摘要 為研究水介質(zhì)中流冰對輸水明渠的撞擊影響，基于流固耦合的計算方法，運用LS?DYNA軟件對水介質(zhì)中流冰與明渠的撞擊過程進行非線性有限元仿真，并通過幾何比尺為1∶10進行模型試驗驗證。以流冰與明渠碰撞角度、流冰厚度、明渠襯砌混凝土強度等級為變量，探究其對流冰碰撞輸水明渠的影響規(guī)律。結(jié)果表明：碰撞角度為90°工況下的明渠襯砌撞擊區(qū)的最大等效應(yīng)力與X方向最大位移分別是38.66°，45°，63.43°工況平均峰值的3.01倍和4.19倍，且90°工況下明渠襯砌撞擊區(qū)發(fā)生了約為5.72×10-6 m的損傷變形，而38.66°，45°，63.43°工況下的損傷變形約0～4.78×10-7 m，表明傾斜的坡面可以有效減小流冰對明渠撞擊區(qū)的撞擊力、位移及損傷變形；流冰厚度對明渠襯砌撞擊的最大等效應(yīng)力與X方向最大位移呈現(xiàn)出近似的線性關(guān)系；流冰對明渠襯砌撞擊的最大等效應(yīng)力與X方向最大位移隨著混凝土強度等級的增大而逐漸減小，兩者呈現(xiàn)出近似的線性關(guān)系。綜合分析所模擬的不同工況可以發(fā)現(xiàn)，冰渠之間的水由于受到冰運動時的擠壓作用而預(yù)先產(chǎn)生一個高壓力場，在求解分析時應(yīng)充分考慮，不可忽略；同時，試驗值與模擬值基本吻合，表明數(shù)值模擬仿真模型準(zhǔn)確可靠。

關(guān)鍵詞 冰?水耦合; 流冰撞擊; 明渠; 數(shù)值模擬; 模型試驗

引 言

中國西北地區(qū)位于高寒地帶，冬季氣溫低，冰期長，頻繁發(fā)生的冰凌災(zāi)害已成為該地區(qū)長距離輸水工程安全運營所面臨的的首要問題［1］。位于此地區(qū)的輸水明渠冰期輸水過程中容易產(chǎn)生流冰碰撞，長期的碰撞沖擊會導(dǎo)致襯砌破損、開裂，嚴重影響安全輸水和襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，甚至給人民生命財產(chǎn)帶來重大損失。因此，開展流冰對輸水明渠破壞機理的研究迫在眉睫。

國內(nèi)外學(xué)者在流冰與結(jié)構(gòu)物碰撞仿真與試驗方面展開了大量的研究。目前對于空氣介質(zhì)中流冰撞擊結(jié)構(gòu)物的研究較多。Wu等［2］研究橋梁在隨機冰荷載作用下的動力響應(yīng)，并提出一種生成隨機冰荷載過程的模擬方法；張于曄等［3］采用有限元法分別建立有無防撞裝置的橋墩三維實體模型，分析了車輛撞擊作用下各橋墩的動態(tài)時程響應(yīng)；貢力等［4］研究了流冰對輸水明渠的撞擊作用，發(fā)現(xiàn)流冰對輸水明渠的撞擊影響規(guī)律；Li［5］考慮浮冰沖擊對列車?軌道?橋梁動力相互作用的影響；于天來等［6］采用模擬與實測相結(jié)合的方法研究流冰與橋墩撞擊相互作用。然而，對流冰?結(jié)構(gòu)物的碰撞研究缺少對水介質(zhì)的考慮。對水介質(zhì)的考慮，在船?海冰碰撞方面的研究較多，可采用研究海冰碰撞中冰?水耦合作用的方法來研究流冰對明渠的撞擊影響。Myher［7］對冰山與船舶不同部位碰撞的情形進行模擬，得出抵抗碰撞影響的有利區(qū)域；孫劍橋等［8］通過冰水池模型試驗，對船?冰碰撞載荷沿船體表面空間移動軌跡及局部冰壓力空間分布形態(tài)隨時間的變化過程進行了研究；Kim等［9］對船舶與浮冰碰撞中發(fā)生永久變形和冰破壞情況進行實驗研究；Gagnon［10］進行了冰水池冰塊與船首側(cè)面相撞試驗，并與數(shù)值模擬對比，結(jié)果吻合；蔡偉等［11］開展了與實驗場景相對應(yīng)的不同冰材料模型下有限元數(shù)值模擬，對比分析各冰材料模型的特點以及應(yīng)用局限。綜上所述，研究人員對于流冰?結(jié)構(gòu)物與船?海冰撞擊影響研究較多，但缺乏水工建筑物水介質(zhì)中流冰對輸水明渠撞擊影響方面的研究。

