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寒区平原水库护坡工程设计冰参数研究

贾青  
【摘要】:在水库封冻期,冰层内部温度随着气温的变化而变化,会产生热胀冷缩现象。在寒区平原水库,冰层的热膨胀力是对护坡的主要作用力之一。冰层达到一定厚度值后,如果气温突然升高,冰层内部将产生很大的热膨胀力,可能将水库护坡推起造成破坏。因此水库设计时需要从护坡工程安全方面考虑抗冰能力,它涉及到的工程设计冰参数包括爬坡发生时斜坡结构二维冰力计算公式所需的冰参数。本论文以2008年至2011年在黑龙江省红旗泡水库开展的三个完整冬季的现场观测数据为基础,为寒区水库护坡工程提供设计冰参数为目标,开展了以下具体工作: 全文共分三大部分。第一部分的重点为调查,包括现场原型观测、现场取样分析和水库冰力学性质试验。现场原型调查包括结冰气象条件、冰温、水温的原位观测,利用极地冰下超声测距仪、热电阻丝及雷达监测技术对冰生消过程的原位监测,围绕与水库冰的热膨胀力有关的冰面裂缝观测,利用自行开发研制的可自动连续旋转的激光测距仪对冰表面的微观变形观测;水库冰爬坡现象的宏观变形观测。现场取样观测内容包括随自然水文气象环境变化形成的各种冰晶体结构类型,晶粒大小,C-轴方位;冰内气泡的分布和大小;测量不同深度的冰、雪密度,并确定设计冰密度;利用现场低温的自然条件,及自行研制的冰力学试验机开展冰的弯曲强度和弹性模量,冰与护坡材料的摩擦系数和冻结强度试验,调查它们随冰温、冰晶体类型、等效应变速率、加载方向、以及材料表面粗糙度等因素之间的变化过程。 第二部分重点分析现场调查中获得的数据,确定现场冰面气温同水库周边气象站(安达气象站)气温之间的关系;气象站负积温与水库冰厚度关系;现场气温与近表层冰温之间的关系;冰温度在不同阶段沿深度的垂直变化规律,冰温变化速率以及冰生长率间的关系。由连续一年现场冰厚观测结果建立的朱波夫模型推算出历史上有气象数据记录年的水库最大冰厚度序列,用统计方法确定水库不同重现期设计冰厚度值。与根据历史资料利用传统方法确定的设计冰厚度进行比较得出:在水库缺乏历史冰厚度数据的情况下,可以由连续一年的现场观测,建立冰生消过程的热力学模式,同样可以确定不同重现期的设计冰厚度。通过对比两种不同来源数据所获取的设计冰厚值,验证了在缺少历史资料的情况下,本文所建立的获取设计冰厚度的方法具有可行性和科学性。 第三部分重点关注水库护坡工程设计冰力学参数。基于斜坡结构物上冰作用力二维计算模式提供水库护坡工程所需要的冰力学参数,开展了冰弯曲强度、弹性模量、摩擦系数的试验研究。而冰力学参数则在分析观测冰层破坏现象基础上,提出依据水库每年冬季第二次爬坡发生时对应的典型冰温、等效应变速率、晶体类型,结合冰力学试验关系给出弯曲强度、弹性模量及冰与混凝土护坡材料间动摩擦系数的设计取值。 本文给出的分析结果能为淡水冰生消数值模式提供计算背景值和验证数据,并能为寒区水库护坡工程设计冰参数提供科学依据。


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