流冰對輸水明渠混凝土襯砌的撞擊影響

貢 力，賈治元，李義強(qiáng)，杜強(qiáng)業(yè)，張嬌艷

流冰對輸水明渠混凝土襯砌的撞擊影響

貢 力，賈治元，李義強(qiáng)，杜強(qiáng)業(yè)，張嬌艷

（蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州 730070）

為研究西北寒冷地區(qū)長距離輸水工程中流冰對輸水明渠的撞擊影響，該研究運(yùn)用LS-DYNA軟件模擬不同工況下流冰與輸水明渠碰撞擠壓過程，并通過室內(nèi)模型試驗(yàn)進(jìn)行相應(yīng)驗(yàn)證，探求水-空氣耦合介質(zhì)中流冰碰撞輸水明渠的破壞規(guī)律。結(jié)果表明：流冰速度對明渠襯砌撞擊的最大等效應(yīng)力與方向最大位移呈現(xiàn)出近似的Pseudo-Voigt函數(shù)峰值曲線關(guān)系。流冰壓縮強(qiáng)度對明渠襯砌撞擊的最大等效應(yīng)力與方向最大位移呈現(xiàn)出近似的線性關(guān)系。綜合分析所模擬的不同組合工況可以看出，對明渠襯砌撞擊影響明顯的組合區(qū)間是流冰壓縮強(qiáng)度為1.825～3.199 MPa、流冰速度為3.5～4.5 m/s時(shí)的組合情況，其等效應(yīng)力值為4.3～16.8 MPa、方向最大位移值為2.59×10-5～5.52×10-5m；對明渠襯砌撞擊影響最大的雙因素組合是流冰壓縮強(qiáng)度為3.059 MPa、流冰速度為4.0 m/s的組合情況，其等效應(yīng)力值為16.8 MPa、方向最大位移值為5.52×10-5m；對明渠襯砌撞擊影響較為不明顯的組合區(qū)間是流冰速度為0.5～1.0 m/s、壓縮強(qiáng)度為1.825～ 2.375 MPa時(shí)的組合情況，其等效應(yīng)力為0.7～2.8 MPa、方向最大位移為0.24×10-5～0.52×10-5m。同時(shí)，模擬值與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，表明所采用的數(shù)值模擬仿真模型準(zhǔn)確可靠，其結(jié)果可為寒冷地區(qū)冬季輸水工程安全運(yùn)營提供幫助。

數(shù)值模擬；試驗(yàn)；流固耦合；流冰；明渠；撞擊影響

0 引 言

西北地區(qū)冬季寒冷，流冰期長，冰凌災(zāi)害已經(jīng)成為該地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉輸水工程中的首要問題[1]。位于此地區(qū)的輸水明渠在農(nóng)田灌溉輸水過程中，經(jīng)常受到水-空氣-流冰耦合作用下的撞擊，而長期的流冰碰撞會導(dǎo)致輸水明渠混凝土襯砌龜裂或表層剝落等破壞，對輸水明渠襯砌結(jié)構(gòu)安全以及長期農(nóng)田灌溉供水穩(wěn)定性方面存在著嚴(yán)重的威脅。

國內(nèi)外學(xué)者在流冰碰撞仿真模擬方面進(jìn)行了大量的研究。Tuhkuri[2]利用彈性斷裂理論與邊界單元法建立了各向同性冰排與結(jié)構(gòu)相互作用的數(shù)值模型，進(jìn)行了冰排裂紋形成過程的研究；蔡偉等[3]開展了與實(shí)驗(yàn)場景相對應(yīng)的不同冰材料模型下的船冰碰撞有限元數(shù)值模擬，總結(jié)了用于船-冰碰撞數(shù)值模擬的冰材料模型準(zhǔn)確性和可行性評估方法；Sand等[4]考慮了水壓力、浮力、冰材料的斷裂與破碎等因素后，將各項(xiàng)同性冰材料模型與結(jié)構(gòu)體相互作用進(jìn)行了系統(tǒng)的有限元仿真模擬研究；貢力等[5]在流冰對輸水隧洞撞擊作用力學(xué)特性方面進(jìn)行了相應(yīng)的研究與分析；Rüdiger等[6]考慮模型尺度的冰微觀結(jié)構(gòu)和荷載作用下各種物理效應(yīng)的數(shù)值模型；張宿峰[7]基于線彈性材料模型冰排特性和橋墩破冰形狀對流冰撞擊力的影響；Zhang等[8]利用LS-DYNA軟件對影響流冰和T型剛構(gòu)橋橋墩接觸碰撞過程的因素進(jìn)行了研究分析；黃焱等[9]對船-冰碰撞載荷時(shí)間歷程的模型試驗(yàn)進(jìn)行了研究；Miryaha[10]研究了典型的浮冰作用模式和海上結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布。王健偉等[11]基于非線性有限元法對船-冰層碰撞結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究。綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者在流冰碰撞橋墩和船冰碰撞方面的研究較多，但針對流冰對寒冷地區(qū)輸水明渠的撞擊作用研究較少。

為研究寒冷地區(qū)長距離輸調(diào)水工程中水-空氣-流冰耦合作用下對輸水明渠混凝土襯砌的撞擊影響，探究水-空氣耦合介質(zhì)中流冰碰撞輸水明渠混凝土襯砌破壞規(guī)律，本文采用數(shù)值模擬結(jié)合模型試驗(yàn)的方法，并運(yùn)用 ANSYS/LS-DYNA 建立水-空氣耦合介質(zhì)中流冰與輸水明渠之間發(fā)生碰撞的有限元模型，模擬流冰與輸水明渠混凝土襯砌碰撞過程，發(fā)現(xiàn)流冰在不同工況下對輸水明渠的撞擊影響規(guī)律，擬為寒冷地區(qū)冬季輸調(diào)水工程安全運(yùn)營提供技術(shù)支撐。

1 流冰-明渠碰撞仿真模型

1.1 仿真分析理論

1.1.1 顯示時(shí)間積分原理

根據(jù)牛頓定律得流冰碰撞明渠運(yùn)動方程如(1)所示：

在考慮阻尼沙漏后，式（1）變?yōu)榫仃囆问絒12]，如式（2）：

由式（2）可以得到t時(shí)刻的加速度如式（3）。

(t)=-1[(t)–int(t)+(t)–(t)] （3）

式中(t)為位移列陣。

根據(jù)公式（4)、（5)可以求出t+1時(shí)刻的速度和位移。

1.1.2 接觸碰撞算法與類型

運(yùn)用LS-DYNA軟件模擬流冰與明渠碰撞問題時(shí)，碰撞過程中的接觸問題計(jì)算分析以罰函數(shù)法為主[13]，罰函數(shù)法為在時(shí)間步?中檢查到穿透主面的從節(jié)點(diǎn)，則將會在被穿透面中間引入一個(gè)界面接觸力[14]。該接觸力稱為罰函數(shù)值，如公式（6）所示。

