考虑冰盖生消和冰-结构-冻土协同作用的渠道弹性地基梁模型

冰-冻破坏是寒区冬季输水渠道结构破坏的主要原因,而目前尚缺乏准确的分析方法和评价准则。本文从冰盖生消过程中结冰初期、流冰期和封冻期3个阶段衬砌结构冰冻破坏机理出发,考虑在冰-结构-冻土协同作用下,基于弹性地基梁Winkler理论推导了衬砌结构的挠曲线微分方程,分别建立了3个阶段衬砌结构的冰冻破坏力学模型,并结合相应荷载组合和边界条件对模型求解获得了衬砌结构的挠度、内力和应力的解析表达。应用该模型对南水北调京石段某输水渠道进行冰冻破坏分析计算,结果表明:结冰初期、流冰期和封冻期3个阶段衬砌结构的法向冻胀位移最大值分别为10.62、13.89和5.05 cm,对应3个阶段衬砌结构的截面最大拉应力分别为3.63、4.11和2.05 MPa,且破坏位置均在冻结区坡板的中下部,与现场监测渠道冰冻破坏分布规律吻合。据此,建议寒区冬季输水渠道控制运用中应尽量缩短结冰初期、流冰期时间,延长第3阶段稳定封冻期时间,同时应合理控制地下水位和冰盖厚度。研究结果可为寒区冬季输水渠道抗冰冻设计提供理论依据和分析方法。

冰盖下水流纵向紊动特性的试验研究

冬季河流封冻后,水体表面出现固体冰盖,使得过水断面的湿周增大,水力半径减小,从而导致了水流结构和紊动水体对河底附加切应力的改变。进行冰盖下水流纵向紊动特性试验研究对进一步探讨冰盖下的紊流冲刷具有一定的指导意义。本文借助室内模拟试验,对不同流速、水深、冰盖糙率等条件下的冰盖下水流垂线流速及紊动强度进行了观测与分析,得出了以下结论:在水流条件基本一致的情况下,冰盖下水流纵向紊动强度比明流大;且随冰盖糙率的增大,冰盖下水流的纵向紊动强度逐渐增大。