封冻河道的阻力研究

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1、封冻河道的阻力研究

2、第1内容显示中　清华大学水利水电工程系摘要：冰盖引起的流动阻力是研究河冰生消演变及其运动规律的关键问题之一。封冻阻力使河流水位壅高、过流能力降低、水位流量关系改变。本文应用Prandtl半经验紊流理论，推导得到封冻河道水力要素间的理论关系表达式，并对冰盖影响区与床面影响区的交界位置进行了分析讨论；对由流速分布推算冰盖及河床糙率的计算方法进行了研究，并与现场实测资料进行了验证。关键词：封冻河道；流动阻力；糙率；流速分布；河冰水力学简介：茅泽育(1962-)，男，浙江人，主要研究方向：计算水力学、河冰

3、水力学及城市水力学。冰盖的形成使河道中的水力现象发生改变，引起流动阻力增加从而导致河道过流能力下降及能量损失增加。对于宽浅式河道，假定冰盖很薄，则水力半径几乎减小到明渠水力半径的一半。如果流动保持恒定，则由曼宁公式计算的水头损失是明渠流动时水头损失的2.5倍。B.Prattle[1]应用P.A.Larsen的研究成果时发现：在水面高程相同的情况下，完全封冻条件下的能量损失比明流条件下的能量损失高达62%；K.Ohashi和T.Hamada[1]则发现在水面高程相同的情况下，封冻河道的过流能力比明流条件下的过流能力减少

4、29%.流动阻力增加导致河道过流能力下降，从而给河道的冬季管理及运行带来一系列新问题：如上游泄放流量调整，下游河道的水质管理、洪水控制及供水等。若封冻河道中流量剧烈增加，还将引起冰盖破碎形成冰塞、冰坝，明流条件下建立起来的水位-流量关系曲线不再适合于封冻河流。冰盖形成对河道过流能力和泥沙输移也将产生明显的影响。同时，冬季寒冷地区渠道设计及运行还必须考虑冰盖对水头损失的影响。水电站引水渠道水流水头损失的增加直接与发电量的减少相关。结冰河道的糙率是反映河道阻力大小的主要参数。是计算和预报冰盖下流速、水位和流量和重要因素。

5、但是，冰盖下表面糙率很难直接量测得到，一般只能由流速分布进行间接估算，冰盖下的过流断面由于水中冰的堆积而发生变化。封冻河道的水面坡降（准确地说能坡）与恒定均匀明流条件下的能坡相等的假定有时并不正确，尤其当有大量水中冰堆积或流动要素急剧改变时，河床床面糙率在有冰盖存在时，与明流条件下相比有显著的不同，所有上述这些影响因素均随时间而变。至今为止，对封冻河道阻力问题的研究仍处于研究探索之中。1冰期河道阻力组成及计算方法现状冰盖的存在使总流断面的湿周增加，水力半径减小。冰盖和床面的糙率共同决定总流的综合糙率。理论和应用上需要

6、研究综合糙率、冰盖糙率、床面糙率和相关的水力因素之间的定量关系。一般有两个主要问题需要解决：一是冰盖糙率的确定；二是在已知河床及冰盖糙率的情况下，计算渠道的综合糙率。对于天然河道，由于影响水流阻力因素的复杂性，人们通常采用曼宁系数来直接表示水流的流动阻力。河道中形成冰盖，这时的阻力由两部分组成：水流与床面的摩擦切应力和水流与冰盖下表面的摩擦切应力。应用曼宁公式表达阻力项：式中：R为封冻时的水力半径；nc为综合糙率系数，反映了河床粗糙nb和冰盖下表面糙率ni的综合效应，即冰盖和床面的糙率共同决定水流的综合糙率。河流动力

7、学中，在处理岸壁阻力和床面阻力时，有两种途径，一种是P.E.Meyer和R.Muller[1]提出的拆分岸壁阻力和床面阻力的处理途径；另一种处理途径是H.A.Einsteinp[2]提出的按阻力划分过流断面的方法，即把水体分成几部分，假定各部分水体的流速相等，等于断面平均流速。这个方法较为普遍地被大家所接受，但各部分流速相同，只是一种近似的假定。目前，人们常采用Einstein假定，将整个过流断面划分成上部冰区和下部床面区，以最大流速所在面作为上下两区的分界面，见图2；同时假定封冻河道过流断面的水力半径可以分割；整个

8、过流断面的断面平均流速和床面与边壁附近处的平均流速相等。现有的许多冰期河道综合糙率的研究及公式都采用了平均流速相等的假定[1,3,4,5,6]。许多研究结果表明封冻河道流动符合对数流速分布规律。图1封冻河道流速分布图2封冻河道过流断面文献[1]对上述各种综合糙率的计算公式进行了总结及评述，并应用E.N.Dolgopolova[7]对莫斯科河的实测资料，对各种公式进行了分析比较，得出结论：各种计算综合糙率的公式均有待于进一步完善，特别是对于冰区与床面区平均流速相等的假设，需应用各种边壁糙率组合情况的实验资料，及天然河道

9、的原观资料进行进一步的验证。