=（6）

式中為罰函數(shù)值，N；為接觸界面剛度,N/mm；為穿透量,mm。

接觸面力應(yīng)遵守作用力與反作用力原理，并滿足條件（7）、（8）。

1.1.3 流固耦合

基于本文所述的流冰-明渠碰撞場景，考慮到明渠中存在的水介質(zhì)與空氣介質(zhì)而建立的水-空-流冰耦合關(guān)系，因此在LS-DYNA軟件分析顯式動力學(xué)問題時(shí)選用關(guān)鍵字*CONSTRAINED-LAGRANGE-IN-SOLID來定義流固耦合，添加任意拉格朗日歐拉（Arbitrary Lagrange-Euler）算法來區(qū)分水介質(zhì)和空氣介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)拉格朗日（Lagrangian）算法與歐拉（Euler）算法的相互作用。

1.2 工程實(shí)例

本文選取“引大入秦”工程總干渠00+406.92～04+ 231.08段梯形明渠為原型建模。引大入秦總干渠為天?？h境內(nèi)的天堂寺渠首至永登縣莊浪河西岸香爐山總水閘段，全長87 km，年輸水量為4.43億m3，控制灌溉面積可達(dá)5.73萬hm2，設(shè)計(jì)引水量為32 m3/s，加大引水量為36 m3/s，設(shè)計(jì)水深2.29 m，加大水深3.37 m。該明渠底板為C25鋼筋混凝土澆筑，厚0.2 m，邊坡掛鋼筋網(wǎng)澆筑C25細(xì)?；炷粒?.12 m，底寬4.6 m，渠高4.1 m，邊坡1：1.25。因?yàn)榭紤]到碰撞作用以及計(jì)算時(shí)間的問題，故而選取對稱明渠的一半來進(jìn)行模型的建立與求解分析，水-空氣耦合介質(zhì)中流冰與明渠襯砌碰撞模型圖如圖1所示。

圖1 水-空氣耦合介質(zhì)中流冰與明渠襯砌碰撞模型圖

為減少計(jì)算時(shí)間，接近真實(shí)碰撞情形，選取(7.582 9 m + 2.307 9 m)×4.1 m×0.5×5 m的梯形明渠模型、(5.432 9 m + 4.8079 m)×0.5 m×0.5×5 m的梯形空氣介質(zhì)模型和(4.807 9 m+2.307 9 m)×2 m×0.5×5 m的梯形水介質(zhì)模型，其中梯形模型截面面積按照（上底+下底）×高×0.5計(jì)算，模型總長度均為5 m。本文以大通河冰情和明渠所在地理位置為依據(jù)，并參考徐國賓等[15]在流冰方面的研究，選取為1 m×1 m×0.5 m的長方體流冰模型，其中流冰厚度為0.5 m，碰撞面積為0.5 m2。

1.3 模型材料參數(shù)的選取

1）流冰模型材料參數(shù)

流冰模型材料參數(shù)參考楊亮等[16]的研究成果，冰材料模型參數(shù)如表1所示。

表1 冰材料模型參數(shù)

2）輸水明渠襯砌混凝土材料

明渠襯砌混凝土材料模型由Federal Highway Administration開發(fā)，并運(yùn)用于模擬混凝土結(jié)構(gòu)低速沖擊碰撞方面[17]，混凝土材料模型參數(shù)如表2所示。

3）水-空氣耦合介質(zhì)材料參數(shù)

在軟件LS-DYNA 中，水介質(zhì)和空氣介質(zhì)采用空白材料組進(jìn)行定義，關(guān)鍵字為*MAT_NULL，由文獻(xiàn)[18]可知，水介質(zhì)材料密度參數(shù)為1000 kg/m3、截?cái)鄳?yīng)力為–1×105Pa，空氣介質(zhì)材料密度參數(shù)為1.184 5 kg/m3、截?cái)鄳?yīng)力為 –10 Pa。定義狀態(tài)方程時(shí)，水介質(zhì)采用Gruneisen狀態(tài)方程，空氣介質(zhì)采用Polynomial狀態(tài)方程，水-空氣狀態(tài)方程參數(shù)[19]如表3所示。

表2 混凝土材料模型參數(shù)

表3 水-空氣狀態(tài)方程參數(shù)

注：0為初始相對體積；0為初始內(nèi)能。

Note:0is the initial relative volume;0is the initial internal energy.

1.4 有限元模型

ANSYS/LS-DYNA適用于模擬各類真實(shí)環(huán)境中的復(fù)雜問題，能夠求解三維非彈性結(jié)構(gòu)在高速碰撞、爆炸沖擊下的大變形動力響應(yīng)。作為一款通用的非線性有限元分析軟件，可以進(jìn)行包括幾何非線性（如位移、應(yīng)變和轉(zhuǎn)動）、材料的非線性（如多種材料動態(tài)模型）及接觸非線性等分析。在算法上以Lagrange算法為主，此外還有ALE和 Euler算法；在求解上以顯示求解為主，同時(shí)兼有隱式求解功能；主要功能為結(jié)構(gòu)分析，同時(shí)兼?zhèn)錈岱治?、流固耦合功能；分析上以非線性動力為主，以靜力分析為輔。

流冰與明渠襯砌的碰撞因素主要包括：流冰壓縮強(qiáng)度、流冰初速度、流冰體積、碰撞面積、流冰厚度、空氣介質(zhì)以及水介質(zhì)作用等[20]。由于冰水兩相之間運(yùn)動是非常復(fù)雜的，其間存在著粘滯力、拖曳力等多因素耦合影響的問題，若改變流冰尺寸，則水介質(zhì)對不同尺寸的流冰其粘滯力、拖曳力是不一致的，比如流冰質(zhì)量增加后，水介質(zhì)的粘滯力和拖曳力增加，使得水流的挾冰能力下降，撞擊力則變緩。因此，在模擬時(shí)將體積、面積、厚度等參數(shù)作為一個(gè)定值不變，而將流冰流速、壓縮強(qiáng)度作為變量，意在減小流冰“尺寸效應(yīng)”對模擬結(jié)果的影響。從而只探究流冰在不同流速、不同壓縮強(qiáng)度工況下對輸水明渠襯砌的等效應(yīng)力及明渠碰撞區(qū)位移進(jìn)行分析。

