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水 利 学 报

２０２２年 １０月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５３卷 第 １０期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２２）１０ － １２６２ － ０８

双桥墩条件下冰塞发展临界条件试验初步研究

王 童，王 军，胡昊天，桑连升
（合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 ２３０００９）

摘要：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。
关键词：双桥墩；临界弗劳德数；冰塞堆积方式；冰水流量比
文献标识码：Ａ
中图分类号：ＴＶ１３３ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２２００７４

１ 研究背景

冰塞是寒冷地区河流特有的自然现象，它的存在使湿周增大，冰盖下过流能力减小，导致上游水
位壅高，诱发凌洪灾害 ［１］ 。众多学者对冰塞的观测、预报以及数值模拟展开了深入的研究，其中观测
方面 ［２ － ４］ 从简单的观测水位、流量、冰情等水文参数发展到考虑相关热力学、气象学参数并采用各种
高科技装备；冰塞的预报 ［５ － ８］ 则从总结历史数据到采用一套考虑冰水力学、热力学、气象及人工智能
等影响的综合体系；数值模拟 ［９ － １１］ 则解决了以往模型试验所不易或不能解决的相关问题，对一些传统
公式中的参数进行了修正，并在理论方面取得一些突破。而跨河桥墩的存在对河道原有的水力条件和
边界条件产生了一定的影响，桥墩和冰塞产生相互作用，冰塞也更容易形成 ［１２］ 。
河流封冻伊始，封冻冰盖前缘处存在冰块的下潜和堆积，冰块下潜的临界条件与冰塞形成的临界
条件有关。研究初期，学者们常用临界下潜流速判断冰块下潜的临界条件：Ａｓｈｔｏｎ ［１３］ 分别基于不同河
［１４］
流实测数据，提出冰块下潜的临界流速在 ０．６～０．７ｍ?ｓ之间；Ｍｉｃｈｅｌ 通过整理分析模型试验的数据，
［１６］
得出了冰块的临界下潜流速的表达式。此后，Ｕｚｕｎｅｒ等 ［１５］ 和 Ｋｅｎｎｅｄｙ 、隋觉义等 ［１７］ 、王军 ［１８］ 等考
虑冰块尺寸、密度以及堵塞程度等影响因素，通过不同方法得出了冰块下潜的临界弗劳德数计算公式，
但都没有考虑桥墩对冰塞形成临界条件的影响。王军等 ［１９ － ２０］ 分别对 Ｓ型和 Ｕ型弯槽开展了冰塞演变试验
研究，提出了弯槽段临界弗劳德数；汪涛等 ［２１］ 借助试验水槽，通过改变水流条件和冰流量条件，研究了
Ｓ型弯槽和直槽冰塞形成条件，试验表明：弯槽段冰塞形成的临界弗劳德数大于直槽临界弗劳德数。
为了确定多跨桥梁的最佳位置以及桥墩在不同位置对输冰能力影响的强弱，Ｕｒｒｏｚ等 ［２２ － ２３］ 在小型
水槽进行了一系列试验研究，表明了弯道顶端的桥墩相较于直道段的桥墩对冰塞形成的临界条件影响
［２４］
较小；Ｔｙｍｉｎｓｋｉ 通过模型试验，研究了 ７种不同墩形下桥墩对冰塞形成的影响，发现流线型桥墩最

收稿日期：２０２２ － ０２ － ０３；网络首发日期：２０２２ － ０９ － １５
网络首发地址：ｈｔｔｐ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２２０９１４．１１２１．００１．ｈｔｍｌ
基金项目：国家自然科学基金项目（５１８７９０６５）
作者简介：王童（ １９９７ － ），硕士生，主要从事河冰水力学研究。Ｅ － ｍａｉｌ：７３９８５４３９７＠ｑｑ．ｃｏｍ
通讯作者：王军（１９６２ － ），博士，教授，主要从事河冰水力学研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｊｕｎｗａｎｇｈｆｕｔ＠１２６．ｃｏｍ
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