為研究寒冷地區(qū)長距離輸水工程解凍期流冰對輸水明渠的撞擊影響，該研究將數(shù)值模擬與模型試驗相結(jié)合，并運用流固耦合的計算方法，同時采用軟件LS?DYNA 建立流冰碰撞輸水明渠的有限元仿真模型，模擬水介質(zhì)中流冰與輸水明渠碰撞的全過程，以探究不同工況下流冰對輸水明渠的撞擊影響規(guī)律，為寒旱地區(qū)冬季冰期輸水安全提供理論支撐和技術(shù)保障。

1 流冰對輸水明渠撞擊理論基礎(chǔ)

1.1 顯示積分算法

流冰與明渠碰撞屬于低速非線性問題，碰撞瞬間流冰發(fā)生變形或破碎，明渠撞擊區(qū)產(chǎn)生應(yīng)力、位移與損傷變形，整個過程伴隨著能量交換與吸收，考慮阻尼后的流冰碰撞明渠運動方程為：

Mu¨+Cu˙+Ku=P（t） （1）

式中 M為質(zhì)量矩陣；u¨為加速度向量；C為系統(tǒng)阻尼矩陣；u˙為速度向量；K為剛度矩陣；u為位移向量；P（t）為外力向量。

1.2 流固耦合

本文基于水介質(zhì)中流冰與明渠的碰撞場景而建立的水?流冰?明渠三者耦合模型，然而在流固耦合計算過程中流動的材料容易使有限元網(wǎng)格產(chǎn)生嚴重的變形，從而造成仿真計算結(jié)果不收斂。為解決此類問題，通常采用ALE（Arbitrary Lagrange?Euler）算法，意在實現(xiàn)拉格朗日算法與歐拉罰函數(shù)算法之間的相互作用，提高模擬的準(zhǔn)確性。因此本文采用LS?DYNA軟件進行非線性有限元仿真時選用關(guān)鍵字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID來定義流固耦合［12］。

1.3 實驗相似準(zhǔn)則

由于流冰與明渠碰撞過程中存在的水介質(zhì)對流冰的擾動作用，導(dǎo)致流冰與明渠碰撞相互作用過程的原型觀測較難展開，因此，模型實驗成為解決這一類問題的重要手段。根據(jù)文獻［13］的研究結(jié)果，冰力學(xué)模型試驗主要以重力相似準(zhǔn)則、佛汝德相似準(zhǔn)則、柯西相似準(zhǔn)則為依據(jù)，整理得到模型試驗物理量相似比尺如表1所示。

1.4 工程實例

本文選取引大入秦工程總干渠段梯形明渠作為有限元仿真模型。引大入秦總干渠屬于天?？h境內(nèi)的大通河至永登縣莊浪河流域，全長87 km，設(shè)計引水量為32 m3/s，加大引水量為36 m3/s，設(shè)計水深2.29 m，加大水深3.37 m。該梯形明渠樁號為00+406.92～04+231.08，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?；炷?，厚0.12 m，底寬4.5 m，渠高4.3 m，邊坡1∶1.25。

1.5 模型材料參數(shù)