將材料參數(shù)設(shè)置好后，建立水-空氣耦合介質(zhì)中流冰與明渠混凝土襯砌的有限元碰撞模型，采用SWEEP網(wǎng)格劃分，水-空氣耦合介質(zhì)中流冰與明渠襯砌碰撞網(wǎng)格劃分圖如圖2所示。水、空氣、流冰和輸水明渠模型均采用3D Solid164實(shí)體單元，求解過程中將流冰與輸水明渠設(shè)置為面面自動接觸類型，明渠襯砌面為主面，流冰接觸面為從面。由于漂浮在水面的流冰處于豎向平衡狀態(tài),所以在仿真模擬時(shí)忽略了流冰所受的豎向荷載，僅考慮水流拖動流冰運(yùn)動的水平荷載,而其水平荷載主要通過給流冰設(shè)置初速度（初速度方向即明渠襯砌方向）來體現(xiàn)，水流不提供使流冰水平運(yùn)動的動力。因此，在模擬計(jì)算中并沒有對水流設(shè)置速度，水介質(zhì)處于靜止?fàn)顟B(tài)。流速不同、壓縮強(qiáng)度不一的流冰作用于明渠襯砌時(shí)，不同工況下的撞擊影響也是不同的。給流冰假設(shè)初速度及邊界條件后進(jìn)行輸出控制，輸出K文件進(jìn)行計(jì)算。為了減小計(jì)算時(shí)間，在模擬時(shí)將流冰與襯砌距離設(shè)置為 0.005 m，求解時(shí)間設(shè)置為0.1 s進(jìn)行求解，不考慮二次碰撞等問題。在這樣一個(gè)短距離和一個(gè)短時(shí)間內(nèi)的單次碰撞問題中，流冰對明渠襯砌撞擊區(qū)的方向起主要作用，對方向的影響很小，因此在分析計(jì)算時(shí)僅對明渠撞擊區(qū)方向做相應(yīng)的說明。

圖2 水-空氣耦合介質(zhì)中流冰與明渠襯砌碰撞網(wǎng)格劃分圖

1.5 工況的選取

1）不同流冰流速工況的選取

根據(jù)引大入秦工程設(shè)計(jì)流速與最大流速并參考文獻(xiàn)[21]建立了0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、 5.0 m/s這10種流速工況下流冰與明渠襯砌的碰撞方案。根據(jù)引大入秦工程運(yùn)營設(shè)計(jì)水深及最大水深，選取模擬水深為2.0 m。

2）不同流冰壓縮強(qiáng)度工況的選取

流冰壓縮強(qiáng)度隨著溫度產(chǎn)生變化，溫度越低，流冰壓縮強(qiáng)度越大。根據(jù)天堂水文站實(shí)測資料推得冬季平均氣溫在–5℃左右，極端最低氣溫為–28.3℃，并參照王慶凱等[22]對黃河冰單軸壓縮強(qiáng)度的試驗(yàn)，可知流冰壓縮強(qiáng)度與溫度數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 流冰壓縮強(qiáng)度與溫度數(shù)據(jù)表

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 組合工況下的仿真結(jié)果

流冰速度工況范圍為0.5～5 m/s，考慮到3.5 m/s為中間值，具有代表性，因此選擇速度為3.5 m/s進(jìn)行典型分析。流冰壓縮強(qiáng)度對應(yīng)溫度，如表4，考慮到該地區(qū)冬季平均氣溫在–5°左右，對應(yīng)流冰壓縮強(qiáng)度為1.825 MPa，因此選取溫度–5°對應(yīng)的壓縮強(qiáng)度為1.825 MPa進(jìn)行求解分析。經(jīng)模擬計(jì)算可知，流冰速度為3.5 m/s、流冰壓縮強(qiáng)度為 1.825 MPa雙因素組合工況下，明渠襯砌的方向位移和最大等效應(yīng)力云圖與時(shí)程曲線分別如圖3、圖4所示。

圖3 明渠襯砌的X方向位移和最大等效應(yīng)力云圖

圖4 明渠襯砌的X方向位移和最大等效應(yīng)力時(shí)程曲線圖

由圖3、圖4可知，當(dāng)=0.008 995 2 s，流冰速度為3.5 m/s、流冰壓縮強(qiáng)度為1.825 MPa組合工況下的明渠混凝土襯砌撞擊區(qū)的方向最大位移與最大等效應(yīng)力分別為2.81×10-5m、4.8×106Pa。

由于水-空氣耦合介質(zhì)中流冰與明渠襯砌的碰撞屬于動態(tài)響應(yīng)的過程，因此圖4a中明渠襯砌的方向位移時(shí)程曲線在不同時(shí)刻出現(xiàn)多峰值情況。當(dāng)=0.008 995 2 s時(shí)的峰值為流冰撞擊到明渠襯砌的作用峰值，是整個(gè)碰撞過程中的最大峰值，明渠襯砌撞擊區(qū)的位移值在此時(shí)也為最大，為2.81×10-5m。在=0～0.008 995 2 s時(shí)，撞擊區(qū)的位移呈現(xiàn)出近似線性增長的趨勢，是由于流冰撞向明渠襯砌是一個(gè)逐漸逼近的過程，流冰與明渠襯砌之間的水-空氣耦合介質(zhì)會形成一個(gè)高應(yīng)力場先對明渠襯砌產(chǎn)生作用。在=0.008 995 2 s以后撞擊區(qū)位移由最大峰值下降到有穩(wěn)定的趨勢且出現(xiàn)多個(gè)振幅，是由于流冰撞擊到明渠襯砌的后構(gòu)件發(fā)生了的不斷失效破壞，此時(shí)明渠襯砌出現(xiàn)彈性變形。

由圖4b知，在=0～0.008 995 2 s時(shí)，即荷載加載階段出現(xiàn)中間峰值，且整體呈現(xiàn)出近似線性增長，是因?yàn)榱鞅谧蚕蛎髑r砌的過程中，流冰與明渠襯砌之間的水-空氣耦合介質(zhì)對明渠襯砌產(chǎn)生的擠壓作用。當(dāng)= 0.008 995 2 s時(shí)，出現(xiàn)最大峰值，為流冰撞擊到明渠襯砌的作用峰值，明渠襯砌受撞擊區(qū)的撞擊應(yīng)力在此時(shí)也達(dá)到最大值4.8×106Pa。在=0.008 995 2 s以后撞擊區(qū)等效應(yīng)力由最大峰值下降到趨于0階段內(nèi)，即荷載卸載階段出現(xiàn)中間峰值，可以看成是由于撞擊過程中產(chǎn)生的波浪或者碎冰對明渠襯砌的影響。

