠襯砌影響較為不明顯的組合區間為流冰速度在0.5～1.0 m/s、壓縮強度在1.825～2.375 MPa時的組合情況，在其組合區間內等效應力變化范圍為0.7～2.8 MPa，整體值小且增長變化幅度較為緩慢。

由圖12可以看出流冰速度-壓縮強度雙因素組合工況中，流冰壓縮強度為區間1.825～3.199 MPa時：當流冰速度在0.5～3.0 m/s范圍內，其方向最大位移增長緩慢，增長變化率較小；當流冰速度在3.0～4.0 m/s范圍內，其方向最大位移有明顯的增幅，增長變化率較大；當流冰速度在4.0～5.0 m/s區間情況下，其最大等效應力有明顯的減小，減小變化幅度較大；當流冰速度在0.5～ 5.0 m/s范圍內，方向最大位移隨著流冰速度的增大呈現出先增大后減小的趨勢，整體增長變化幅度較為明顯，方向最大位移最大等效應力在4 m/s時變化幅度最為突出。流冰速度在0.5～3.5 m/s區間情況下，最大等效應力隨著流冰壓縮強度的增大而增大，但增長幅度較為緩慢，整體呈現出近似的線性關系。綜合上述分析可認為，流冰速度對明渠撞擊區方向最大位移的影響非常明顯，但流冰壓縮強度對明渠撞擊區方向最大位移的影響較為明顯。由圖12可以看出對明渠襯砌方向最大位移影響明顯的組合工況區間為流冰壓縮強度在1.825～ 3.199 MPa、流冰速度在3.5～4.5 m/s時的組合情況，在其組合區間內方向最大位移變化范圍為2.59～5.52×10-5m，整體值大且增長變化幅度大；對明渠襯砌影響最大的方向最大位移雙因素組合工況為流冰壓縮強度是3.059 MPa、流冰速度是4 m/s的組合情況，其方向最大位移值為5.52×10-5m，為所有工況的最大值，即雙因素組合影響最大；對明渠襯砌影響較為不明顯的組合區間為流冰速度在0.5～1.0 m/s、壓縮強度在1.825～2.375 MPa時的組合情況，在其組合區間內方向最大位移變化范圍為0.24～0.52×10-5m，整體值小且增長變化幅度較為緩慢。

3 流冰對輸水明渠撞擊物理模型試驗

3.1 試驗方案設計與試驗裝置

本文通過室內模型試驗研究流冰對輸水明渠的碰撞作用，對數值模擬進行相應驗證。室內試驗模型與實際模型的幾何比尺取為5,材料密度比尺為1.0，在常重力場條件下進行試驗。

在模型試驗中，以矩形水箱代替明渠模型，明渠襯砌采用C30混凝土板代替，流冰由動力裝置牽引撞擊明渠襯砌。其碰撞測試試驗臺與試驗動力及數據采集分析系統圖如圖13所示。

3.2 試驗設計

3.2.1 試驗步驟

制備混凝土明渠模型，在混凝土襯砌上布置2個應變片，利用導線將應變片與動態應變測試分析系統采用半橋橋接方式連接；連接電腦與動態應變測試分析系統；啟動計算機，在軟件上設置好電壓、混凝土彈性模量、泊松比等；將準備好的模型冰放入模型中，利用柔性連接將模型冰與牽引裝置連接起來，啟動電源，調節好脈沖發射器轉速，隨著模型冰碰撞明渠襯砌，讀取明渠襯砌區域產生的動態應變曲線，保存處理數據；由應變時程曲線得到最大應變峰值，進而計算出應力與位移峰值。

3.2.2 試驗工況

將準備好的大小規格同為0.2 m×0.2 m×0.1 m的模型冰進行試驗，根據所模擬的不同流冰速度與不同流冰壓縮強度工況，經相似比尺換算后對應的試驗速度是0.224、0.447、0.671、0.894、1.118、1.341、1.565、1.789、2.012、2.236 m/s，對應的試驗流冰壓縮強度分別為0.365、 0.471 4、0.533 6、0.577 8、0.611 8、0.639 8 MPa，重復3.2.1節試驗步驟并保存數據。