1.5.1 流冰模型材料參數(shù)

冰的復(fù)雜性主要表現(xiàn)在其失效強度與應(yīng)變率，其壓縮強度也會隨環(huán)境溫度的變化而改變。在軟件LS?DYNA計算中，添加關(guān)鍵字*MAT_ ISOTROPIC_ELASTIC_FAILURE進行冰材料的定義，可模擬流冰碰撞時產(chǎn)生的破碎效果。冰材料模型參數(shù)參考文獻［14］，冰材料模型參數(shù)如表2所示。

1.5.2 輸水明渠襯砌混凝土材料

明渠幾何形狀、尺寸、混凝土材料等的選擇取決于引大入秦工程總干渠段梯形明渠的實際工程，模擬計算中明渠襯砌混凝土材料參數(shù)采用連續(xù)面蓋帽模型［15］，添加關(guān)鍵字*MAT_ CSCM_ CONCRETE進行定義，該模型可記錄碰撞過程中明渠襯砌的撞擊力、位移及損傷變形，在混凝土結(jié)構(gòu)低速沖擊方面的應(yīng)用較多?；炷敛牧夏Ｐ蛥?shù)如表3所示。

1.5.3 水介質(zhì)材料參數(shù)

在軟件LS?DYNA中進行流固耦合計算時，水介質(zhì)參數(shù)采用空白材料組*MAT_NULL進行定義，其密度參數(shù)為1000 kg/m3、截斷應(yīng)力為-1×105 Pa。對于流體介質(zhì)，還需定義狀態(tài)方程，水介質(zhì)采用Gruneisen狀態(tài)方程，水介質(zhì)狀態(tài)方程參數(shù)如表4所示［16］。

1.6 有限元模型的建立

流冰與輸水明渠碰撞過程中的接觸算法以罰函數(shù)法為主，接觸類型為自動面面接觸，明渠襯砌面為主面，流冰接觸面為從面，通過關(guān)鍵字*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TOSURFACE進行設(shè)置。對明渠襯砌底板及邊壁均進行全約束，水介質(zhì)的邊界條件在xoy平面的歐拉單元均采用無反射邊界條件（non?reflecting boundary）；而yoz平面內(nèi)的流體由于受到明渠邊壁的約束，因此對該平面內(nèi)的流體單元不設(shè)約束；對于xoz平面內(nèi)的水介質(zhì)單元，與流冰接觸面定義為無反射邊界條件，與明渠底部接觸面由于受到邊壁的約束作用而不設(shè)約束。

為了準(zhǔn)確模擬水中流冰對明渠的沖擊碰撞作用，消除流冰運動過程中水介質(zhì)對流冰的能量消耗，進而更加接近真實的碰撞場景，因此，本文在流固耦合仿真模擬中將X方向的初速度賦予流冰，去近似替代水流拖動流冰運動的水平速度，以保證流冰碰撞到明渠襯砌的速度為所設(shè)置的初始速度。為減少模擬計算時間，將流冰與明渠之間的距離設(shè)置為0.01 m，以確保流冰運動過程中較小的能量損失。由于漂浮在水面的流冰處于豎向平衡狀態(tài)，所以在仿真模擬時忽略流冰所受的豎向荷載，只考慮水流拖動流冰運動的水平荷載［17］。

流冰碰撞輸水明渠是一個非線性動態(tài)響應(yīng)的過程，為研究方便，本文以引大入秦工程總干渠段梯形明渠為原型建立有限元仿真碰撞模型。以大通河冰情和明渠所在地理位置為依據(jù)，并參考張宿峰［18］在流冰方面的研究，選取1 m×1 m×0.4 m的長方體流冰模型，其中流冰厚度為0.4 m，碰撞面積為0.4 m2，流冰吃水深度為0.35 m。根據(jù)引大入秦工程中明渠運營水深及最大水深，選取模擬水深為2.0 m。水、流冰和明渠均選取3D Solid164 實體單元，采用SWEEP網(wǎng)格劃分，建立水?流冰?明渠襯砌有限元碰撞模型，水?流冰?明渠襯砌碰撞網(wǎng)格劃分圖如圖1所示。

