弯槽冰塞水位试验研究

冰塞的出现造成河道上游水位壅高,常诱发凌洪灾害。天然河道并非理想直线而是蜿蜒曲折的,冰塞的堆积演变过程更为复杂,研究弯道冰塞水位变化规律对于北方河流的防凌工作具有重要意义。通过S形弯槽试验,分析弯槽冰塞水位变化特点及规律,并与直槽和天然河道进行对比。试验结果表明:冰塞水位壅高滞后于冰塞的增厚过程,且平衡冰塞水位增值随冰塞厚度的增加而增加,平衡冰塞水位相对增值随弗劳德数的增大而递减,弯槽平衡冰塞水位相对增值与直槽相比增幅较小。     

冰塞渗流阻力特性的实验研究

冰塞引起的上下游水位变化与内部水流阻力有关,其堆积演变形成的固液多孔介质中存在渗流问题,且渗流阻力对上下游水头压力具有一定影响。本研究基于实验室冰水力学模型实验,通过设定不同的水力条件,获取不同冰塞剖面形状及沿冰塞剖面累积方向冰盖下流速分布,采用非达西渗流理论对冰塞内渗流阻力进行率定,获得了渗流阻力能量损失的变化特征。结果表明,渗流阻力能量损失占总能量损失的比例为11%～21%,冰厚较大位置可达到42%,沿冰塞累积方向,渗流能量损失占比与冰厚和水深之比呈典型的正相关。渗流流量为河道内重要的槽蓄水量,孔隙率在0.39～0.51之间,冰厚与水深之比在0.6～1.4之间时,渗流流量占总流量的9%～26%。渗流流量的变化受孔隙率、冰塞结构及水力特征等共同影响,冰颗粒均匀且随机堆积情况下,冰塞厚度越厚,冰体排列越紧密,孔隙率和渗流系数越小,流体通过多孔介质的比表面积越大,渗流能量损失也越多。本研究进一步明晰了冰塞阻力机理及渗流阻力在冰塞中的重要性,为受凌汛灾害困扰流域解决实际问题提供理论科学依据。     

冰盖条件下桥墩局部冲刷研究进展

冬季,寒冷地区的河流会出现冰盖或冰塞现象。冰盖的存在使水流湿周增加,流速剖面与明流条件下完全不同,最大流速出现在河床表面和冰盖底部之间,具体位置取决于河床和冰盖的相对粗糙程度。因此,冰盖条件下桥墩局部冲刷过程不同于明流条件下的局部冲刷过程。明流条件下的桥墩局部冲刷是国内外学者研究的热点问题之一,但关于冰盖条件下桥墩局部冲刷的研究工作却非常有限。在简要回顾明流条件下桥墩局部冲刷研究成果的基础上,对冰盖条件下桥墩局部冲刷的研究成果进行了综述和讨论,并提出了今后的研究方向。     

封冻期渠系运行方式

为研究系运行方式与冰塞二者之间的关系,以流速、傅汝德数、水位偏差等参数作为指标,在常规运行方式选择方面,认为上游常水位运行造成的冰塞风险最小,下游常水位运行在封冻时闸门调控及时,等体积运行方式中庸;封冻渠池在封冻时,该渠池运行方式由下游常水位切换为等体积,造成渠系的水位偏差、水力响应过程中的最大流速与傅汝德数等指标均较始终保持下游常水位小,模拟工况下的上游水位偏差减小近50%,最大流速降低约6.5%,表明运行方式切换更有利于维持渠系在封冻时的稳定和减小冰塞风险。因此,推荐封冻渠池在封冻时由下游常水位切换至等体积运行。     

双桥墩条件下冰塞发展临界条件试验初步研究

河流中的桥墩改变了附近原有的水流特征,冬季可能对其附近冰塞的形成和演变产生影响。基于水槽模型试验,通过改变墩心距、墩径、墩形、冰水流量比和水流弗劳德数,分析了双桥墩条件下冰塞发展通过桥墩的临界条件。试验表明：冰塞能否发展通过桥墩所在断面存在临界弗劳德数,其值受墩心距、墩径、墩形和冰水流量比等因素控制,随着墩心距的减小或冰水流量比、墩径的增大,冰塞发展通过桥墩所在断面难度增大,方形墩相较于圆柱形墩难度增大;试验范围内,随着墩心距的减小,桥墩所处河道断面输冰能力增强,初始冰塞厚度增加,但冰塞平衡厚度减小。     

