乌梁素海湖泊冰生长过程的现场观测

为了研究湖泊结冰过程中特有的水文特性对冰封期水环境的影响,以乌梁素海湖泊为研究对象,对湖泊冰生长过程中气温、冰温和水温进行在线观测,以分析冰温和水温对气温的响应关系。用冰钻钻取冰厚依次为9.5、21.0、31.0、41.0、59.0 cm时的冰柱样品,对其表观密度进行测定,并从冰的透明度、冰晶体类型、气泡数量和冰柱底面纹理四方面分析每段冰柱的形态结构。结果表明:冰温和气温有相同的变化趋势,冰温的变化滞后于气温的;冰下水的温度不受气温的影响,稳定在-0.25~-0.50℃;湖冰生长期冰的表观密度为895.2~903.3 kg/m3,冰柱下层的表观密度小于上层的,这与冰生长速率和气泡的数量及体积有关;湖冰生长过程中不同深度冰柱的透明度、晶体类型、气泡含量和底面纹理有较大差异。     

新疆输水工程冰害防治研究与展望

新疆地处中国西北部,其特殊的气候、地理及水文特征,导致输水工程出现严重的冰害问题。该文概括地阐述了新疆输水工程产生冰害的原因,以及冰害在输水建筑物渠首、渠道表现出的不同冰害类型。提出了修建蓄冰库、结冰盖运行、增加水温或增加压力水射流融冰、输冰以及排冰等工程技术措施。目前取得的防治冰害的工程技术措施,基本满足近期冰害的防治问题,但随着新疆大规模调水工程的实施,输水工程冰害的防治问题不可忽视,水利科技工作者面临着新的冰害防治问题需要研究。     

哈尔滨三环路典型路隧涎流冰成因分析及防治措施

公路隧道工程的建造成为了提高人们出行便利的重要途径,但隧道渗漏一直是个质量通病。通过调查发现,北方寒冷地区由于低温时间较长,隧道渗水处出现很多涎流冰,严重影响交通安全。由此可见,尽早地对路隧涎流冰产生的危害做出预防,具有很大的必要性。为此,文章针对研究对象进行实地考察,并结合数据分析,总结路隧涎流冰在不同条件作用下的形态特征。主要是考虑结构强度、气候变化、防排水系统和施工处理等方面的影响,指出:(1)渗水是造成涎流冰现象频繁发生的基础,其中地表水和地下水的汇流,为冰体发育提供物质基础;(2)根据数据分析,发现涎流冰形成的温度条件在0℃以下,温度的变化也是成冰的关键因素之一;(3)基于现有的工程技术,进行多方面的优化,才是解决寒区隧道结冰病害的高效防治措施,研究结果可供类似病害治理借鉴。     

明渠冬季输水可行性分析——基于新疆某小型引水工程

新疆地区冬季时间相对较长、气温比较低,明渠冬季运行极易发生冰害问题,这对明渠冬季输水的安全性造成了很大的威胁.通过对明渠冰害形成的原因及危害的分析,采用一维对流-扩散模型并结合当地的气象资料,通过计算渠道水体散热率判断明渠是否存在冬季运行结冰问题.在明渠冬季运行出现结冰的条件下,通过分析明渠冬季输水两种主要方式——冰水二相流输水方式和结冰盖输水方式的适用性,合理选择明渠冬季输水方式,保证明渠冬季安全可靠运行.     