2 不同工況下流冰對輸水明渠的撞擊響應(yīng)

2.1 不同碰撞角度

根據(jù)引大入秦工程中明渠設(shè)計流速及最大流速，選取流冰速度為3 m/s，混凝土等級為C25，探究流冰與明渠不同碰撞角度對明渠襯砌的影響。由引大入秦輸水明渠實際運營及文獻［19］規(guī)范對邊坡系數(shù)的設(shè)計要求，選取明渠邊坡系數(shù)為1.25，1，0.5，0（矩形明渠），對應(yīng)流冰與明渠的碰撞角度θ為38.66°，45°，63.43°，90°（正碰），流冰與明渠襯砌碰撞角度示意圖如圖2所示（以θ=38.66°，90°為例）。

因為在流冰碰撞仿真模擬過程中非常容易出現(xiàn)沙漏情況，所以對流冰碰撞模擬計算精度有一定的要求。圖3為碰撞角度為90°工況下的能量曲線變化圖，可以看出總能量基本保持不變，動能曲線包括流冰與明渠的動能，在初始時刻明渠未發(fā)生振動，其動能為零，流冰動能為1.65×103 J，約占總能的100%。當(dāng)流冰與明渠發(fā)生碰撞后，流冰動能開始下降，然而不是呈線性下降，主要是撞擊發(fā)生后，明渠產(chǎn)生了振動和流冰速度減小導(dǎo)致。初始時刻內(nèi)能為零，隨著流冰的運動，內(nèi)能相對應(yīng)的增加。還可以看出沙漏能在整個過程中很小，其峰值約為總能峰值的0.79%，滿足在10%以內(nèi)的要求，說明該仿真模擬計算結(jié)果有效地控制了沙漏能問題，表明數(shù)值模擬仿真模型準(zhǔn)確可靠。

經(jīng)模擬計算，在碰撞角度為38.66°工況下，明渠襯砌最大等效應(yīng)力云圖與X方向最大位移云圖如圖4，5所示。

由圖4，5可知，明渠襯砌所受最大撞擊應(yīng)力在0.0039993 s時達到峰值，為6.987×105 Pa，此時X方向最大位移也達到峰值，為1.907×10-6 m。同理可知，碰撞角度為45°，63.43°和90°工況下的最大等效應(yīng)力分別為6.674×105，9.573×105和2.332×106 Pa；對應(yīng)X方向最大位移分別為4.768×10-6 ，5.96×10-6 和1.764×10-5 m。不同碰撞角度下明渠最大等效應(yīng)力時程曲線與X方向最大位移時程曲線匯總?cè)鐖D6，7所示。

由圖6，7可知，不同碰撞角度下明渠的等效應(yīng)力峰值與X方向位移峰值是不同的。碰撞角度為38.66°，45°，63.43°和90°四種工況下明渠襯砌最大撞擊等效應(yīng)力與X方向最大位移時程曲線均出現(xiàn)多峰值現(xiàn)象，說明流冰與明渠的碰撞過程中出現(xiàn)了持續(xù)的碰撞與擠壓，也表明碰撞過程中構(gòu)件發(fā)生了不斷的失效和破壞；碰撞角度為90°工況下的最大等效應(yīng)力與X方向最大位移遠大于38.66°，45°，63.43°工況下的峰值，經(jīng)計算90°工況下的最大等效應(yīng)力是其他3種工況平均峰值的3.01倍，其X方向最大位移是其他3種工況平均峰值的4.19倍，這是由于正碰工況下，碰撞瞬間流冰對明渠襯砌的撞擊作用較大，流冰的絕大部分能量都直接作用于明渠襯砌上，只有小部分能量被水介質(zhì)吸收損失；而其他3種工況碰撞瞬間對明渠襯砌的撞擊作用較小，是由于碰撞接觸面傾斜，使流冰碰撞傾斜面瞬間發(fā)生了順著斜坡向上的滑動擠壓運動，進而使較多能量被傾斜面卸載消耗。由圖7可知，正碰工況下X方向最大位移時程曲線發(fā)生了約為5.72×10-6 m的損傷變形，而其他工況損傷變形約為0～4.78×10-7 m，可忽略不計，表明流冰碰撞角度為90°工況下對明渠襯砌損傷變形影響顯著，而斜碰對明渠襯砌損傷變形影響很?。磺遗鲎步嵌葹?0°工況下最大位移峰值出現(xiàn)后無波動，是因為流冰與明渠碰撞屬于正碰，碰撞瞬間流冰被彈回，碰撞結(jié)束，不存在二次碰撞及擠壓現(xiàn)象。

