水库冰表层形变的现场观测与分析

2016年12月水利学报SHUILIXUEBA0第47卷第12期文章编号：0559—9350(2016)12—1585—08水库冰表层形变的现场观测与分析黄文峰，2李志军3贾青，王妮(1．长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西西安7100642．长安大学环境科学与工程学院，陕西西安710064；3．大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连116024；4．黑龙江大学水利电力学院，黑龙江哈尔滨150086)摘要：冰层应变是决定静冰压力的主导因素。以红旗泡水库冰为例，开展不同方向上冰表形变的原位观测，改进现有冰温度应力计算模型来预测表层应力和评价边界约束、冰裂缝、风等环境因素对冰应力的影响。分析发现：冰层在边界约束下仍随冰温改变而伸长或收缩，Et收缩量与膨胀量不等导致冰面产生残余形变，且呈各向异性；冰表层实际应变应由温度应变与环境调整应变组成，且第一主应变方向受寒潮和强风共同作用会发生偏转；冰应力模型表明环境调整应变可释放少量温度应力，但在冰温快速升高时，环境调整应变致使主应力明显高于温度应力。因此，静冰力计算模型不考虑因边界位移、冰层裂缝发展等引起的冰层形变(即环境调整应变)会产生较大误差。关键词：冰；温度；应变；观测；模型；热应力中图分类号：TV62文献标识码：Adoi：10．13243~．cnki．slxb．201605131研究背景冰层生消是我国北方河流、湖泊、水库等地表水体最为直观的季节性水文过程之一。封冻期，冰盖因温度变化而引起的膨胀力是水工建筑物和沿岸设施承受的主要荷载，甚至造成破坏，已成为困扰寒区水工建筑物设计人员的不可忽视的问题。冰的力学特性和工程行为十分复杂，影响因素众多，致使冰温度荷载的计算存在很多不确定或不稳定因素。目前，就冰膨胀力的研究方法可划归为四类：(1)经验、半经验公式法。根据现场观测资料，结合冰的某些特有物理性质和数学统计方法，建立简单、有效的量化公式，对工程设计有一定指导作用。但常因实际应用时环境条件与公式建立所依据的条件不符，导致估算精度大幅降低。(2)物理模拟试验研究。在一定的理论指导下，降低成本再现工程的自然状况，模拟工况发生、发展过程，或辅助于理论模型的验证。(3)冰层破坏的静力学分析。。已知冰层材料、力学性质，对冰层与水工建筑物间的不同作用形式(如挤压、弯曲、剪切、屈曲等)进行受力分析，计算冰层破坏时建筑物承受的最大荷载。(4)数学物理模型分析。运用相应的物理、数学手段，从理论上探寻确定静冰荷载的方法，受到广泛推崇。其主要思路是通过水文、气象资料推求冰层温度场，再采用不同的冰本构模型计算冰层热应力。将冰层看作简单的热弹性材料，CarterD等以薄冰板理论为基础，提出考虑水位变化和热膨胀的静冰压力的估算方法；史庆增和徐阳、黄焱等将有限元引入不同型式结构物的温度场和热应力的估算。除冰层的边界条件和作用形式外，因环境条件变化(如冰温、应变速率等)而引起的冰层自身热学、力学性质收稿日期：2016-05—12：网络出版日期：2016—10—21网络出版地址：http：／／www．cnki．net／kcms／detail／11．1882．TV．20161021．1622．010．html基金项目：国家自然科学基金项目(41402203，51579028)；中央高校基本科研业务费专项资助基金(310829161011)；陕西省博士后基金资助项目作者简介：黄文峰(1985一)，男，安徽濉溪人，博士，讲师，主要从事河湖冰物理、冰区水利工程与环境研究。E-mail：huangwenfeng@chd．edu．cn一1585—的变化(fH1度变化、蠕变)也是影响静冰力大小的键索近米，将冰看作黏弹材料，冰边似定为田定约束，采J几的本构模'，发展J多种冰层礼^发力汁算模、然而，对冰俊心力问题的研究，f¨然仔儿个问题：，数积祟有lf_分敞，现场观测技术条¨：和操作准则签篪齐；第，冰边约束队1，冰卜了堤坝之的冻结，既非简支．也『占1支．Iflf心介于两者之J”：，冰层n复杂的力学为fu冰体变形仍处十摸索阶段f究针x,J此、卜水库淡水冰，观测冰盖表层彤变．分析热敏心变硬其影响豢，提m改进的冰J小卡勾关系太层热y、力，并时沦冰J约束条件^乏冰裂缝的影响2场脱测0数据处理2．1现场观测坨省被池水丁人庆市坨lxl以尔l2．5km，址人f『汀l_,lkfiJ水水源地之一腆泡水怍容1．16亿m‘．水深较浅(不4m)，址·的大剐、卜水水侔『f1辛、副坝、尔俐坝lfu半离地成(1)，体n1均质黏【允、混凝土盖板}厂I坡，长24．5kmjIf1辛坝3478Ill，迎水坝坡比I：2．5，背水坡比为1：2，腆宽5Ill每4』J卜匈至l0门下，jI嫩汀水补给水J乍；『冬季结冰¨-补水，J=L水库仃·个站抽水，水化人降