3.3 不同流冰速度對明渠襯砌的影響

由2.2.3節可知，對明渠襯砌影響最大的雙因素組合為流冰壓縮強度是3.059 MPa、流冰速度是4.0 m/s的組合情況,故選取流冰壓縮強度為3.059 MPa不變、只改變流冰速度進行不同流速對明渠襯砌的試驗驗證。根據3.2節試驗內容得到不同流冰速度工況下的最大等效應力峰值與方向最大位移峰值，對試驗數據相似比尺換算后繪制不同流冰速度模擬與實驗結果對比圖，如圖14所示。

圖14 不同流冰速度下模擬與試驗結果對比

由圖14可以發現，改變流冰速度，明渠撞擊區的最大等效應力和方向最大位移的模擬值與試驗結果有基本一致的趨勢，趨勢線吻合程度良好，均呈現出單峰現象，說明模擬結果真實可靠。還可以看出模擬值與試驗結果存在一定的誤差，可能與試驗中水介質的擾動作用及二次碰撞有關。

3.4 不同流冰壓縮強度對明渠襯砌的影響

由2.2.3節可知，對明渠襯砌影響最大的雙因素組合為流冰壓縮強度是3.059 MPa、流冰速度是4.0 m/s的組合情況,故選取流冰速度為4.0 m/s不變、只改變壓縮強度進行不同壓縮強度對明渠襯砌的試驗驗證。根據3.2節試驗內容得到不同流冰壓縮強度工況下的最大等效應力峰值與方向最大位移峰值，對試驗數據相似比尺換算后繪制不同流冰壓縮強度模擬與實驗結果對比圖，如圖15所示。

圖15 不同流冰壓縮強度下模擬與試驗結果對比

由圖15可以發現，改變流冰壓縮強度，明渠撞擊區的最大等效應力和方向最大位移的模擬值與試驗結果有基本一致的趨勢，吻合程度良好，均呈現出近似線性增長的現象，說明模擬結果真實可靠。還可以看出模擬值與試驗結果存在一定的誤差，可能與試驗中水介質的擾動作用和二次碰撞有關。

4 結 論

本文主要考慮了水-空氣-流冰三者耦合作用下對輸水明渠混凝土襯砌碰撞影響研究，運用ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件模擬流冰不同速度和不同壓縮強度組合工況下對輸水明渠襯砌的撞擊影響過程，發現水-空氣耦合介質中流冰碰撞輸水明渠破壞規律，不考慮流冰二次碰撞因素，得到了以下結論：

1）在保持流冰壓縮強度不變的情況下，只改變流冰速度，明渠撞擊區最大等效應力與方向最大位移隨著流冰速度的增大而先增大后減小，在4 m/s時整體均呈現出“單峰”現象，且均符合Pseudo-Voigt函數“峰值曲線”關系。說明流冰速度在0.5～4 m/s時，其剛性效果起主要作用，流冰速度在4～5 m/s時，其塑性效果其起主要作用。

2）在保持流冰速度不變的情況下，只改變流冰壓縮強度，明渠撞擊區最大等效應力與方向最大位移隨著流冰壓縮強度的增大而增大，均呈近似線性增長的關系。流冰壓縮強度隨著溫度產生變化，溫度越低，流冰壓縮強度越大，因此，冰期輸水需要考慮溫度變化對流冰壓縮強度的影響，減小運營期明渠輸水過程中流冰對明渠襯砌的碰撞破壞作用。

3）綜合分析所模擬的60種組合工況可以發現，在流冰壓縮強度為1.825～3.199 MPa、流冰速度為3.5～ 4.5 m/s時的組合情況下，其等效應力值變化范圍為4.3～16.8 MPa、方向最大位移值變化范圍為2.59×10-5～5.52×10-5m，兩者整體值大且增長變化幅度大，即組合工況對明渠襯砌撞擊影響明顯；在流冰壓縮強度為 3.059 MPa、流冰速度為4.0 m/s的組合情況下，其等效應力值為16.8 MPa、方向最大位移值為5.52×10-5m，兩者均分別為所有工況的最大值，即雙因素組合對明渠襯砌影響最大；在流冰速度為0.5～1.0 m/s、壓縮強度為1.825～2.375 MPa時的組合情況下，其等效應力變化范圍為0.7～2.8 MPa、方向最大位移變化范圍為0.24×10-5～0.52×10-5m，兩者整體值小且增長變化幅度較為緩慢，即組合對明渠襯砌影響較為不明顯。

