引水隧洞冰期輸水的冰力學(xué)模型試驗研究

姜海峰

（遼寧潤中供水有限責(zé)任公司，遼寧沈陽110000）

隨著我國工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，人類對水資源的需求和消耗量也日益增加。就我國的現(xiàn)狀而言，由于水資源地域分布嚴重不均，跨地域、跨流域調(diào)水工程就成為解決我國水資源矛盾的重要手段。為此，我國建設(shè)了引灤入津、南水北調(diào)、大伙房輸水工程等一系列重特大水資源跨流域聯(lián)合調(diào)度工程。對長距離引水工程而言，引水隧洞是整個工程的關(guān)鍵組成部分。然而，大伙房輸水工程等位于寒區(qū)的引水隧洞經(jīng)常受到冷暖交替季節(jié)的流冰威脅。如遇溫度變化比較劇烈的年份，冰情就會比較嚴重，對引水隧洞的影響乃至破壞也比較嚴重[1]。因此，加強冬季輸水對引水隧洞的破壞機理的研究，對通過技術(shù)和管理措施進行有效預(yù)防和治理無疑具有重要意義。

1 模型試驗的緣由

在水力學(xué)研究領(lǐng)域，某一問題一般都是多種影響因素相互影響的結(jié)果，而其中某一特定參數(shù)的影響，往往會面臨現(xiàn)場觀測中的作用的現(xiàn)象、條件以及各種不穩(wěn)定因素，從而對研究本身帶來不利影響[2]。當(dāng)前對冰力學(xué)問題的研究的主要方式是通過理論分析、原型觀測以及試驗研究相結(jié)合的方式進行。其中，原型觀測固然具有真實性和可靠性，但是現(xiàn)場因素十分復(fù)雜也難以控制，很難就某個特定因素進行專門研究。例如，對此次研究而言，輸水隧洞中的冰排的厚度和尺寸等參數(shù)受當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境影響巨大，因此具有不規(guī)則性和不規(guī)律性，這會在很大程度上制約原型觀測的實施和結(jié)果的效度。

因此，目前對冰排撞擊影響的研究主要是采用基于理論分析的有限元仿真模擬分析計算，可以利用不同的參數(shù)設(shè)定對不同的條件和現(xiàn)象進行組合模擬研究，從而通過理論計算模擬出各種影響因素對結(jié)構(gòu)本身的作用機理，十分方便、可靠。這些計算模型中以Ansys中的LS—DYNA軟件模擬計算軟件使用最為廣泛[3]。其中，張鳳德等利用該模型對流冰撞擊壩體進行了仿真計算，并取得良好的模擬結(jié)果[4]。但是，該計算模型的計算結(jié)果是否正確，是否能夠進一步應(yīng)用于輸水隧洞冰排撞擊影響計算，必須要經(jīng)過試驗數(shù)據(jù)的對比分析。

模型試驗可以確定與研究無關(guān)的變量以排除干擾，并根據(jù)研究需要改變相應(yīng)的參數(shù)等試驗條件，從而獲取一些列與研究因素直接相關(guān)的對比數(shù)據(jù)，有利于對特定參數(shù)在所有因素中的作用和影響規(guī)律的探究。引水隧洞冰期損害也不例外，通過冰力學(xué)模型試驗可以針對冰排的流速、尺寸、厚度等因素對引水隧洞襯砌撞擊過程中的撞擊力影響與機理展開實際驗證，并取得相應(yīng)的結(jié)論。

2 模型試驗設(shè)計

2.1 試驗對象的選取

基于上述分析，此次研究以某輸水工程引水隧洞為例，通過模型試驗的方式驗證LS—DYNA軟件模擬計算軟件在引水隧洞冰排撞擊影響模擬計算方面的準確性。該隧洞全長15.723 km，縱坡為 1/1 000，設(shè)計流量29 m3/s，加大流量為34 m3/s。該隧道為復(fù)合式襯砌型無壓引水隧洞，隧道內(nèi)凈寬4.2 m，凈高4.4 m，頂部為半徑2.1 m的半圓。由于長距離隧洞中間段埋深較大，溫度較高，可以使得冰排慢慢融化。因此，研究中以隧洞進出口20 m進行模型試驗。

2.2 試驗裝置簡介

為了研究冬季輸水過程中冰排對引水隧洞的破壞機理，首先對國內(nèi)外冰力實驗室和相關(guān)模型的研究成果進行梳理，最終確定選用水工模型試驗室的單邊坡試驗裝置進行此次試驗。在具體的試驗過程中，由于僅就冰排的流速、平面尺寸、厚度等不同參數(shù)條件下冰排對引水隧洞的影響進行模型研究，而在僅考慮上述參數(shù)變化的條件下，冰排對引水隧洞襯砌的撞擊力不大，一般不會對引水隧洞的整體穩(wěn)定性帶來顯著的負面影響。綜合上述考慮，在此次試驗中選用矩形水槽代替隧洞模型。根據(jù)試驗要求和現(xiàn)場條件，模型按照與輸水隧洞1∶28的比例進行設(shè)計。

此次試驗裝置主要設(shè)備及其參數(shù)和作用如下：

1）水箱：其主要作用是儲存試驗裝置中的循環(huán)水，根據(jù)試驗需要和室內(nèi)空間，設(shè)計尺寸為2 m×1 m×1 m。

2）水泵：其主要作用為模型中的水循環(huán)提供動力，通過水泵運行將水從地面水箱提升到水槽中，并循環(huán)運行。

3）水槽：此次試驗過程中的主要設(shè)備，用來模擬輸水隧洞。由于此次研究僅考慮冰排對輸水隧洞的撞擊作用，而這種作用不會對輸水隧洞的整體穩(wěn)定性造成大的影響，同時對隧道的上壁幾乎沒有任何影響。因此在試驗過程中使用明渠代替輸水隧洞，考慮到各種綜合因素，水槽的尺寸設(shè)計為0.15 m×0.2 cm×4 m。