2.2 不同流冰厚度

由2.1節(jié)知，正碰工況下流冰對明渠的撞擊影響最大，因此本節(jié)選取碰撞角度工況為90°，其他條件不變。為研究尺寸效應(yīng)對流冰碰撞輸水明渠的影響，并依據(jù)文獻［20?21］等給出的流冰壓力計算公式，流冰厚度為其冰壓力計算的重要指標(biāo)，結(jié)合引大入秦工程明渠所在位置冰情特點，選取0.2，0.4，0.6 m冰厚度工況對明渠襯砌的碰撞影響進行分析。經(jīng)模擬計算可得不同流冰厚度工況下X方向的冰破碎變形云圖與冰破碎變形時程曲線圖如圖8，9所示。

由圖8可以看出，不同厚度工況流冰在不同時刻發(fā)生破碎變形現(xiàn)象，發(fā)生碰撞后破碎失效的單元被刪除，流冰產(chǎn)生質(zhì)量損失。由圖9可知，冰在不同時刻其破碎變形值不同，0.2，0.4和0.6 m冰厚度工況下的最大變形值分別為1.17×10-2，1.22×10-2和1.14×10-2 m。由于流冰尺寸的變化，尺寸效應(yīng)的影響導(dǎo)致水墊效應(yīng)對冰的作用明顯，因此不同厚度工況下冰最大變形值出現(xiàn)的時刻是不同的。從圖9還可以看出冰破碎變形值隨著時間出現(xiàn)多個峰值現(xiàn)象，說明流冰構(gòu)件在撞擊過程中出現(xiàn)了連續(xù)的破壞和失效。

為了準(zhǔn)確模擬流冰與明渠相互作用時水介質(zhì)扮演的重要角色，使更加接近真實的碰撞場景，因此，冰?水耦合作用中水介質(zhì)所產(chǎn)生的水墊效應(yīng)不可忽略。經(jīng)模擬可得不同流冰厚度工況下水介質(zhì)的X方向應(yīng)變云圖如圖10所示。

由圖10可知，同一流冰厚度工況下，水介質(zhì)的X方向應(yīng)變峰值隨著碰撞時間的增大而增大，說明碰撞過程中水介質(zhì)對流冰的擾動作用是逐漸增強的。并且在流冰與明渠接觸面處的水體從受流冰X正方向的壓力轉(zhuǎn)為受流冰X負方向的拉力，反面水體受力則相反。從圖10還可以看出在同一時刻隨著流冰厚度的增大應(yīng)變值也逐漸增大，說明隨著流冰厚度的增大，尺寸效應(yīng)對水介質(zhì)的影響逐漸增大。

