Page 79 - 2022年第53卷第4期

5 m/s、相对湿度 45%和云量 20%，再利用辨识优化后 HIGHTSI 模型计算各环境组合条件下冰温，利
用式（12）计算石笼沉排下冰层失稳时（120 h）的承载力，加载方式为中心加载（表 2），计算结果绘制
图 9。它是黄河宁蒙段实施冰上石笼沉排的气温和冰厚组合线。从图 9 看出，随着气温降低和冰厚增
加，冰面承载力越来越大。相对气温而言，冰厚对石笼沉排下冰层承载力的贡献更大。以 50 cm 厚的
石笼沉排单位面积重量 1100 kg/m 为例，若气温为最高温度 0 ℃，根据式（12）计算的无缺陷冰层条件
2
下布放石笼沉排时施工安全冰厚至少应为 66 cm，其它气温条件下施工安全冰厚见图 9 中的黑色实线
以上部分。
除了冰厚和冰温影响冰层承载力外，冰层内裂缝数量和深度、气泡含量、泥沙等均可视为缺陷
引起承载力下降。如果冰层含有气泡、泥沙及细小裂缝（小缺陷冰层），建议对冰层中心加载方式下
计算的施工安全冰厚增加 10%（见图 9 中黑色点划线以上部分）。如果冰层裂缝深度超过冰厚 50%或者
裂缝内存在水流（大缺陷冰层），这时应采用冰层边缘加载方式 ［8，13］ ，它计算所得施工安全冰厚比中心
加载计算的施工安全冰厚偏大 32.3%～38.1%，因此建议在图 9 的施工安全冰厚基础上增加 40%（见图
9 中黑色短划线以上部分）。
文献［38］统计了 1957—2020 年黄河宁蒙河段 4 个水文站冰厚资料，资料显示黄河宁蒙段冰厚处
于减薄趋势。它说明在全球气候变暖背景下，黄河宁蒙段冰厚会减薄。未来在黄河宁蒙段实施石笼
沉排时可能遇到自然冰厚不能满足图 9 计算的承载力要求，这时建议在一定条件下采取人为增加冰厚
的漫灌或淋喷措施和减薄石笼沉排厚度措施。

110
3350
100
2970
90
2590
施工安全冰厚/cm 70 2210 （kg/m 2 ） 承载力/
80
1830
60

50 1450
1070
40 690

30 310
-30 -25 -20 -15 -10 -5 0
气温/℃
图 9 不同气温与冰厚组合下冰层 120h 时承载力
6 结论

本文利用冰热力学和冰力学理论知识，以及现场观测数据，对什四份子冰上石笼自然沉排试验
区域冰层承载能力进行评估和分析，得出如下结论：
（1）基于 HIGHTSI模型和辨识优化方法，确定出黄河什四份子试验期间冰-水界面热通量为 9.06 W/m ，
2
依据该关键参数能够计算石笼沉排下冰温剖面。利用冰层变形、冰温、冰弯曲强度和弹性模量确定
什四份子石笼自然沉排长期荷载的衰减指数λ=0.08。据此，构建包含冰厚、冰温和衰减时间的冰层承
载力表达式。
（2）利用构建的冰层承载力表达式，得到 50 cm 厚度石笼自然沉排在无缺陷冰层条件下的气温及
冰厚组合施工安全界限。如果冰层内存在气泡、泥沙和细小裂缝（小缺陷冰层），建议相同气温下施
工安全冰厚增加 10%。如果冰层存在裂缝深度超过冰厚 50%或裂缝内有水流情况（大缺陷冰层），建
议相同气温下施工安全冰厚增加 40%。
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