黄河什四份子弯道冰期水流及冰塞特征研究

覆冰条件下,弯道水流固有的三维特性更为复杂,对河流弯道冰下水流特征及冰塞的研究有助于推进防凌减灾工作。依据2020年1月稳封期的原型观测数据,对黄河什四份子弯道冰下水流及冰塞特征进行了详细分析。结果表明,弯顶节点工程引起的回流是阻冰的重要条件,上游下潜的冰花因水动力不足及河势等因素影响发生堆积,冰塞在弯内形成并沿凹岸主槽逐渐向上游发展,同时,弯顶卡冰封河与下游较大的水流流速,促进了清沟的形成;入弯至弯顶区间,冰下水流流速垂线分布基本服从双对数分布规律;受凹岸冰塞及回流影响,纵向上,水流流速呈减小趋势,在弯顶附近开始恢复;径向上,河道主流被冰塞压迫并逐渐趋于凸岸,致使弯道主流易位,凸岸水流流速大于凹岸,清沟向凸岸偏移;弯道水流湍动能与雷诺应力主要在近底处存在较大的变幅,表明近底水流运动活跃,且二者大小与流速大小在径向与纵向分布上具有较好的一致性,受冰盖影响,水流湍动能沿水深近似呈"S"形分布,雷诺应力分布无明显规律。     

冰塞成因与预测研究进展

冰凌堆积问题因危害严重、难以治理、成因复杂等原因成为我国冬季江河中极为突出的自然灾害.本文整理了近几十年来的河冰基础理论、冰情模型模拟、冰情观测方法、冰情预报方法的部分研究成果,并在此基础上探讨了冰凌研究亟待解决的技术与科学问题,初步展望了今后冰凌研究的发展趋势.     

最高冰塞,冰坝水位计算与预报的动力—随机模型

应用动力模型可以计算出某一流量过程的最高冰塞、冰坝水位。然而在设计工作中希望知道在某一概率流量情况下的最高冰塞、冰坝水位。为此，本文建立了相应的动力－随机模型。据本文作者所知道的情况，该模型在文献中尚未见到过。本文用水动力学及随机函数的相关理论两种方法论证了动力－随机模型解的收敛性。在该模型中本文建议用数学期望作为边界断面的时均值，用均方差作为边界断面上的随机值。在最大流量概率密度服从对数正态分布     

封冻期冰塞堆积演变的试验研究

冬季北方河流中经常出现冰塞现象,极易诱发凌洪灾害。冰塞厚度是冰情预测工作的重要组成内容,不同冰塞演变过程中的冰厚研究成果尚不完善。借助水槽试验,通过改变水流与冰流量条件,对冰塞的堆积演变过程进行了试验研究。结果表明:冰塞堆积演变存在两种不同的顺序,不同的顺序对应不同的厚度变化过程,形成的冰塞分别是以水力增厚为主和以力学增厚为主。这一研究发现可为冰厚计算公式的选取提供有效的技术支撑。     

ICE JAMS IN A SMALL RIVER AND THE HEC-RAS MODELING

This paper describes a model of a 3.06km long river reach between two small reservoirs under both open flow and ice covering conditions for different operational settings of the stoplogs in the downstream reservoir. The HEC--RAS model developed by the Hydrological Engineering Center of US Army Corps of Engineers was used to compare different approaches in terms of flow velocity, water level and the Froude number. The impacts of heavily vegetated main channel and floodplain on ice accumulations were investigated. And it is shown that this vegetation plays a significant role in the formation of river ice jam during winter period and thus the vegetated channel has strong influence on ice flooding. In addition, the paper explores the impact both of the operation of the stoplogs during the winter period and the presence of the downstream dam on the accumulation of ice jam along this river reach.