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《工程與建設(shè)雜志》2014年第二期

1模擬結(jié)果分析

經(jīng)過數(shù)值模擬后，得出不同工況下的最大壅水高度的20組數(shù)據(jù)結(jié)果見表1所列，并使用Origin軟件繪制部分工況下的水面線分布圖如圖4和圖5所示。1可以發(fā)現(xiàn)，冰塞存在時最大壅水高度，明顯高于無冰塞時的情況。無冰塞時，最大壅水高度隨進(jìn)口流速增加而增大；冰塞厚度相同時，最大壅水高度也隨進(jìn)口流速增加而增大；給定進(jìn)口流速時，最大壅水高度隨著冰塞厚度增加而增大。橋墩本身會壓縮水槽的水流，縮小橋墩附近過水?dāng)嗝娣e，必然會引起上游水位的抬高。而冰塞的存在，進(jìn)一步破壞了水流的運(yùn)動狀態(tài)。將模型計(jì)算值與規(guī)范公式計(jì)算值相比較，對模型進(jìn)行可靠性驗(yàn)證。

選用鐵路規(guī)范，計(jì)算公式其中，v珔2m為橋墩附近的平均流速（m／s）；v珔20為斷面的平均流速（m／s）；η為系數(shù)，按照表2所列進(jìn)行選取，主要是按照河流的阻斷流量，也可以認(rèn)為是河道的壓縮程度與設(shè)計(jì)流量的比值進(jìn)行選取，忽略河岸邊界層影響。無冰塞條件下，進(jìn)口流速不同時規(guī)范計(jì)算值和模型計(jì)算值對比圖如圖6a所示，不同冰塞厚度條件下，規(guī)范計(jì)算值和模型計(jì)算值對比圖如圖6b所示。由圖6a可知，無冰塞時，改變水槽的進(jìn)口流速，模型的計(jì)算值較規(guī)范的計(jì)算值存在一定的偏差，規(guī)范計(jì)算值大于模型的計(jì)算值，增大了計(jì)算結(jié)果的安全性。當(dāng)進(jìn)口流速較小時，模型計(jì)算值與規(guī)范值比較接近，隨著流速的增加，偏差逐漸增大。但是，總體上最大壅水高度與進(jìn)口流速的增加而加大，兩者的計(jì)算值在總體上表現(xiàn)的規(guī)律是一致的。由圖6b可知，給定進(jìn)口流速，改變冰塞厚度，規(guī)范計(jì)算值與模型計(jì)算值有較大的差別，規(guī)范計(jì)算值較模型計(jì)算值偏大，而且冰塞厚度較小時，兩者計(jì)算的值卻比較接近，隨著冰塞厚度的增大，偏差也逐漸增大，兩種計(jì)算結(jié)果規(guī)律也是一致的。同樣，進(jìn)口流速為0．20m／s、0．25m／s以及0．30m／s時，給定不同的冰塞厚度，均可以得出上述相似的規(guī)律。而規(guī)范計(jì)算值之所以大于規(guī)范計(jì)算值，主要是從工程安全的角度考慮，增加了工程設(shè)計(jì)與興建的安全系數(shù)。

給定冰塞厚度，改變進(jìn)口流速，根據(jù)泥沙推移質(zhì)運(yùn)動理論以及穩(wěn)定冰塞階段斷面的平均流速、流量以及水面寬之間的經(jīng)驗(yàn)公式為其中，Q為冰塞最高壅水時相應(yīng)的流量（m3／s）；H為斷面水深（m）；B為水面寬（m）；V為斷面穩(wěn)定平均流速（m／s）；β為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，β的取值可依據(jù)表3所列選取。水槽平均比降0．01％，根據(jù)β值與河道平均比降建立相關(guān)關(guān)系，選取β為0．40。選取冰塞厚度為0．20m時模型計(jì)算值與公式計(jì)算值對比分析，如圖7所示。由圖7可知，給定冰塞厚度，改變進(jìn)口流速時，模型計(jì)算值與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值存在一定的偏差，隨著進(jìn)口流速的增加，偏差也逐漸增大，當(dāng)流速較小時，兩者比較接近。但是，總體呈現(xiàn)的變化趨勢是一樣的，最大壅水高度與進(jìn)口流速正相關(guān)。同樣，給定不同的冰塞厚度，即0．15、0．25、0．30m時，也可以得出上述類似的規(guī)律。另外，根據(jù)應(yīng)用Π定理并結(jié)合黃河河曲段的實(shí)測數(shù)據(jù)得到的關(guān)系式（4）也可以發(fā)現(xiàn)這種規(guī)律，即隨著進(jìn)口流速的增加而加大，最大壅水高度隨進(jìn)口流速的增加而加大。其中，Ht為計(jì)算斷面水深的平均值（m）；H為過水?dāng)嗝嬗行畹钠骄担╩）；v為計(jì)算斷面水流流速的平均值（m／s）。

2結(jié)束語

（1）無冰塞時，當(dāng)進(jìn)口流速較小時，模型計(jì)算值與規(guī)范值比較接近，隨著流速的增加，偏差也逐漸增大，最大壅水高度隨進(jìn)口流速的增加而加大。（2）冰塞作用下，給定進(jìn)口流速，改變冰塞厚度時，最大壅水高度隨冰塞厚度的增加而加大，當(dāng)冰塞厚度較小時，模型計(jì)算值與規(guī)范值比較接近，隨著冰塞厚度的增加，偏差也逐漸增大。（3）冰塞作用下，給定冰塞厚度，改變進(jìn)口流時，當(dāng)流速較小時，模型計(jì)算值與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值比較接近，隨著進(jìn)口流速的增加，偏差也逐漸增大，最大壅水高度隨進(jìn)口流速的增加而加大。

作者：程保磊單位：合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院