2.2 不同組合工況下的仿真結(jié)果分析

2.2.1 不同壓縮強(qiáng)度下流冰速度對明渠襯砌的影響

由2.1節(jié)對圖3、圖4數(shù)據(jù)分析結(jié)果同理可知，流冰壓縮強(qiáng)度為1.825 MPa時(shí)，流冰速度為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0 m/s工況下對應(yīng)的明渠碰撞區(qū)的最大等效應(yīng)力分別為0.7×106、0.8×106、1.1×106、1.7×106、2.3×106、3.2×106、4.8×106、8.1×106、4.3×106、3.6×106Pa，所對應(yīng)的方向最大位移分別為0.24×10-5、0.52×10-5、0.57×10-5、0.61×10-5、0.73×10-5、0.89×10-5、2.81×10-5、2.91×10-5、2.59×10-5、2.27×10-5m。分析不同流冰速度與最大等效應(yīng)力、方向最大位移的關(guān)系，繪制如圖5、6所示擬合曲線圖。

注：不同形狀符號為試驗(yàn)值，相應(yīng)實(shí)線為擬合曲線。下同。

圖6 流冰速度與X方向最大位移的關(guān)系

由圖5可以看出,當(dāng)流冰壓縮強(qiáng)度不變，流冰速度在0.5～4.0 m/s范圍時(shí)，明渠混凝土襯砌撞擊區(qū)所受最大等效應(yīng)力隨著流冰速度的增大而增大；流冰速度在4.0 m/s時(shí)，明渠混凝土襯砌撞擊區(qū)所受最大等效應(yīng)力均出現(xiàn)最大“峰值”；流冰速度在4.0～5.0 m/s范圍時(shí)，明渠混凝土襯砌撞擊區(qū)所受最大等效應(yīng)力隨著流冰速度的增大而減小，說明流冰速度在0.5～4 m/s時(shí)，其剛性效果起主要作用，流冰速度在4～5 m/s時(shí)，其塑性效果其起主要作用。經(jīng)曲線擬合后明渠混凝土襯砌撞擊區(qū)所受最大等效應(yīng)力隨流冰速度的增大整體呈現(xiàn)出“單峰”現(xiàn)象，其變化在不同流冰壓縮強(qiáng)度工況下均呈現(xiàn)出Pseudo-Voigt函數(shù)“峰值曲線”關(guān)系，不同壓縮強(qiáng)度下流冰速度與最大等效應(yīng)力的Pseudo-Voigt函數(shù)“峰值擬合曲線”關(guān)系如公式（9）所示，不同壓縮強(qiáng)度下對應(yīng)的公式（9）中的各項(xiàng)數(shù)值見表5。

式中為最大等效應(yīng)力，Pa；為流冰速度，m/s；0為偏移量，Pa；為面積，m2；為半高寬，m/s；x為正中心；m為剖面形狀因子。

表5 不同壓縮強(qiáng)度下對應(yīng)擬合曲線中的各項(xiàng)數(shù)值

由圖6可以看出，當(dāng)流冰壓縮強(qiáng)度不變，流冰速度在0.5～4.0 m/s范圍時(shí)，明渠撞擊區(qū)方向最大位移隨著流冰速度的增大而增大；流冰速度在4.0 m/s時(shí)，明渠混凝土襯砌撞擊區(qū)方向最大位移均出現(xiàn)最大“峰值”；流冰速度在4.0～5.0 m/s范圍時(shí)，明渠混凝土襯砌撞擊區(qū)方向最大位移隨著流冰速度的增大而減小，說明流冰速度在0.5～4 m/s時(shí)，其剛性效果起主要作用，流冰速度在4～5 m/s時(shí)，其塑性效果其起主要作用。經(jīng)曲線擬合后明渠混凝土襯砌撞擊區(qū)方向最大位移隨流冰速度的增大整體呈現(xiàn)出“單峰”現(xiàn)象，其變化在不同流冰壓縮強(qiáng)度工況下均呈現(xiàn)出Pseudo-Voigt函數(shù)“峰值曲線”關(guān)系，不同壓縮強(qiáng)度下流冰速度與方向最大位移的Pseudo-Voigt函數(shù)“峰值曲線”擬合關(guān)系如公式（10）所示，不同壓縮強(qiáng)度下對應(yīng)的公式（10）中的各項(xiàng)數(shù)值見表6。

式中′為方向最大位移，m；0′為偏移量，Pa；′為面積，m2；′為半高寬，ns；x′為正中心；m′為剖面形狀因子。

表6 不同壓縮強(qiáng)度下對應(yīng)擬合曲線中的各項(xiàng)數(shù)值

圖7為最大等效應(yīng)力擬合曲線殘差圖，由圖可知，不同壓縮強(qiáng)度下的殘差數(shù)值均圍繞殘差值等于0的直線上下隨機(jī)散布，可以看出殘差的絕對值較小，均分布在0～0.8范圍內(nèi)，且不同流冰壓縮強(qiáng)度對應(yīng)的指數(shù)系數(shù)2均接近1.0，綜合說明最大等效應(yīng)力曲線擬合情況良好，論證了不同壓縮強(qiáng)度下流冰速度與最大等效應(yīng)力的Pseudo-Voigt函數(shù)“峰值曲線”關(guān)系合理。

圖7 最大等效應(yīng)力擬合曲線殘差圖

圖8為方向最大位移擬合曲線殘差圖，由圖可知，不同壓縮強(qiáng)度下的殘差數(shù)值均圍繞殘差值等于0的直線上下隨機(jī)散布，可以看出殘差的絕對值較小，均分布在0～0.6范圍內(nèi)，且不同流冰壓縮強(qiáng)度對應(yīng)的指數(shù)系數(shù)2均接近1.0，綜合說明方向最大位移曲線擬合情況良好，論證了不同壓縮強(qiáng)度下流冰速度與方向最大位移的Pseudo-Voigt函數(shù)“峰值曲線”關(guān)系合理。

圖8 X方向最大位移擬合曲線殘差圖

2.2.2 不同速度下流冰壓縮強(qiáng)度對明渠襯砌的影響

由2.1節(jié)對最大等效應(yīng)力、方向最大位移數(shù)據(jù)分析結(jié)果同理可知，流冰速度為4 m/s時(shí)，流冰壓縮強(qiáng)度為1.825、2.375、2.668、2.899、3.059、3.199 MPa工況下對應(yīng)的明渠碰撞區(qū)的方向最大位移分別為2.91×10-5、3.18×10-5、3.55×10-5、3.71×10-5、5.52×10-5、4.63×10-5m，所對應(yīng)的最大等效應(yīng)力分別為8.1×106、10.2×106、12.1×106、11.3×106、16.8×106、14.3×106Pa。分析不同流冰壓縮強(qiáng)度與最大等效應(yīng)力、方向最大位移的關(guān)系，繪制如圖9、10所示擬合線關(guān)系圖。