4）升降螺旋：在冰排對輸水隧洞的影響試驗中，冰排的流速是影響撞擊力的重要因素，要順利進行試驗，就必須要對流速進行有效控制。因此，在此次試驗裝置中設(shè)計了升降螺旋來調(diào)節(jié)水槽的坡度，結(jié)合流量的控制達到控制和改變流速的作用。

5）有機玻璃應(yīng)變片：在此次試驗設(shè)計中選取型號為BX120-4AA的應(yīng)變片，沿著水槽的邊壁分別貼十個應(yīng)變片，通過與瞬時應(yīng)變測試儀相互配合，實現(xiàn)對實現(xiàn)對應(yīng)變量的測量，然后進一步計算相應(yīng)的應(yīng)力。

6）瞬時應(yīng)變測試儀：該儀器是實驗裝置的主要儀表設(shè)備，也是試驗結(jié)果輸出設(shè)備，在試驗中具有十分重要的價值和作用。其主要功能是通過應(yīng)變片測出冰排碰撞水槽壁時發(fā)生的應(yīng)變。

7）測速儀：主要用于測定水槽中水的流速。8）水位測針：主要用于測定水槽中的水位。

9）冰塊：由于此次試驗沒有將冰的不同物理屬性對撞擊力的影響考慮在內(nèi)，因此出于儲存方便和試驗方便的考慮，采用比重為0.8 g/cm3左右的石臘塊作為模擬冰塊，當(dāng)然，在結(jié)果計算中需要進一步轉(zhuǎn)換。

2.3 技術(shù)路線

基于上述分析，為了研究流速、冰排厚度和尺寸等特定因素對輸水隧洞的碰撞影響和作用機理，有必要進行室內(nèi)模型試驗。但是，冰期輸水試驗具有其自身的特殊性，會牽涉到眾多而復(fù)雜的因素，要同時滿足水動力、冰力和熱力等3種條件的相似性。其中，水力條件可以通過重力相似性準則進行模擬；冰力學(xué)條件應(yīng)該滿足柯西數(shù)等相應(yīng)的要求。由于此次試驗在相對恒溫的室內(nèi)條件下進行，且主要利用冰排的厚度和尺寸大小代替溫度差異，因此熱力學(xué)條件的相似性要求可以忽略不計。具體的試驗技術(shù)路線：

2.4 試驗方案設(shè)計

輸水隧洞在冬季輸水過程中，按照冰的形成與變化過程可以分為結(jié)冰期、封凍期以及解凍期3個主要階段。在前兩個階段冰對輸水建筑物主要產(chǎn)生膨脹力危害，不屬于本文的研究范圍。在春季的解凍期，流動的冰排會對輸水建筑物產(chǎn)生比較明顯的撞擊力作用。因此，本文試圖對冰排的不同尺寸、厚度和流速工況下的撞擊力影響展開模型試驗研究，其試驗狀態(tài)的原理圖如圖1所示。

3 試驗結(jié)果分析

經(jīng)過上述裝置試驗，得出不同工況下的大量實驗數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)按照幾何比尺1∶28進行數(shù)據(jù)處理，然后與軟件模型計算的結(jié)果進行比對。

3.1 流速對撞擊力的影響

圖1 模型試驗原理圖

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)測算，冰排的流速不同，對輸水隧洞邊壁的撞擊力以及相應(yīng)的應(yīng)力值也有所不同，具體的數(shù)據(jù)結(jié)果見表1。

表1 不同冰排流速下的試驗數(shù)據(jù)

將上述試驗數(shù)據(jù)進行處理后，與冰排流速對撞擊力影響的仿真計算結(jié)果進行對比，獲得如圖2所示的結(jié)果[5]。由圖2可知，試驗結(jié)果、模擬計算結(jié)果和y＝10x等3種形式具有相似的趨勢，隨著冰排流速的增大，冰排對輸水隧洞的撞擊力也增大，并且基本呈線性分布關(guān)系。

3.2 冰排尺寸對隧洞撞擊力的影響

根據(jù)模型試驗的結(jié)果。冰排的平面尺寸不同，對輸水隧洞產(chǎn)生的撞擊力和應(yīng)力值也不同，具體的試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

將上述試驗數(shù)據(jù)進行處理后，與冰排尺寸對撞擊力影響的仿真計算結(jié)果進行對比，獲得如圖3所示的結(jié)果。由圖3可知，試驗數(shù)值與模型計算的數(shù)值基本接近，隨著冰排平面尺寸的增大，對輸水隧洞撞擊力也逐步增大。

3.3 冰排厚度對輸水隧洞撞擊力的影響

冰排的厚度對輸水隧洞的撞擊力影響的試驗結(jié)果如表3所示。

表3 不同冰排厚度下的試驗數(shù)據(jù)

圖2 不同冰排流速模型計算與試驗結(jié)果對比圖

表2 不同冰排尺寸下的試驗數(shù)據(jù)

圖3 不同冰排尺寸模型計算與試驗結(jié)果對比圖

圖4 不同冰排厚度模型計算與試驗結(jié)果對比圖

將上述試驗數(shù)據(jù)進行處理后，與冰排厚度對撞擊力影響的仿真計算結(jié)果進行對比，獲得如圖4所示的結(jié)果。由圖4可知，試驗結(jié)果、模擬計算結(jié)果和y＝6.7x＋0.2等3種形式具有相似的趨勢，隨著冰排厚度的增大，冰排對輸水隧洞的撞擊力也增大，并且基本呈線性分布關(guān)系。