基于离散元方法与水动力学耦合的河冰动力学模型

流凌和冰坝是我国北方冬季比较常见的河冰现象,尤其冰坝,可导致严重的凌洪灾害,是河冰研究中的重要部分。本文将离散单元方法与二维水动力学相耦合,建立河冰的动力学数值模型,以模拟河冰输移、聚集、堆积,以及冰坝形成的动力过程。针对河道中大量密集且几何形状随机的流冰现象,采用扩展多面体单元对冰块进行构造,并通过离散元接触模型表征河冰输移和冰坝形成过程中冰块间的相互作用。河流水动力部分则采用考虑河冰影响的二维非定常浅水方程进行描述,并采用有限元方法进行数值计算。冰水耦合中的计算参数由河冰离散单元与其所在水动力学有限元网格节点的位置插值计算得到。通过对冰盖封河造成水位抬高过程的数值模拟,并将计算结果与理论分析结果以及DynaRICE河冰模型的模拟结果进行对比,以验证模型的有效性。在此基础上,对规则河道中河冰输移、堆积和形成冰坝的过程进行数值模拟和结果分析。通过以上河冰离散元与水动力学的耦合方法及其对河冰动力过程的数值模拟,对河冰动力过程从细观角度进行新的认识并为河冰动力过程研究提供一种有效的数值方法。     

寒冷地区结冰现象对混凝土面板堆石坝接缝止水体系的影响

针对北方冬季寒冷低温条件,研究了结冰现象对止水体系锚固系统安全性的影响程度。通过实验室模型试验,模拟测定了不同降温速率下结冰所产生的冻胀对锚固系统的拉拔破坏力值及冰与螺栓冻结强度、冰与扁钢压条及橡胶盖板的冻结强度等参数。研究了冻融循环对膨胀螺栓C30混凝土的锚固力及不同灌封型式的影响。在分析水位变化引起的冰盖对止水锚固系统的破坏作用基础上,结合试验测试结果,提出了寒冷地区止水锚固体系设计施工中应注意的主要问题和建议。     

贵州某隧道隧址区岩溶发育特征探讨

贵州某隧道隧址区以碳酸盐岩为主、岩溶发育，已成为制约该工程的主要地质问题之一。根据现场勘查和地质资料，阐述了隧址区的岩溶发育形态、发育规模及其空间展布，分析了影响该区岩溶发育的控制因素，并在一定程度上总结了岩溶发育的特征，对隧道施工过程中做好相应的防范准备工作具有指导意义。     

水塘静水冰生消原型研究与数值模拟

为研究静水冰生长消融规律,2014年11月中旬至2015年3月中旬在内蒙古托克托县南湖水塘进行不同时段、不同水深静水冰生消的原型试验,通过试验观测得到冰盖厚度、水温和冰温随时间及气温变化过程。根据对水塘静水水体结冰和融化物理过程的分析,建立水温及冰盖生长、消融相互作用的耦合模型。结果表明:气温是静水冰盖生消的主要影响因素;在冰盖演变过程中,水深对其影响较小,仅对结冰后期冰厚及冰盖完全消融时间有所影响;表层水温受气温影响明显,深层水温受影响较小;冰面温度与气温变化同步。基于已有的数学模型,加入野外观测边界条件及气-冰-水三态热交换公式,模拟水温及冰盖生长和消融过程,发现冰厚和水温的计算值与实测值基本吻合,差值在波动允许范围内,此结果深化了对静态水域冰盖生效机理的认识。     

冰盖生长和消融的实验研究与数值模拟

为研究冰盖生长和消融的规律,在实验室内设计了水体结冰实验.通过实验得到冰盖厚度、水温和冰内温度随时间的变化过程.根据对水体结冰和融化物理过程的分析,建立水温与冰盖生长、消融相互作用的耦合模型.采用耦合模型来模拟水体结冰和融化过程,通过对模拟结果与实测结果的对比,发现冰厚和水温的计算值与实测值基本吻合.此结果为研究高海拔、高纬度地区封冻水库的结冰机制及冰盖下的水温时空分布提供重要理论基础.     

