Page 72 - 2022年第53卷第4期

［14］
Wyman 在 1950 年研究加拿大湖冰承载力时，分析了集中荷载和均布荷载下的承载力理论模型。
Frederking 等 ［15］ 推导出冰层应力与应变关系，指出海冰静荷载承载力的安全条件是冰层最大挠度不超
过干弦高度。Sinha 等 ［16］ 发展了包括冰晶结构、时间和温度三因子的淡水冰短期弹性-黏弹性承载力
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模型。Kerr 总结了短期静荷载、长期静荷载和移动荷载 3 种工况的冰层承载力试验成果。到 21 世
［18］
纪，Beltaos 从应力、挠度/应变、应变能和尺寸效应讨论了浮冰承载力的失效准则，并利用 5 组试验
［19］
数据进行检验。Masterson 介绍在钻井、管道运输工程中不同荷载类型下计算冰层极限承载力的方
法。Weale 等 ［20］ 以南极冰上补给运输为背景，从最大拉应力和最大挠度两方面评估了 McMurdo 站在 4 个
海冰表面温度区间（-4～-10 ℃、-10～-20 ℃、-20～-27 ℃、＜-27 ℃）的冰层承载能力。国内外关于
冰层承载力的研究已取得丰硕成果，但未见有将冰热力学与冰力学耦合来评价冰层承载力的成果。
2020—2021 年冬季围绕黄河冰上石笼自然沉排，开展了以下工作：（1）获取黄河什四份子弯道整
个冰期连续气象要素和雷达监测冰厚数据；（2）钻孔实测石笼沉排施工区域冰厚；（3）现场布放铅丝
石笼和摆放已知质量的石块；（4）观测石笼沉排期间的冰面变形。具体思路是：（1）利用现场连续监
测气象和冰厚数据，确定冰-水界面平均热通量，在此基础上，计算石笼沉排下冰温；（2）利用热力
学获得的石笼下冰层温度和力学试验获得的冰弯曲强度、弹性模量与温度关系，计算冰层相应的承
载力；（3）利用石笼周边冰面变形和冰力学中的长期强度概念，获得冰力学中承载力衰减指数；（4）
利用热力学获得的关键参数冰-水界面平均热通量和力学获得的黄河冰长期承载力衰减系数，以形成
用于评估石笼沉排铺放后的冰层承载力计算式，为黄河实施冰上石笼沉排提供科学依据。

2 冰上石笼沉排现场试验

2.1 研究区概况 黄河什四份子弯道（图 1）位于内蒙古托克托县境内（111°2′53″E，40°17′39″N），它是
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典型的“Ω”型弯道，河道比降约 0.1%，河宽 200～600 m，海拔 991.8 m 。

（a） 什四份子弯道 2021/1/27 高分 6 号卫星遥感影像 （b） 护岸滑塌

（c） 无人机拍摄的什四份子弯道 （d） 冰上石笼沉排施工现场
（图中：A 为冰上石笼沉排施工位置，B 为弯道连续冰厚和冰面高程监测位置，C 为水文和气象观测站）

图 1 黄河什四份子弯道试验现场

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