圖9 流冰壓縮強(qiáng)度與最大等效應(yīng)力的關(guān)系

圖10 流冰壓縮強(qiáng)度與X方向最大位移的關(guān)系

由圖9可以看出，在不改變流冰速度的情況下，只改變流冰壓縮強(qiáng)度，流冰壓縮強(qiáng)度對明渠混凝土襯砌撞擊區(qū)的最大等效應(yīng)力影響明顯，其最大等效應(yīng)力均隨著流冰壓縮強(qiáng)度的增大而呈現(xiàn)出近似線性增長的趨勢。由表4可知溫度越低，流冰壓縮強(qiáng)度越大，因此，冰期輸水需要考慮溫度變化對流冰壓縮強(qiáng)度的影響，減小運(yùn)營期明渠輸水過程中流冰對明渠襯砌的碰撞破壞作用。不同流速下流冰壓縮強(qiáng)度與最大等效應(yīng)力的線性擬合關(guān)系如公式（11）所示，不同流速工況下對應(yīng)的公式（11）中的各項(xiàng)數(shù)值見表7。

=′+（11）

式中為最大等效應(yīng)力，Pa；′為流冰壓縮強(qiáng)度，MPa。

由圖10可以看出，在不改變流冰速度的情況下，只改變流冰壓縮強(qiáng)度，流冰壓縮強(qiáng)度對明渠混凝土襯砌撞擊區(qū)方向最大位移影響明顯。其方向最大位移均隨著流冰壓縮強(qiáng)度的增大而增大，呈現(xiàn)出近似線性增長的關(guān)系。由表4知溫度越低，流冰壓縮強(qiáng)度越大，因此，冰期輸水需要考慮溫度變化對流冰壓縮強(qiáng)度的影響，減小運(yùn)營期明渠輸水過程中流冰對明渠襯砌的碰撞破壞作用。不同流速下流冰壓縮強(qiáng)度與方向最大位移的線性擬合關(guān)系如公式（12）所示，不同流速工況下對應(yīng)的公式（12）中的各項(xiàng)數(shù)值見表8。

′=′′+′ （12）

式中′為方向最大位移，m。

表7 不同流速工況下最大等效應(yīng)力擬合曲線結(jié)果

表8 不同流速工況下X方向最大位移擬合曲線結(jié)果

2.2.3 流冰不同速度與不同壓縮強(qiáng)度組合工況對明渠混凝土襯砌的影響

通過上述對流冰速度與流冰壓縮強(qiáng)度工況變化對明渠混凝土襯砌的單因素影響分析可知，最大等效應(yīng)力以及方向最大位移均會受到流冰速度與流冰壓縮強(qiáng)度因素的影響，且單因素的影響明顯。為了綜合分析兩種單因素組合成多因素工況下對明渠襯砌的影響分析，通過Matlab軟件建立流冰速度-壓縮強(qiáng)度-最大等效應(yīng)力關(guān)系圖與流冰速度-壓縮強(qiáng)度-方向最大位移關(guān)系圖，如圖11、12所示。

圖11 流冰速度-壓縮強(qiáng)度-最大等效應(yīng)力關(guān)系圖

圖12 流冰速度-壓縮強(qiáng)度-X方向最大位移關(guān)系圖

由圖11可以看出流冰速度-壓縮強(qiáng)度雙因素組合工況中，流冰壓縮強(qiáng)度為區(qū)間1.825～3.199 MPa情況下：當(dāng)流冰速度在0.5～3.5 m/s區(qū)間時(shí)，其最大等效應(yīng)力增長緩慢，增長變化率小但較為穩(wěn)定；當(dāng)流冰速度在3.5～ 4.0 m/s區(qū)間時(shí)，其最大等效應(yīng)力有明顯的增大，增長變化率較大；當(dāng)流冰速度在4.0～5.0 m/s區(qū)間時(shí)，其最大等效應(yīng)力有明顯的減小，減小變化率較大；當(dāng)流冰速度在0.5～5.0 m/s時(shí)，最大等效應(yīng)力隨著流冰速度的增大呈現(xiàn)增大后減小的趨勢，且在4 m/s時(shí)變化率最為突出。流冰速度在0.5～3.5 m/s區(qū)間情況下，最大等效應(yīng)力隨著流冰壓縮強(qiáng)度的增大而增大，但增長率較為緩慢，整體呈現(xiàn)出近似的線性關(guān)系。綜合上述分析可認(rèn)為，流冰速度對明渠撞擊區(qū)最大等效應(yīng)力的影響非常明顯，但流冰壓縮強(qiáng)度對明渠撞擊區(qū)最大的等效應(yīng)力的影響較為明顯。由圖11可以看出對明渠襯砌撞擊區(qū)等效應(yīng)力影響明顯的組合工況區(qū)間為流冰壓縮強(qiáng)度在1.825～3.199 MPa、速度在3.5～4.5 m/s時(shí)的組合情況，在其組合區(qū)間內(nèi)等效應(yīng)力變化范圍為4.3～16.8 MPa，整體值大且增長變化幅度大；對明渠襯砌等效應(yīng)力影響最大的雙因素組合工況為流冰壓縮強(qiáng)度是3.059 MPa、流冰速度是4.0 m/s的組合情況，其等效應(yīng)力值為16.8 MPa，為所有工況的最大值，即雙因素組合影響最大；對明渠襯砌影響較為不明顯的組合區(qū)間為流冰速度在0.5～1.0 m/s、壓縮強(qiáng)度在1.825～2.375 MPa時(shí)的組合情況，在其組合區(qū)間內(nèi)等效應(yīng)力變化范圍為0.7～2.8 MPa，整體值小且增長變化幅度較為緩慢。

由圖12可以看出流冰速度-壓縮強(qiáng)度雙因素組合工況中，流冰壓縮強(qiáng)度為區(qū)間1.825～3.199 MPa時(shí)：當(dāng)流冰速度在0.5～3.0 m/s范圍內(nèi)，其方向最大位移增長緩慢，增長變化率較?。划?dāng)流冰速度在3.0～4.0 m/s范圍內(nèi)，其方向最大位移有明顯的增幅，增長變化率較大；當(dāng)流冰速度在4.0～5.0 m/s區(qū)間情況下，其最大等效應(yīng)力有明顯的減小，減小變化幅度較大；當(dāng)流冰速度在0.5～ 5.0 m/s范圍內(nèi)，方向最大位移隨著流冰速度的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，整體增長變化幅度較為明顯，方向最大位移最大等效應(yīng)力在4 m/s時(shí)變化幅度最為突出。流冰速度在0.5～3.5 m/s區(qū)間情況下，最大等效應(yīng)力隨著流冰壓縮強(qiáng)度的增大而增大，但增長幅度較為緩慢，整體呈現(xiàn)出近似的線性關(guān)系。綜合上述分析可認(rèn)為，流冰速度對明渠撞擊區(qū)方向最大位移的影響非常明顯，但流冰壓縮強(qiáng)度對明渠撞擊區(qū)方向最大位移的影響較為明顯。由圖12可以看出對明渠襯砌方向最大位移影響明顯的組合工況區(qū)間為流冰壓縮強(qiáng)度在1.825～ 3.199 MPa、流冰速度在3.5～4.5 m/s時(shí)的組合情況，在其組合區(qū)間內(nèi)方向最大位移變化范圍為2.59～5.52×10-5m，整體值大且增長變化幅度大；對明渠襯砌影響最大的方向最大位移雙因素組合工況為流冰壓縮強(qiáng)度是3.059 MPa、流冰速度是4 m/s的組合情況，其方向最大位移值為5.52×10-5m，為所有工況的最大值，即雙因素組合影響最大；對明渠襯砌影響較為不明顯的組合區(qū)間為流冰速度在0.5～1.0 m/s、壓縮強(qiáng)度在1.825～2.375 MPa時(shí)的組合情況，在其組合區(qū)間內(nèi)方向最大位移變化范圍為0.24～0.52×10-5m，整體值小且增長變化幅度較為緩慢。