碰撞角度為90°時，不同厚度工況下明渠最大等效應(yīng)力時程曲線與X方向最大位移時程曲線如圖11，12所示。

由圖11可知，冰厚度為0.2，0.4，0.6 m工況下流冰對明渠襯砌撞擊的等效應(yīng)力峰值分別為8.01×105，2.33×106，5.03×106 Pa，即最大等效應(yīng)力隨著流冰厚度的增大而增大，兩者呈現(xiàn)出近似的線性關(guān)系。從圖11還可以看出隨著冰厚度的增大，等效應(yīng)力峰值出現(xiàn)的時間是逐漸延遲的，這是因為流冰厚度的增大伴隨著質(zhì)量的增加，水介質(zhì)對冰的拖拽力及黏滯性增強，流冰尺寸的改變使水墊效應(yīng)作用明顯，導(dǎo)致碰撞時間出現(xiàn)了滯后的現(xiàn)象，因此峰值出現(xiàn)的時間也是不一致的。由于水介質(zhì)中流冰在近場逼近明渠時水介質(zhì)受到流冰的擠壓會預(yù)先產(chǎn)生一個高壓場，該力場使冰渠之間產(chǎn)生一個降低速度的水墊效應(yīng)，同時在冰渠結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生一個瞬間壓力荷載，因此，在等效應(yīng)力最大峰值前出現(xiàn)了微小的中間峰值，說明在流固耦合計算中對水介質(zhì)的作用及水墊效應(yīng)的影響不可忽視。

由圖12可知，冰厚度為0.2，0.4，0.6 m工況下流冰對明渠襯砌撞擊的X方向位移峰值分別為8.431×10-6，1.76×10-5，2.67×10-5 m，即隨著流冰厚度的增大而增大，兩者呈現(xiàn)出近似的線性關(guān)系。從圖12還可以看出隨著冰厚度的增大，明渠X方向位移峰值出現(xiàn)的時間是逐漸延遲的，這是因為流冰厚度的增大伴隨著質(zhì)量的增加，水介質(zhì)對冰的拖拽力及黏滯性增強，流冰尺寸的改變使水墊效應(yīng)作用明顯，導(dǎo)致碰撞時間出現(xiàn)了滯后的現(xiàn)象，因此峰值出現(xiàn)的時間也是不一致的。由于水介質(zhì)中流冰在近場逼近明渠時水介質(zhì)受到流冰的擠壓會預(yù)先產(chǎn)生一個高壓場，該力場一方面使冰渠之間產(chǎn)生一個降低速度的水墊效應(yīng)，同時在冰渠結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生一個瞬間壓力荷載。因此，在X方向最大位移峰值前出現(xiàn)了的中間峰值，說明在流固耦合計算中水介質(zhì)所扮演的角色及水墊效應(yīng)的影響不可忽視。從圖12還可以看出不同流冰厚度工況下明渠襯砌的損傷變形分別為2.77×10-6，5.72×10-6，6.77×10-6 m，隨著流冰厚度的增大而增大，兩者呈現(xiàn)出近似的線性關(guān)系。

2.3 不同混凝土強度等級

實際工程中，隨著混凝土抗壓強度等級的不同，明渠襯砌強度也隨之改變，混凝土強度等級越高，明渠襯砌抵抗流冰碰撞的能力越強。因此，為節(jié)約造價成本，減少不必要的材料浪費，根據(jù)地區(qū)流冰災(zāi)害特點在工程設(shè)計時選取最優(yōu)混凝土強度等級尤其重要。

由2.1節(jié)知，正碰工況下流冰對明渠的撞擊影響最大，因此本節(jié)選取碰撞角度工況為90°，流冰速度為3 m/s不變。根據(jù)引大入秦明渠工程實際建設(shè)及文獻［22?23］選取了C20，C30，C40，C50四種不同強度等級混凝土來研究流冰對明渠襯砌的碰撞影響。經(jīng)模擬計算可知，C20混凝土工況下的明渠襯砌最大等效應(yīng)力云圖與X方向最大位移云圖如圖13，14所示。