南水北调中线工程冰期输水特性研究

应用水力学、冰水力学和传热学等理论,通过建立渠道的气、水、冰的热传导方程,水温控制方程,水流运动、浮冰输移及冰盖发展方程,构建了南水北调中线干渠的一维冰期输水模型。该模型不仅考虑了渠道拦冰索对流冰的控制条件,以及穿黄隧洞等地下结构的地温影响,还通过加入闸门控制算法,模拟了渠道中闸门对水位和流量的调控作用,使得数值模拟结果更能符合工程的实际情况。利用此建立的模型,对该工程黄河以北干渠的冰期输水过程进行了模拟,分析了渠道的冰情特性,研究了冰期渠道的水力响应特性,并提出了渠道冰害防治和运行控制等方面的建议。     

水库冰盖厚度及弧门自开启原因的研究

研究了负温度日数和水库冰盖厚度的关系；计及冰下水的温差密度流，数值模拟了闸区的结冰过程；对原型观测的冰压力结果进行了定性分析，说明了闸前的冰应力与库区冰应力的不同的日变化机制；对冰作用下的弧门小开度自开启原因作了说明并对开启量作了近似估计.     

严寒高海拔地区水电站引水渠道设计

新疆地区,冬季严寒且漫长,尤其是在高海拔地区修建引水式水电站工程,冬季运行面临严酷的挑战,引水渠道冬季冰情严重,引水渠道内的冰害是影响水电站能否正常运行的的关键所在。由于严寒地区昼夜温差大及独特的自然地理条件,使得引水渠道内冰的生成和消融极其频繁,为了解决水电站冬季引水渠道打冰、捞冰、破冰等问题,水电站通常采用引水渠道结冰盖运行,现以新疆塔什库尔干河布达尔水电站工程引水渠道为例,阐述对寒冷地区引水式水电站引水渠道如何进行结冰盖设计进行详细介绍。     

基于数字图像相关方法的黄河冰断裂性能研究

河冰的断裂性能是衡量河冰承载力、模拟和预测开河的重要参数。为明晰黄河冰的断裂性能,基于数字图像测量技术(Digital Image Correlation,DIC)开展了黄河冰的三点弯曲梁试验,分析了不同条件下试样的断裂形态,研究了温度和加载速率对黄河冰断裂韧度的影响。研究结果表明:DIC方法适用于黄河冰断裂试验的研究;黄河冰试样的断裂形态主要受到晶体形态的影响,试样的破坏形式以Ⅰ型断裂为主;黄河冰断裂韧度随着加载速率的增加而降低,随着温度的升高而减小,但在试验给定温度范围内降幅较小;提出了黄河冰断裂韧度与温度、加载速率的关系式,为极限荷载作用下河冰断裂过程的分析及冰荷载断裂参数的选用提供了依据。     

南水北调中线京石段冬季调度策略

冰塞是南水北调中线工程冬季输水面临的主要冰害。冰塞的形成及发展与水力、热力、冰冻等多方面因素有关。因此,分析冰塞在不同因素下的变化特征,研究如何通过改变水位、流速等控制方式降低冰塞灾害发生的概率,对于保障中线工程冰期输水的供水安全至关重要。以中线工程中冰害风险较大的坟庄河节制闸 南拒马河节制闸渠段为研究对象,首先基于水动力学、热力学以及冰水力学等理论,构建冰情演变模型,并进行率定与验证;然后依据冰塞的形成条件以及影响因素,设置不同水深、流速与气温的组合情景并模拟冰情变化;之后基于水深、流速与水温变化对冰塞特征影响的定量分析,确定流速的控制指标以及气温的预警指标,提出渠段冬季输水的安全调度方式;最后采用冰塞最容易发生的水深、流速以及气温的组合情景对调度方式进行验证。验证结果表明,该调度方式能够显著降低冰塞发生概率,有效保障了冰期输水安全,能够为实际调度提供一定的参考。     

蒲石河抽水蓄能电站水库冰情研究

蒲石河抽水蓄能电站地处严寒地区,冬季水库会发生结冰现象,为保障电站冬季运行,有必要开展电站水库冰情研究。为此,采用资料分析和数值模拟方式,总结了电站水库冰情的形成及消长规律,分析了电站机组运行和水库冰情之间的关系,给出了该电站建议的冬季运行方式,提出了电站水库冬季最大冰厚的计算方法,模拟了电站水库冬季结冰过程,研究成果可供同类工程借鉴。     