3 流冰對輸水明渠撞擊物理模型試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與試驗(yàn)裝置

本文通過室內(nèi)模型試驗(yàn)研究流冰對輸水明渠的碰撞作用，對數(shù)值模擬進(jìn)行相應(yīng)驗(yàn)證。室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)際模型的幾何比尺取為5,材料密度比尺為1.0，在常重力場條件下進(jìn)行試驗(yàn)。

在模型試驗(yàn)中，以矩形水箱代替明渠模型，明渠襯砌采用C30混凝土板代替，流冰由動力裝置牽引撞擊明渠襯砌。其碰撞測試試驗(yàn)臺與試驗(yàn)動力及數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)圖如圖13所示。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.2.1 試驗(yàn)步驟

制備混凝土明渠模型，在混凝土襯砌上布置2個(gè)應(yīng)變片，利用導(dǎo)線將應(yīng)變片與動態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)采用半橋橋接方式連接；連接電腦與動態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)；啟動計(jì)算機(jī)，在軟件上設(shè)置好電壓、混凝土彈性模量、泊松比等；將準(zhǔn)備好的模型冰放入模型中，利用柔性連接將模型冰與牽引裝置連接起來，啟動電源，調(diào)節(jié)好脈沖發(fā)射器轉(zhuǎn)速，隨著模型冰碰撞明渠襯砌，讀取明渠襯砌區(qū)域產(chǎn)生的動態(tài)應(yīng)變曲線，保存處理數(shù)據(jù)；由應(yīng)變時(shí)程曲線得到最大應(yīng)變峰值，進(jìn)而計(jì)算出應(yīng)力與位移峰值。

3.2.2 試驗(yàn)工況

將準(zhǔn)備好的大小規(guī)格同為0.2 m×0.2 m×0.1 m的模型冰進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)所模擬的不同流冰速度與不同流冰壓縮強(qiáng)度工況，經(jīng)相似比尺換算后對應(yīng)的試驗(yàn)速度是0.224、0.447、0.671、0.894、1.118、1.341、1.565、1.789、2.012、2.236 m/s，對應(yīng)的試驗(yàn)流冰壓縮強(qiáng)度分別為0.365、 0.471 4、0.533 6、0.577 8、0.611 8、0.639 8 MPa，重復(fù)3.2.1節(jié)試驗(yàn)步驟并保存數(shù)據(jù)。

3.3 不同流冰速度對明渠襯砌的影響

由2.2.3節(jié)可知，對明渠襯砌影響最大的雙因素組合為流冰壓縮強(qiáng)度是3.059 MPa、流冰速度是4.0 m/s的組合情況,故選取流冰壓縮強(qiáng)度為3.059 MPa不變、只改變流冰速度進(jìn)行不同流速對明渠襯砌的試驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)3.2節(jié)試驗(yàn)內(nèi)容得到不同流冰速度工況下的最大等效應(yīng)力峰值與方向最大位移峰值，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)相似比尺換算后繪制不同流冰速度模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比圖，如圖14所示。

圖14 不同流冰速度下模擬與試驗(yàn)結(jié)果對比

由圖14可以發(fā)現(xiàn)，改變流冰速度，明渠撞擊區(qū)的最大等效應(yīng)力和方向最大位移的模擬值與試驗(yàn)結(jié)果有基本一致的趨勢，趨勢線吻合程度良好，均呈現(xiàn)出單峰現(xiàn)象，說明模擬結(jié)果真實(shí)可靠。還可以看出模擬值與試驗(yàn)結(jié)果存在一定的誤差，可能與試驗(yàn)中水介質(zhì)的擾動作用及二次碰撞有關(guān)。

3.4 不同流冰壓縮強(qiáng)度對明渠襯砌的影響

由2.2.3節(jié)可知，對明渠襯砌影響最大的雙因素組合為流冰壓縮強(qiáng)度是3.059 MPa、流冰速度是4.0 m/s的組合情況,故選取流冰速度為4.0 m/s不變、只改變壓縮強(qiáng)度進(jìn)行不同壓縮強(qiáng)度對明渠襯砌的試驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)3.2節(jié)試驗(yàn)內(nèi)容得到不同流冰壓縮強(qiáng)度工況下的最大等效應(yīng)力峰值與方向最大位移峰值，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)相似比尺換算后繪制不同流冰壓縮強(qiáng)度模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比圖，如圖15所示。

圖15 不同流冰壓縮強(qiáng)度下模擬與試驗(yàn)結(jié)果對比

由圖15可以發(fā)現(xiàn)，改變流冰壓縮強(qiáng)度，明渠撞擊區(qū)的最大等效應(yīng)力和方向最大位移的模擬值與試驗(yàn)結(jié)果有基本一致的趨勢，吻合程度良好，均呈現(xiàn)出近似線性增長的現(xiàn)象，說明模擬結(jié)果真實(shí)可靠。還可以看出模擬值與試驗(yàn)結(jié)果存在一定的誤差，可能與試驗(yàn)中水介質(zhì)的擾動作用和二次碰撞有關(guān)。

4 結(jié) 論

本文主要考慮了水-空氣-流冰三者耦合作用下對輸水明渠混凝土襯砌碰撞影響研究，運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件模擬流冰不同速度和不同壓縮強(qiáng)度組合工況下對輸水明渠襯砌的撞擊影響過程，發(fā)現(xiàn)水-空氣耦合介質(zhì)中流冰碰撞輸水明渠破壞規(guī)律，不考慮流冰二次碰撞因素，得到了以下結(jié)論：

