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水 利 学 报

2022 年 4 月 SHUILI XUEBAO 第 53 卷 第 4 期

文章编号：0559-9350（2022）04-0445-11

冰上石笼自然沉排的冰热力学和力学理论及应用

李春江 ，李志军 ，杨 宇 ，王庆凯 ，张宝森 ，邓 宇 3，4
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3，4
（1. 大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024；
2. 沈阳工程学院 基础教学部，辽宁 沈阳 110136；
3. 黄河水利委员会 黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003；
4. 水利部堤防安全与病害防治工程技术研究中心，河南 郑州 450003）
摘要：为了有效实施冰上石笼的自然沉排，2020—2021 年冬季在黄河什四份子弯道开展了现场试验。综合该冬
季气象资料、石笼沉排周边冰面变形观测资料、实测冰厚资料以及以往冰力学成果，得到黄河什四份子石笼自然
沉排试验期间的冰-水界面热通量 9.06 W/m 和冰层长期载荷下承载力衰减系数 0.08，构建包含冰厚、冰温和衰减
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时间的冰层承载力表达式。在此基础上，按照黄河冰上石笼自然沉排施工时间 120 h 计算，给出黄河宁蒙段无缺
陷冰层和有缺陷冰层实施冰上石笼自然沉排的冰厚、气温组合安全分界条件，并建议含有气泡、泥沙和细小裂缝
的小缺陷冰层，施工安全冰厚增加 10%；当冰内裂缝深度超过冰厚 50%或裂缝内有水流的大缺陷冰层，施工安全
冰厚增加 40%。
关键词：黄河冰；冰热力学；冰力学；承载力；石笼自然沉排
中图分类号：TV861 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20210871

1 研究背景

［1］
利用寒区结冰河道，实施冰上石笼沉排是一种因地制宜且有效的河道岸坡防护技术 ，它分为自
然沉排和强迫沉排。自然沉排主要等待春季气温升高，冰层升温和融化，石笼排体自然沉入河底；强
迫沉排主要依靠人工破冰沉放石笼排体。1980 年以来，中国东北地区河流相继应用冰上石笼自然沉排
（以下简称“石笼沉排”）技术，例如：1986 年在辽河的二龙眼、兰旗、李河套、平安堡和杨家窝 5 处应
［2］
用冰上石笼沉排实施护岸工程 ；1998 年冬季在松花江的苏家工程 600 m 崩岸段采取 40 cm 厚石笼沉排
［5］
［4］
［3］
护岸 ；2003 年 3 月在嫩江白沙滩险工处布放宽度 15 m，总面积 49 500 m 石笼沉排 。钟华等 系统总
2
［6］
结了冰上石笼沉排的制作、连接、锚固、压载和沉放等工艺。汪恩良等 综述冰上石笼沉排在寒区护
岸工程应用的研究进展。总的来说，冰上石笼沉排施工首先方法简单，易掌握，节约投资；其次，
具有良好的整体性和柔性，能很好自适应边坡及河床地形起伏，防护效果好。
冰上石笼沉排的工程应用涉及冰层承载力，冰层承载力是以板壳力学为基础发展起来的，国内
外已有相关报道。中国学者 1986 年在辽河开展了不同冰厚条件下冰上石块压载试验，得到冰厚与极
［7］
［2］
限荷载的关系曲线 。张栋 利用低温试验室内水槽开展了 12 组室内悬臂梁试验，得到冰层平均弯曲
［8］
强度为 842.5 kPa，还模拟了冰上石笼自然沉排和强迫沉排的下沉过程。李吉庭 利用 ANSYS 软件开
展不同冰层厚度的承载力数值模拟。冰层自重同水位波动联合作用下的冰层开裂或破碎也是承载力
问 题 ， 已 被 国 内 学 者 关 注 ［9-10］ 。 同 样 冰 上 娱 乐 ［11］ 和 冰 上 交 通 ［12-13］ 也 有 涉 及 冰 层 承 载 力 。 国 外 学 者

收稿日期：2021-09-24；网络首发时间：2022-04-12
网络首发地址：http：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20220410.2107.001.html
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基金项目：国家自然科学基金项目（51979024，51879116）；国家重点研发计划项目（2018YFC1508402-2）
作者简介：李春江（1988-），博士生，主要从事冰物理和力学性质研究。E-mail：lichunjiang0405@mail.dlut.edu.cn
通讯作者：李志军（1960-），教授，主要从事冰物理和力学性质研究。E-mail：lizhijun@dlut.edu.cn
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