河冰演变过程分析的一维数学模型研究

通常情况下,河流中的冰情可以按照冰的形成和消融过程分为3个阶段:结冰期,封冻期和解冻期。一个能够完整描述河流结冰、封冻和解冻过程的河冰数学模型由以下3个分模型组成:水力模型、热力模型和冰冻模型。水力模型用于计算河道中流场和其水力要素;热力模型用于计算水体热交换,水温分布和降温过程;冰冻模型用于模拟水内冰的产生,冰花输移,浮冰输移,底冰增厚和消融,冰盖的形成、推进和增厚,冰盖的热力增厚和消融,冰盖前缘下潜输冰能力和冰塞演变过程。这3个模型相互影响和作用,水力条件影响热力交换和冰冻过程,热力条件决定冰冻过程,冰冻过程又反过来影响水力条件和热力条件。本文给出一个能够完整描述河流结冰、封冻和解冻过程的一维河冰数学模型,当然也可以用其中的分模型计算某一特定河冰过程。     

密云水库调蓄工程冬季输水调度方案研究

密云水库调蓄工程冬季输水可能出现流冰、冰塞及冰坝现象,对泵站、闸和渠道边坡等建筑物造成破坏,影响输水安全。统计京密引水渠正反向输水冰情,针对京密引水渠工程输水的特点和建筑物形式,研究京密引水渠冬季正向输水和反向输水可能存在的冰害,提出了防治冰害的工程措施和调度方案,为京密引水渠冬季安全输水提供支撑。     

黄河头道拐段冰输移及堆积过程数值模拟

头道拐河段因其特殊的河道形态及地理位置而成为黄河内蒙古段最易形成冰坝的河段,研究该河段河冰输移及堆积过程是理解内蒙古段河冰过程及卡冰结坝作用机理的关键。本文基于耦合的二维有限元水动力学模型和DPM(Discrete Parcel Method)河冰动力学模型,模拟了黄河头道拐河段2020—2021年冬季封河过程并进行了验证,讨论了不同水力条件、上游流凌密集度及河道形态对封河过程的影响。结果表明：相比于官牛犋弯道,河道弯曲率大、束窄程度高的什四份子弯道更易形成卡冰,且流量越小,卡冰作用越明显,冰盖向上游发展速度越快。河道流凌密集度小于0.4时,各种流量下研究河段未发生卡冰;流凌密集度增大至0.4,表面流冰首先在弯曲率系数较大的什四份子弯道处形成卡冰,随着流凌密集度和流量的进一步增大,下潜并输移到下游的流凌也会在官牛犋弯道形成卡冰,因此,头道拐河段形成卡冰的流凌密集度临界条件为0.4。应用冰水耦合二维动力学模型可以很好地模拟天然河道河冰输移、堆积过程中河道的水力特性、冰厚增长及封河形态,揭示了影响河冰过程的相关因素及作用机理,为黄河内蒙古段防凌减灾工作提供技术支撑。     

长江科学院承担的川藏铁路大渡河特大桥隧道锚专题研究进展顺利

正受中铁大桥勘测设计院集团有限公司委托,长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室承担了"新建川藏铁路大渡河特大桥隧道锚抗拔承载力试验及受力机制研究"专题工作,专题研究目的为论证两岸采用隧道锚方案的可行性,同时为设计方案的细化和优化提供技术支持。专题研究项目组于2019年7月进场开展相关工作,综合采用现场平洞勘探、室内外岩石力学试验、现场缩尺模型试验、理论分析、数值模拟等手段,对两岸隧道锚部位岩体性状进行了精细评价,对隧道锚锚洞的成     

鄂西某隧道地应力场回归分析及其对工程稳定性影响

针对软岩隧道施工中出现的围岩失稳工程难题,结合鄂西某深埋特长隧道的现场地应力测试,通过应用实测数据进行区域应力场回归分析及围岩关键部位变形的数值模拟,综合评价了应力场对该隧道围岩稳定性的影响.结果表明:该隧道测区围岩处于高应力区,且拱顶变形相对较大,围岩稳定性较差.分析结果与现场现象相吻合,说明该方法可行有效,可为隧道施工设计提供参考.