高唐县水务局山东省聊城市252800
摘要：本文的物理模型试验主要研究冬季河冰变化过程中冰盖下的水流结构形态，从最初形成的岸冰冰盖逐渐到河流中心发展为覆盖整个河面的连续冰盖，并分析不同糙率的冰盖对垂线流速分布的影响。根据水体加漂浮冰盖的模型给出相应的相似定律，并结合试验目的设计了多种试验方法，模拟不同水深、不同流速、不同糙率及不同宽度冰盖下的水流，测量了冰盖下垂线流速分布。
关键词：复合土工膜；老化；浸润线；稳定性
水在地球上的分布范围非常广，江河、湖泊和海洋等水体约占地球总面积的3/4，而高纬度地区的表面水体在冬季温度下降时经常会发生结冰现象，因此冰冻是世界上寒冷区域普遍发生的自然现象。河流封冻后，水体表面出现固体冰盖，使得过水断面湿周增大，水力半径减小，同时由于冰盖的糙率作用以及水浸冰和水内冰占去了部分过水断面等，从而导致了水流形态的变化，带来的影响包括水力发电产量的损失，航运线路阻塞、航期缩短，河流中的水利结构破坏，泥沙输移和河槽形态的改变，水资源供应和调配中断，严重时导致凌洪灾害，淹没农田房屋，危害人民生命安全。
随着我国改革开放和经济建设进程的加快，河流两岸人民的经济活动日渐发达，因而，河流冰情现象对沿河区域经济发展的影响也愈加突出，防凌减灾的任务不断加重，开展河冰动力学的相关研究变得非常重要。由于我国冰情研究起步比较晚，与明流河道相比，国内外学者对河冰问题的研究成果较少，而且河冰灾害发生频繁且破坏力巨大，尤其是黄河下游的冰情十分复杂，以及当前气象预报精度和预见期等因素的制约，对黄河冰情的研究至今还不能完全满足黄河防汛的需要，亟需对黄河河冰的形成、输移和开河过程进行系统、深入的研究，为政府决策部门制定防汛策略提供科学依据。
由于河冰现象的特殊性使得冰盖覆盖下的水体很难通过原型观测方法进行研究，而且河冰形成和演变过程复杂多变，且受多种因素的共同影响，因此使用理论分析方法也存在一定的局限性。在实验室开展物理模型试验重演与原型相似的自然现象可以直观地观察并测量冰盖下面的水流情况，将试验结果按照一定的相似准则引伸到原型中，从而为解决实际问题提供科学依据。
1、模型比尺
根据黄河下游水文资料，黄河山东段1999~2010年封冻厚度一般为10-25厘米，封冻期最大流速基本不超过0.75m/s，多在0.3-0.6m/s之间。依据河道试验范围、模型场地大小及环形水槽供水条件，选用水平比尺为10，垂直比尺为10的正态模型进行设计。因河道水流主要受重力和河床阻力作用，故应同时满足重力和阻力相似准则。对于浮冰盖应使流冰密度佛汝德数相等，在本试验中满足原型和模型漂浮冰盖的水浸冰厚度几何相似，并使得浮冰运动也满足限制性要求。
2试验参数
（1）水流
本试验采用环形水槽中的单向循环恒定水流。根据黄河下游封冻期的流速和流速比尺计算出模型试验流速范围并选取三个有代表性的断面平均流速（0.6倍水深流速）分别为0.1m/s、0.2m/s和0.3m/s。通过黄河水深范围和选取的垂直比尺推算得到试验水深的范围，选择三种典型水深为0.1m、0.2m和0.3m。水温为18℃，运动粘滞系数621.06210m/s。
（2）泥沙
试验中使用的模型沙级配曲线如图3-6所示，其中值粒径50d=0.2毫米，标准偏差g=1.61，孔隙率n=0.4，试验段沙床高度为0.1米。根据Strickler[118]（1923）定义的曼宁系数n为泥沙粒径的函数1/6nd21.1计算得到床面泥沙的曼宁糙率系数为0.011。
图1模型沙级配曲线
3、试验方案
河道中常见的冰盖形式主要包括结冰初期的从河流两岸向中心发展的岸冰和封冻期覆盖整个河面的连续冰盖等。为研究整个冰期的冰盖水流结构，分别模拟了连续冰盖流和岸冰冰盖流。连续冰盖流试验拟分析不同冰盖糙率对水流结构的影响及最大流速点的分布，因此测量了五种不同曼宁糙率系数的冰盖分别在三种水深（0.1m、0.2m、0.3m）和三种流速（0.1m/s、0.2m/s、0.3m/s）情况下的垂线流速分布，并模拟了同样情况下的明流作为对比。测量垂线流速时从床面起每隔1厘米设置一个测点，水深0.1米时有11个测点，水深0.2米时有21个测点，水深0.3米时有31个测点。
岸冰是从河岸向河道中心逐渐发展的，直到覆盖整个河面，因此选择了三种宽度的泡沫板模拟发展过程中的岸冰冰盖。由于岸冰出现在岸边水深较浅的位置，于是试验中分别测量了两种较浅的水深（0.1m、0.2m）和三种流速（0.1m/s、0.2m/s、0.3m/s）情况下河道中心开敞河面处的垂线流速分布和各种宽度的冰盖下距离槽壁5cm处的垂线流速分布。同样是每隔1厘米设置一个测点。
4、物理模型试验的结果分析
明流是指底面和侧面为固壁而上表面与大气接触的水流。由于明流在垂线方向上只有一个边界即床面，所以明流只在床面上受到阻力作用，流速在床面附近最小，越往自由水面方向床面糙率的影响越小，流速越大。但是河流水面受到空气阻力作用使水面附近的流速稍有下降，因此明流流速并不是在水面处达到最大值，而通常在水面以下0.2倍水深的位置垂线流速最大。
冬季河流冰盖的出现使明流变为封闭的暗流，同时在垂线方向上的边界由一个增加为两个，分别为床面和冰盖。上部边界的添加改变了明流原本的垂线流速分布形式，在床面和冰盖附近流速均较小，越往中间流速越大，在床面以上冰盖以下某个位置流速达到最大值。最大流速点的位置随床面和冰盖的糙率变化而变化，当床面糙率和冰盖糙率相等时，水深中心处流速最大。Larsen[119]（1973）提出河床附近的水流不受冰盖影响，冰盖的出现只会影响到冰盖附近的上层水流。将冰盖流的过流断面以最大流速点位置为界分为上下两个部分，最大流速点以上冰盖以下为冰盖区，最大流速点以下床面以上为床面区。
当水深h分别为0.1m、0.2m和0.3m时，未被冰盖覆盖的明流垂线流速符合指数分布规律，靠近床面处水流受河床阻力作用使流速较小，离床面越远也就是越靠近水面流速越大，而光滑冰盖下的垂线流速呈现出两头小中间大的形态。光滑冰盖模型的出现使同流量的冰盖流水深大于明流水深，这是由于上部边界的出现增加了水流阻力。
5结论
对不同流速、不同水深、不同冰盖类型（完全封冻的冰盖和不完全封冻的岸冰）、不同冰盖糙率等冰盖流的物理模型试验结果进行了分析和研究，主要结论包括：
当流量较小时，岸冰河道中心开敞区域的水深大于明流，垂线流速分布形式与明流大致相同，但是相同深度上的流速比明流流速大，并且流速随着岸冰冰盖宽度的增加而增大。岸冰冰盖流在两岸冰盖处的水深小于相同情况的明流水深，垂线流速分布形态与连续冰盖流相似，都呈现出中间小两端大的形式。
参考文献：
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