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为缓解我国水资源时空分布不平衡的问题,建设长距离输水工程成为我国水资源优化配置重要举措。长距离输水工程大部分均跨越了北方高寒区域,水流自低纬度地区往高纬度地区输送,但由于冬季输水易发生各类冰凌灾害,因此冰期输水难度较大。针对冬季输水渠道,一方面,水位波动干扰浮冰形成稳定冰盖,或引起初封冰盖破碎,使流冰在下游渠段堆积形成冰塞,威胁冬季输水安全。形成稳封冰盖后的渠道,输水边界条件改变对渠水流态造成影响规律复杂,给输水调度工作带来困难。另一方面,在冰盖保温作用下,基土冻深在冰盖位置附近,由此产生不均匀冻胀更加严重。此外由于冰盖热力增厚和温升约束的膨胀作用,其对衬砌的静冰压力不断发展,导致渠道衬砌结构受力情况复杂且可能使衬砌发生破坏。通过对冰盖整个生消时期外荷载与膨胀内力变化分析,以及其对渠水、衬砌的作用力变化分析,对于保证冬季输水渠道冰盖稳定防止冰塞灾害产生以及进行衬砌结构抗冰冻加固设计具有重要的意义。本文结合冰力学、流变学、热力学及流体动力学等理论,利用COMSOL Multiphysics有限元软件引入了横观各向同性的粘弹性河冰本构模型并开发了固定冰盖下考虑水力因素、糙率动态变化的非恒定流有限元程序。根据南水北调中线工程典型渠道资料结合相关测站冷冬年的气象数据,系统地对冰盖受力、冰盖下流场及压力场分布、冰盖温度场及衬砌作用力等内容进行了研究,为长距离输水工程实现冰盖下安全输水及寒区衬砌渠道的设计提供一定的参考。通过数值模拟及理论分析得出以下研究成果:(1)建立了固定冰盖热力增厚下的有压非恒定流模型并进行冬季输水的水力计算,能反映冰盖增生过程对水力要素、水流阻力的动态变化。对结冰期小流量输水模拟中,采用不同的冰盖糙率变化方案,不同的度日系数对计算结果产生较大差异;冰盖底部粗糙及附加湿周为引起冬季输水非恒定性及阻力增大的主要因素,但过流断面面积的变化也不可忽略。稳封期(冰盖达一定厚度时)增大输水流量可能使沿线冰盖下测压管水头大幅度增加,从而破坏冰体的完整性可能发生冰塞灾害,故应合理设计稳封期加大流量方案控制水位涨幅或采用其他工程措施(如开凿冰洞)使冰盖底部较大水压力得以释放。(2)在明确河冰受力变形机理的基础上,利用了横观各向同性的粘弹性冰体本构关系对冰盖应力与温升冰压力进行分析,得出了温升作用下热应变因边界约束下产生的热应力会使冰盖内弹性应变及蠕变应变发生动态变化及调整,蠕变速率受应力水平及温升冰体活化能而影响的结论,比单纯的热弹性分析更能模拟冰体在应变率下的蠕变特性。静冰压力发展曲线并非单调递增,会在连续温升某时刻达到峰值后逐渐减少。静冰压力峰值计算主要影响因素为温升历时和初始冰面温度,且温升速率越大峰值越小。静冰压力随冰厚及边坡系数增大呈先增后减趋势,因此存在不同温度条件下最大冰压力对应的临界冰厚及临界坡度,静冰压力随冰盖宽度减少而增大。在不考虑竖向荷载的情况应按限制X向位移的边界条件进行静冰压力计算较为合理,若考虑冰盖底部附加水压力产生外部垂向荷载的情况则应考虑冰盖与衬砌为固定约束边界或其他复杂边界条件。(3)以冰盖抗拉强度、衬砌与冰盖冻结强度为控制标准进行冰盖下加压数值试验求得不同冰厚、冰宽及渠坡下的允许水位涨幅值,发现冰盖下允许作用水压力随冰厚增大、冰宽减小、渠坡放缓而不断增大。温升过程中若与水位波动组合下将极大增加冰盖与衬砌破坏的可能性。(4)对于冬季输水渠道衬砌的安全性分析研究,发现单一温升作用下冰盖对衬砌产生较大静冰压力,易使在衬砌发生挤压破坏;另由于冰盖与衬砌存在冻结力,在冰盖底部的上举水压力作用易使产生冰盖爬坡现象或衬砌板板掀起破坏;在温升及水位变化共同作用下,较小水位波动幅度也将大幅度提高温升冰压力作用效果,使冰盖与衬砌接触处的下侧发生拉裂破坏或冰盖与衬砌发生剪切破坏其中一种,应注意温升-水压组合作用对冰盖及渠道衬砌可能产生的危害。