由圖13，14可知，明渠襯砌所受最大撞擊應(yīng)力在0.0079967 s時達到峰值，為5.80×106 Pa，此時X方向最大位移也達到峰值，為4.005×10-5 m。同理可知，混凝土為C30，C40，C50工況下的最大等效應(yīng)力分別為4.12×106，3.86×106，3.12×106 Pa，可知明渠襯砌的最大等效應(yīng)力隨著混凝土強度等級的增大而減小，兩者呈現(xiàn)出近似的線性關(guān)系；對應(yīng)X方向最大位移分別為2.893×10-5，2.241×10-5，1.526×10-5 m，可知明渠襯砌X方向最大位移隨著混凝土強度等級的增大而減小，兩者呈現(xiàn)出近似的線性關(guān)系。不同混凝土抗壓強度工況下明渠襯砌等效應(yīng)力時程曲線與X方向位移時程曲線如圖15，16所示。

由圖15可以看出，不同混凝土抗壓強度工況下明渠襯砌最大撞擊等效應(yīng)力時程曲線軌跡大致相同，均在同一時刻出現(xiàn)最大值，且最大等效應(yīng)力隨著混凝土強度等級的增大而減小，說明混凝土強度等級越高，其抵抗流冰撞擊力的能力越強。由圖16可知，不同混凝土抗壓強度工況下明渠襯砌X方向最大位移在同一時刻出現(xiàn)峰值，且峰值隨混凝土抗壓強度等級的增大而逐漸減小，說明混凝土強度等級越高，其抵抗流冰撞擊作用的能力越強；從圖16還可以看出，流冰均使四種不同強度明渠襯砌出現(xiàn)了一定的損傷變形，C20，C30，C40和C50混凝土強度下的損傷變形分別為：6.2×10-6 ，4.8×10-6 ，5.7×10-6和6.7×10-6 m，損傷變形變化不明顯。

3 模型試驗驗證

3.1 試驗裝置

室內(nèi)試驗?zāi)Ｐ团c實際模型的幾何比尺為1∶10，在模型試驗中，水箱代替明渠模型，明渠襯砌采用混凝土板，流冰由動力裝置牽引撞擊明渠襯砌，材料的密度比尺為1.0，加速度比尺為1.0，在常重力場條件下進行試驗。其碰撞測試試驗臺與動力及數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)如圖17所示。

3.2 試驗步驟

制備長寬高為1 m×0.12 m×1 m的混凝土明渠模型，在混凝土襯砌上布置2個應(yīng)變片，應(yīng)變片上覆蓋白紙，白紙上覆蓋復(fù)寫紙；復(fù)寫紙與白紙的作用是記錄模型冰撞擊區(qū)域和撞擊面積；連接電腦與動態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)；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；啟動計算機，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，保存數(shù)據(jù)。圖18為應(yīng)變傳感器布置圖及粘貼白紙及復(fù)寫紙的撞擊區(qū)域采集圖。

3.3 試驗與模擬結(jié)果對比分析

根據(jù)3.2節(jié)實驗步驟，將準(zhǔn)備好的1塊尺寸規(guī)格同為10 cm×10 cm×4 cm的模型冰放入模型中，設(shè)置流冰與明渠碰撞角度為90°，明渠襯砌混凝土等級為C25。并對模擬速度為3.0 m/s進行試驗碰撞結(jié)果分析驗證，根據(jù)表1撞擊速度比尺計算可知，試驗流冰速度為0.949 m/s。圖19，20分別為流冰速度為0.949 m/s時明渠襯砌應(yīng)變時程圖及撞擊區(qū)域面積圖。

由圖19應(yīng)變時程曲線可以看出，流冰速度為0.949 m/s時明渠襯砌應(yīng)變峰值為88.41×10-6（應(yīng)變值無量綱）。從圖19還可以看出流冰碰撞過程包括荷載加載階段、峰值階段、荷載卸載階段，是因為流冰與明渠碰撞角度為90°，屬于正面碰撞，碰撞接觸瞬間流冰被彈回，撞擊結(jié)束。