實際工程中漂浮在水上的流冰其運動受多因素影響，如水流流態、流冰形狀等；在模擬流冰碰撞明渠襯砌時，對于水介質中流冰體積、面積、厚度、碰撞角度等問題，還需要做進一步的研究。

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Impact of drift ice on concrete lining of open water conveyance channel

Gong Li, Jia Zhiyuan, Li Yiqiang, Du Qiangye, Zhang Jiaoyan

(730070,)

Large blocks of drift ice have posed a strong impact on the open channels in the long-distance water delivery projects in the alpine regions. The drift ice is easy to form with the different speeds and compression strength in the high latitudes of northwestern China, especially the north of 35°N latitude. Particularly, the ice period lasts for 4 to 5 months in the cold and dry winter, covering from the freezing in November to the open in the following spring. The long-term collision of drift ice can cause some serious damage to the concrete lining of an open channel, such as cracking or peeling of the surface. The lining structure can result in different degrees of damage and deformation, even a threat to the long-term stability of water supply, including the safe operation of the open channel, irrigation of farmland, and water use for humans and animals. Therefore, this study aims to clarify the impact of the drift ice on the open delivery channels in the long-distance water delivery projects in the alpine regions. A collision model of the drift ice and open channels was also established as a water-air coupling medium using the ANSYS/LS-DYNA platform. Specifically, the collision motion equation of drift ice in the open channel was obtained, according to the display of time integration. The contact-collision process was assumed as a symmetric penalty function. The fluid-structure coupling calculation was then implemented considering the coupling effect between water-air-flow ice-open channels. After that, LS-DYNA SOLVER software was used to simulate the collision and extrusion of drift ice and open channel under different working conditions. As such, the degree of the collision was classified to evaluate the damage caused by the drift ice to the lining of the open channel. An indoor model test was carried out to verify the model. A damage law of drift ice was thus found in the water-air coupling medium when colliding with the open channel. The results showed that there was an approximate Pseudo-Voigt function peak curve relationship for the maximum equivalent stress and the maximum displacement in thedirection of the impact of the ice velocity on the open channel lining. Besides, there was an approximately linear relationship for the maximum equivalent stress and the maximum displacement in thedirection of the impact of drift ice compression strength on the lining of open channels. Furthermore, a combination interval posed a significant impact on the open channel lining, where the compressive strength of the flowing ice was 1.825-3.199 MPa, and the speed of the flowing ice was 3.5-4.5 m/s. This equivalent stress value of impact was 4.3-16.8 MPa, and the maximum displacement value in thedirection was 2.59×10-5-5.52×10-5 m. More importantly, a two-factor combination was posed the greatest impact on the open channel lining impact, where the flow ice compression strength of 3.059 MPa, and the flow ice velocity of 4.0 m/s. This equivalent stress value of impact was 16.8 MPa, and the maximum displacement value in thedirection was 5.52×10-5 m. By contrast, the combination interval presented a fewer outstanding impact on the open channel lining, where the drift ice velocity of 0.5-1.0 m/s, and the compressive strength was 1.825-2.375 MPa. This equivalent stress of impact was 0.7-2.8 MPa, and the maximum displacement in thedirection was 0.24×10-5-0.52×10-5 m. Therefore, there was a significant correlation between the temperature and the compressive strength of drift ice, while the flow velocity and the speed of drift ice. Correspondingly, the influence of the ice load needed to be considered in the design stage of the open channel lining structure. The findings can also provide sound theoretical and technical support to the safe operation of long-distance water transportation projects for the alpine regions in winter.

numerical simulation; test; fluid-solid coupling; drift ice; open channel; impact effect

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.019

TV672

A

1002-6819(2021)-21-0163-10

貢力，賈治元，李義強，等. 流冰對輸水明渠混凝土襯砌的撞擊影響[J]. 農業工程學報，2021，37(21)：163-172.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.019 http://www.tcsae.org

Gong Li, Jia Zhiyuan, Li Yiqiang, et al. Impact of drift ice on concrete lining of open water conveyance channel[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(21): 163-172. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.019 http://www.tcsae.org

2021-08-03

2021-10-19

國家自然科學基金項目（51969011）；甘肅省科技計劃資助項目（20JR10RA274, 21JR7RA301,20JR2RA002）

貢 力，博士，教授，研究方向為輸水工程安全研究。Email: gongl@mail.lzjtu.cn