1）在保持流冰壓縮強(qiáng)度不變的情況下，只改變流冰速度，明渠撞擊區(qū)最大等效應(yīng)力與方向最大位移隨著流冰速度的增大而先增大后減小，在4 m/s時(shí)整體均呈現(xiàn)出“單峰”現(xiàn)象，且均符合Pseudo-Voigt函數(shù)“峰值曲線”關(guān)系。說明流冰速度在0.5～4 m/s時(shí)，其剛性效果起主要作用，流冰速度在4～5 m/s時(shí)，其塑性效果其起主要作用。

2）在保持流冰速度不變的情況下，只改變流冰壓縮強(qiáng)度，明渠撞擊區(qū)最大等效應(yīng)力與方向最大位移隨著流冰壓縮強(qiáng)度的增大而增大，均呈近似線性增長的關(guān)系。流冰壓縮強(qiáng)度隨著溫度產(chǎn)生變化，溫度越低，流冰壓縮強(qiáng)度越大，因此，冰期輸水需要考慮溫度變化對流冰壓縮強(qiáng)度的影響，減小運(yùn)營期明渠輸水過程中流冰對明渠襯砌的碰撞破壞作用。

3）綜合分析所模擬的60種組合工況可以發(fā)現(xiàn)，在流冰壓縮強(qiáng)度為1.825～3.199 MPa、流冰速度為3.5～ 4.5 m/s時(shí)的組合情況下，其等效應(yīng)力值變化范圍為4.3～16.8 MPa、方向最大位移值變化范圍為2.59×10-5～5.52×10-5m，兩者整體值大且增長變化幅度大，即組合工況對明渠襯砌撞擊影響明顯；在流冰壓縮強(qiáng)度為 3.059 MPa、流冰速度為4.0 m/s的組合情況下，其等效應(yīng)力值為16.8 MPa、方向最大位移值為5.52×10-5m，兩者均分別為所有工況的最大值，即雙因素組合對明渠襯砌影響最大；在流冰速度為0.5～1.0 m/s、壓縮強(qiáng)度為1.825～2.375 MPa時(shí)的組合情況下，其等效應(yīng)力變化范圍為0.7～2.8 MPa、方向最大位移變化范圍為0.24×10-5～0.52×10-5m，兩者整體值小且增長變化幅度較為緩慢，即組合對明渠襯砌影響較為不明顯。

實(shí)際工程中漂浮在水上的流冰其運(yùn)動受多因素影響，如水流流態(tài)、流冰形狀等；在模擬流冰碰撞明渠襯砌時(shí)，對于水介質(zhì)中流冰體積、面積、厚度、碰撞角度等問題，還需要做進(jìn)一步的研究。

[1] 楊開林.長距離輸水水力控制的研究進(jìn)展與前沿科學(xué)問題[J]. 水利學(xué)報(bào)，2016，47(3)：424-435.

Yang Kailing. Review and frontier scientific issues of hydraulic control for long distance water diversion[J].Journal of Hydraulic Engineering, 2016, 47(3): 424-435. (in Chinese with English abstract)

[2] Tuhkuri J. Analysis of ice fragmentation process from measured particle size distributions of crushed ice[J]. Coal Regions Science & Technology,1994, 23: 68-82.

[3] 蔡偉，朱凌，畢璐澤. 船-冰碰撞下冰材料有限元數(shù)值方法研究進(jìn)展[J]. 船舶力學(xué)，2021，25(8)：1116-1126.

Cai Wei, Zhu Ling, Bi Luze. Review on development of finite element numerical method of ice material model under ship-ice collision[J]. Journal of Ship Mechanics, 2021, 25(8): 1116-1126. (in Chinese with English abstract)

[4] Sand B, Horrigmoe G. Finite element analysis of breaking ice forces on conical structures[C]. Proc. of the 4th International Symposium on Ice. Potsdam. 1998: 475- 482.

[5] 貢力，李雅嫻，靳春玲. 流冰對引水隧洞撞擊作用力學(xué)特性數(shù)值分析與驗(yàn)證[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(13)：144-151.

Gong Li, Li Yaxian, Jin Chunling.Numerical simulation and verification on impact damage mechanical property of drift ice on diversion tunnel[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(13): 144-151. (in Chinese with English abstract)

[6] Rüdiger V B U P, Ehlers S. Model scale ice—Part B: Numerical model[J]. Cold Regions Science and Technology, 2013, 94: 53-60.

[7] 張宿峰. 流冰與橋墩的相互作用[D]. 哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2014.

Zhang Sufeng. Ice and the interaction of bridge piers[D]. Harbin: Northeast Forestry University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[8] Zhang J M, Yuan Z G, Wu Y P. Analysis on the collision couple between drift ice and long-span prestressed concrete T-Rigid frame bridge pier[J]. Key Engineering Materials, 2015, 648: 17-24.

[9] 黃焱，郭曉輝，孫劍橋. 船-冰碰撞的模型試驗(yàn)方法研究[J].中國造船，2018，59(3)：46-59.

Huang Yan, Guo Xiaohui, Sun Jianqiao. Study on model test techniques of ship-ice impact[J]. Shipbuilding of China, 2018, 59(3): 46-59. (in Chinese with English abstract)

[10] Miryaha V A, Petrov I B. Discontinuous galerkin method for simulating an ice floe impact on a vertical cylindrical offshore structure[J]. Mathematical Models and Computer Simulations, 2019, 11(3): 400-414.

[11] 王健偉，鄒早建.基于非線性有限元法的船舶-冰層碰撞結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究[J]. 振動與沖擊，2015，34(23)：125-130.

Wang Jianwei, Zou Zaojian. Ship's structural response during its collision with level ice based on nonlinear finite element method[J].Journal of Vibration and Shock, 2015, 34(23): 125-130. (in Chinese with English abstract)

[12] 趙海鷗. LS-DYNA動力分析指南[M]. 北京：兵器工業(yè)出版社，2003.

[13] Hallquist J O. LS-Dyna Theory manual[M]. Livermore Software Technology Cor-poration, California, 2006.

[14] 蒲興富. 彈性體增強(qiáng)混凝土砌體墻爆炸響應(yīng)的數(shù)值分析[D]. 寧波：寧波大學(xué)，2009.

Pu Xingfu. Numerical Analysis on Responses of Elastomer-Reinforced Concrete Masonry Walls Subjected to Blast[D]. Ningbo: Ningbo University, 2009. (in Chinese with English abstract)

[15] 徐國賓，李大冉，黃焱，等. 南水北調(diào)中線輸水工程若干冰力學(xué)問題試驗(yàn)研究[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，2010，21(6)：808-815.

Xu Guobin, Li Daran, Huang Yan, et al. Laboratory study of problems in ice mechanics encountered in the Middle Route of South- to-North Water Transfer Project[J].Advances in Water Science, 2010, 21(6): 808-815. (in Chinese with English abstract)

[16] 楊亮，馬駿. 冰介質(zhì)下的船舶與海洋平臺碰撞的數(shù)值仿真分析[J]. 中國海洋平臺，2008，23(2)：29-33.

