Page 126 - 2022年第53卷第10期

２．２ 试验步骤 在 ２０与 ２１断面之间放置一长为 ０．６ｍ，宽为 ０．４ｍ的轻质聚苯乙烯泡沫板模拟冰盖
用做辅助水槽内形成堆积冰塞；将上游 ３断面处设置为控制断面，其未加冰盖或未产生流冰且稳定状
态下的水深和断面平均流速设为实验的初始水深（ Ｈ）和初始流速（Ｖ）；加冰器置于上游 ４断面处，控
０
０
制冰流量（ Ｑ）。当水槽内冰波长度、厚度基本保持不变时，各断面波峰波谷测值围绕某一定值上下小
ｉ
范围波动，记录标号断面的冰塞厚度最大值和最小值后取平均，各断面每通过一个冰波进行一次测
量，当各断面冰厚连续三次的均值相差 ０．１ｃｍ以内时，认为水槽内的冰塞达到动态平衡。

３ 冰塞发展通过双墩上游的临界条件

为了探究双墩下游形成初始冰塞后，冰塞前缘向上游发展能否通过双墩所在断面、冰塞发展通过
桥墩断面的难易程度，以及冰塞厚度变化，进行了一系列的试验。试验过程中发现：受双墩尾流及其
束窄作用的共同影响，冰颗粒在双墩墩柱及中间位置下潜并向下游输运，若下潜的冰颗粒量大于上游
来冰量，冰塞前缘则无法通过桥墩所在断面，此时称之为冰塞通过桥墩所在断面的临界条件（以下简
称临界条件）；反之则能顺利通过桥墩所在断面，此时称之为冰塞通过桥墩所在断面的正常条件（以下
简称正常条件）。
３．１ 初始冰塞形成过程的流速分析 图 ４为不同墩心距下初始冰塞前缘到达桥墩所在断面前（通过 １７
断面未到达 １６断面）和到达时（通过 １６断面未到达 １５断面）桥墩断面不同水深的平均流速，该流速为
桥墩所在断面不同水深时，即距泥沙表面 ４～１４ｃｍ不同测点的中垂线上的平均流速。

图 ４ 桥墩断面不同时刻流速图

由图 ４可知，试验范围内，在相同的墩形、墩径、初始水深、流速以及冰流量条件下，随着墩心
距增加，双墩断面平均流速反而减小；随着初始冰塞通过桥墩所在断面，桥墩断面的最大流速点下移
且最大流速点的流速增大。
３．２ 临界条件下冰塞发展与演变 图 ５和表 １为试验条件：Ｖ ＝ ０．１９ｍ?ｓ ，Ｈ ＝ ０．２５ｍ ，Ｄ＝ ０．０２ｍ ，
０
０
Ｇ ＝ ０．０４ｍ ，Ｑ ＝ ０．０２６Ｌ?ｓ ，圆柱形桥墩下冰塞的演变和发展过程，图 ６为临界条件下冰塞平衡状态，
ｉ
桥墩位于 １６断面。
由图 ５、６和表 １可知，临界条件下冰波的形成和 发展 分为 初始 和平 衡 两 个阶 段。初 始 阶段时
（ ０．１～３．０ｈ），由于大量冰颗粒下潜，冰塞前缘到达桥墩断面后会在桥墩附近形成第一个冰波，其形成
后会随着水流向下游运动，随后在桥墩附近形成第二个冰波，继续向下游运动，直到桥墩下游水槽内
同时存在数个冰波，冰波厚度和长度随时间变化；平衡阶段时（３．０～３．５ｈ），水槽内的冰波厚度和长度
基本保持不变，水槽内上游来冰量等于下游出冰量，下游出冰量按照固定的时间间隔从回水槽中捞起
的量按时间平均计算得出，但整体冰塞仍随着水流运动，这时可以认为达到了一种动态平衡状态。
３．３ 不同边界条件下冰塞发展通过桥墩上游的临界条件 试验按图 ３布置条件分成 Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ和 Ｅ
五组，试验结果以冰水流量比（Ｑ?Ｑ ）为纵坐标，初始弗劳德数（Ｆｒ）为横坐标作图，按冰塞能否通过
ｉ ｗ
桥墩所在断面进行分类统计，发现冰塞能否发展至桥墩上游断面存在明显的分界线，具体见图 ７。

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