Page 79 - 2021年第52卷第8期

水 利 学 报

2021 年 8 月 SHUILI XUEBAO 第 52 卷 第 8 期

文章编号：0559-9350（2021）08-0959-10

冰塞渗流阻力特性的实验研究

1
赵水霞 ，SHEN Hung Tao 2
（1. 水利部牧区水利科学研究所 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010020；
2. 美国 Clarkson 大学 土木与环境工程系，波兹坦 纽约 13699-5710）

摘要：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。
关键词：冰塞；水流阻力；非达西渗流；能量损失；试验研究

中图分类号：TV83 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20200912

1 研究背景

冰塞现象影响世界上众多河流安全，北半球约 60%的河流均受不同程度季节性冰塞洪灾的威胁 ［1-2］ 。
由冰塞引起的极端事件对水资源管理、内陆航运、水力发电运行、河岸结构稳定及生态环境等均产
生不利影响。天然河道内冰塞的形成受水力学，热力学及冰水动力学等综合影响，机理较为复杂，
使得数值模拟和室内模型试验多被用来探究冰塞的形成和溃决机理 ［3-5］ 。冰塞形成后，河道内湿周增
加，水力半径减小，流速分布受阻力及能量损失变化的影响区别于明水流时的对数结构，进而导致
水流形态发生改变 ［6-7］ 。茅泽育等指出冰盖下水流流速在流动核心区域较为均匀，并不遵循对数分布
［8］
规律 ，冰盖下冰花堆积与悬浮冰花运动间存在动态平衡关系，属于相变的液-固两相流，类比于河
［9］
床推移质和悬移质泥沙运动 。当河道内水流含冰率一定时，冰盖下水流弗劳德数越小，冰塞糙率越
大，当冰盖前缘水流的弗劳德数大于临界值 0.09 时，冰塞厚度将呈一定的下降趋势 ［10］ 。受沿程冰厚
及水力条件等影响，冰塞河段水流的动能损失增加，河道过流能力下降，上游水位受冰体阻碍壅高
而形成槽蓄水量 ［11-12］ ，严重时冲毁河堤，形成洪水灾害。
冰塞内水流阻力是随时间和空间不断变化的函数，也是造成河道上下游水位差异的主要因素。
为有效预测冰塞堆积过程中水位和流量关系，探明水流阻力组成及其能量损失特征具有重要的现实
意义，但该值一般很难直接测量获得，需采用流速分布间接估算 ［13-14］ 。早在 1942 年，Einstein 针对封
冻河道内阻力问题，提出了冰盖下以最大流速为界，分为冰盖糙率区和河床糙率区两部分，冰盖下

收稿日期：2020-11-05；网络首发时间：2021-05-31
网络首发地址：http：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20210529.1014.001.html
/
基金项目：国家自然科学基金项目（52009084，51669024）；内蒙古自治区自然科学基金项目（2020BS05038）
作者简介：赵水霞（1992-），博士，工程师，主要从事河冰热力学及冰水动力学研究。E-mail：zhaoshuixia2010@163.com
— 959 —