Yang Liang, Ma Jun. Numerical simulation analysis for the collision between offshore platform undre the sea ice medium[J].China Offshore Platform, 2008, 23(2): 29-33. (in Chinese with English abstract)

[17] 孟一，易偉建. 混凝土圓柱體試件在低速沖擊下動力效應(yīng)的研究[J]. 振動與沖擊，2011，30(3)：205-210.

Meng Yi, Yi Jianwei. Dynamic behavior of concrete cylinder specimens under low velocity impact[J]. Journal of Vibration and Shock, 2011, 30(3): 205-210. (in Chinese with English abstract)

[18] 劉德良. 北極冰區(qū)船舶碎冰阻力數(shù)值仿真研究[D]. 大連：大連理工大學(xué)，2018.

Liu Deliang. Numerical Simulation of Crushed Ice Resistance of Ship in Arctic [J]. Dalian: Dalian University of Technology, 2018. (in Chinese with English abstract)

[19] 王鴻，貢力，王忠慧，等. 基于不同碰撞模型的流冰—輸水隧洞碰撞動態(tài)響應(yīng)研究[J].水資源與水工程學(xué)報(bào)，2021，32(1)：164-171.

Wang Hong, Gong Li, Wang Zhonghui, et al. Dynamic response of drift ice - water tunnel collision based on different collision models[J]. Journal of Water Resources and Water Engineering, 2021, 32(1): 164-171.

[20] 貢力，王鴻，楊軼群，等. 流冰對輸水隧洞襯砌的撞擊影響研究[J]. 振動與沖擊，2021，40(4)：72-80.

Gong Li, Wang Hong, Yang Yiqun, et al. A study on the impact effect of drift ice on the lining of a water tunnel[J]. Journal of Vibration and Shock, 2021, 40(4): 72-80. (in Chinese with English abstract)

[21] 周政龍. 冬季運(yùn)行中渠冰生消對輸水明渠影響的研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2018.

Zhou Zhenglong. Study on Influence of Channel Ice in Winter Operation on Water Diversion Channel[J]. Lanzhou: Lanzhou Jiaotong University, 2018. (in Chinese with English abstract)

[22] 王慶凱，張寶森，鄧宇,等. 黃河冰單軸壓縮強(qiáng)度的試驗(yàn)與影響因素探究[J]. 水利水電技術(shù)，2016，47(9)：90-94.

Wang Qingkai, Zhang Baosen, Deng Yu, et al. Study on test of uniaxial compressive strength of ice in Yellow River and its influencing factors[J].Water Resources and Hydropower Engineering, 2016, 47(9): 90-94. (in Chinese with English abstract)

Impact of drift ice on concrete lining of open water conveyance channel

Gong Li, Jia Zhiyuan, Li Yiqiang, Du Qiangye, Zhang Jiaoyan

(730070,)

Large blocks of drift ice have posed a strong impact on the open channels in the long-distance water delivery projects in the alpine regions. The drift ice is easy to form with the different speeds and compression strength in the high latitudes of northwestern China, especially the north of 35°N latitude. Particularly, the ice period lasts for 4 to 5 months in the cold and dry winter, covering from the freezing in November to the open in the following spring. The long-term collision of drift ice can cause some serious damage to the concrete lining of an open channel, such as cracking or peeling of the surface. The lining structure can result in different degrees of damage and deformation, even a threat to the long-term stability of water supply, including the safe operation of the open channel, irrigation of farmland, and water use for humans and animals. Therefore, this study aims to clarify the impact of the drift ice on the open delivery channels in the long-distance water delivery projects in the alpine regions. A collision model of the drift ice and open channels was also established as a water-air coupling medium using the ANSYS/LS-DYNA platform. Specifically, the collision motion equation of drift ice in the open channel was obtained, according to the display of time integration. The contact-collision process was assumed as a symmetric penalty function. The fluid-structure coupling calculation was then implemented considering the coupling effect between water-air-flow ice-open channels. After that, LS-DYNA SOLVER software was used to simulate the collision and extrusion of drift ice and open channel under different working conditions. As such, the degree of the collision was classified to evaluate the damage caused by the drift ice to the lining of the open channel. An indoor model test was carried out to verify the model. A damage law of drift ice was thus found in the water-air coupling medium when colliding with the open channel. The results showed that there was an approximate Pseudo-Voigt function peak curve relationship for the maximum equivalent stress and the maximum displacement in thedirection of the impact of the ice velocity on the open channel lining. Besides, there was an approximately linear relationship for the maximum equivalent stress and the maximum displacement in thedirection of the impact of drift ice compression strength on the lining of open channels. Furthermore, a combination interval posed a significant impact on the open channel lining, where the compressive strength of the flowing ice was 1.825-3.199 MPa, and the speed of the flowing ice was 3.5-4.5 m/s. This equivalent stress value of impact was 4.3-16.8 MPa, and the maximum displacement value in thedirection was 2.59×10-5-5.52×10-5 m. More importantly, a two-factor combination was posed the greatest impact on the open channel lining impact, where the flow ice compression strength of 3.059 MPa, and the flow ice velocity of 4.0 m/s. This equivalent stress value of impact was 16.8 MPa, and the maximum displacement value in thedirection was 5.52×10-5 m. By contrast, the combination interval presented a fewer outstanding impact on the open channel lining, where the drift ice velocity of 0.5-1.0 m/s, and the compressive strength was 1.825-2.375 MPa. This equivalent stress of impact was 0.7-2.8 MPa, and the maximum displacement in thedirection was 0.24×10-5-0.52×10-5 m. Therefore, there was a significant correlation between the temperature and the compressive strength of drift ice, while the flow velocity and the speed of drift ice. Correspondingly, the influence of the ice load needed to be considered in the design stage of the open channel lining structure. The findings can also provide sound theoretical and technical support to the safe operation of long-distance water transportation projects for the alpine regions in winter.

numerical simulation; test; fluid-solid coupling; drift ice; open channel; impact effect

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.019

TV672

A

1002-6819(2021)-21-0163-10

貢力，賈治元，李義強(qiáng)，等. 流冰對輸水明渠混凝土襯砌的撞擊影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(21)：163-172.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.019 http://www.tcsae.org

Gong Li, Jia Zhiyuan, Li Yiqiang, et al. Impact of drift ice on concrete lining of open water conveyance channel[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(21): 163-172. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.21.019 http://www.tcsae.org

2021-08-03

2021-10-19

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51969011）；甘肅省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（20JR10RA274, 21JR7RA301,20JR2RA002）

貢 力，博士，教授，研究方向?yàn)檩斔こ贪踩芯?。Email: gongl@mail.lzjtu.cn