式中 F為撞擊力，kN；E為彈性模量，MPa；ε為應(yīng)變；σ為應(yīng)力，MPa；A為撞擊面積，mm2。

由式（2）可知試驗流冰撞擊應(yīng)力峰值σmax=Eε=2.8×104×88.41×10-6=2.475 MPa（其中C25混凝土的彈性模量為2.8×104 MPa），與模擬得到的2.332 MPa的結(jié)果相對誤差為5.8％，計算結(jié)果相近。在采集撞擊區(qū)域中應(yīng)變片需布置在混凝土襯砌上，導(dǎo)致流冰與混凝土襯砌之間的碰撞接觸面不平整，為了降低試驗裝置誤差，因此在計算撞擊面積時只考慮碰撞接觸區(qū)域。由圖20計算出撞擊面積為229.47 mm2，根據(jù)表1知撞擊力的比尺為λ3L，并通過公式（3）轉(zhuǎn)換可得其最大撞擊力為Fmax=σA/λ3L=2.475×229.47×103=567.9 kN（其中λL為1∶10）。圖21為LS?DYNA軟件模擬出的流冰速度為3 m/s時明渠襯砌撞擊力時程曲線圖。由時程曲線圖可知其撞擊力峰值為538.2 kN，與得到的試驗計算結(jié)的果相對誤差為5.2 %，說明數(shù)值模擬仿真模型的較為準(zhǔn)確，滿足精度要求。從圖21還可以看出試驗撞擊應(yīng)力與撞擊力峰值均大于模擬值，這是因為試驗忽略了水介質(zhì)對流冰的影響，而模擬考慮了冰?水耦合作用，說明水墊效應(yīng)對流冰的作用不可忽略。

4 結(jié) 論

本文考慮水介質(zhì)的影響，通過流固耦合的計算方法，運用LS?DYNA有限元分析軟件進行了水介質(zhì)中不同碰撞角度、不同流冰厚度、不同混凝土強度等級工況下流冰對輸水明渠襯砌的碰撞仿真，并開展了相應(yīng)的模型試驗驗證，得到了以下結(jié)論：

（1）在只改變碰撞角度工況下，90°工況下的明渠襯砌撞擊區(qū)的最大等效應(yīng)力與X方向最大位移分別是38.66°，45°，63.43°三種工況平均峰值的3.01倍和4.19倍，且正碰時明渠襯砌撞擊區(qū)發(fā)生了約5.72×10-6 m的損傷變形，而38.66°，45°，63.43°工況下的損傷變形約為0～4.78×10-7 m，表明正面碰撞瞬間流冰對明渠襯砌的撞擊作用較大，且對明渠襯砌損傷變形影響明顯，傾斜的坡面可以有效減小流冰對明渠撞擊區(qū)的撞擊力、位移及損傷變形。因此，在高寒地區(qū)長距離輸水明渠設(shè)計時應(yīng)充分考慮其坡度的改變對流冰撞擊的影響。

（2）在只改變流冰厚度工況下，明渠襯砌的最大等效應(yīng)力與X方向最大位移隨著流冰厚度的增大，兩者呈現(xiàn)出近似的線性關(guān)系。因此，冰期輸水需要考慮流冰厚度的變化對明渠襯砌的影響，減小流冰對明渠襯砌的碰撞破壞作用。

（3）在只改變明渠襯砌混凝土強度等級工況下，明渠襯砌的最大等效應(yīng)力與X方向最大位移隨著混凝土強度等級的增大而減小，兩者呈現(xiàn)出近似的線性關(guān)系。表明混凝土強度等級越高，其抵抗流冰撞擊作用的能力越強。因此，根據(jù)地區(qū)流冰災(zāi)害特點在工程設(shè)計時選取最優(yōu)混凝土強度等級尤其重要。

（4）實際工程中，漂浮在水上的流冰其運動受多因素耦合影響，如水溫、風(fēng)速、流速、水流流態(tài)等；在模擬流冰碰撞明渠襯砌時，對于水介質(zhì)中流冰平面尺寸、流冰壓縮強度、流冰形狀、多冰塊干擾等問題，還需要做進一步的研究。

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