Page 92 - 2021年第52卷第7期

果，下游河道比上游更快达到冲淤平衡。计算结果显示二维水冰沙耦合数学模型能模拟河道中冰盖
对岸坡冲刷和河道淤积的影响。

表 1 河流水冰沙耦合模型关键参数
模块 参数 定义 典型值 单位
n b 渠底糙率 0.01~0.05
E bi 河岸侵蚀速率 0~0.1 m/s
二维水沙数值模块 d 泥沙中值粒径 0.1~4.0 mm
50
ρ 水的密度 3
w 1000 kg/m
ρ d 泥沙的密度 2650 kg/m 3
h wa 大气与水面的热交换率 17 W/（m ℃）
2
h ia 大气与冰的热交换率 12 W/（m ℃）
2
h sa 大气与雪的热交换率 2.4 W/（m ℃）
2
k 冰的热传导系数 W/（m ℃）
2
i 2.24
k 水的热传导系数 W/（m ℃）
2
w 0.56
冰块之间的孔隙率
e p 0.4
μ 河岸摩擦系数 1.08
σ 冰块冻结过程中的内应力 0~100000 Pa
n i 新生成冰盖下的糙率系数 0.02
V 水内冰上浮速度
b 0.001 m/s
α sn 雪表面的热传导系数 0.3 W/m 2
河冰动力学模块
v er 流冰的临界侵蚀速度 1.2 m/s
v de 流冰的临界沉降速度 0.8 m/s
f
wf 风的拖曳力系数 0.0013
f ff 水的拖曳力系数 0.00155
ϕ 冰的内摩擦角
ir 46 °
σ
coh 冰与河岸的黏性应力 0~100000 Pa
σ
cop 坚冰的极限压应力 10000 Pa
v skm 薄冰层不形成的临界流速 1.2 m/s
v bom 岸冰不发展的临界流速 1.5 m/s
F rp 平铺上溯的临界弗劳德数 0.03
F 冰塞冰坝停止发展的临界弗劳德数
rc 0.09
ϕ
rs 水下泥沙休止角 30 °
ϕ re 水上泥沙休止角 30~90 °
岸滩侵蚀模块
ϕ ds 水下泥沙再分布坡角 30 °
ϕ de 水上泥沙再分布坡角 30~90 °

4.3 冰塞形成和释放过程 为了进一步验证二维水冰沙耦合数学模型在冰塞冰坝等极端工况下的可

靠性，研究采用第 3 节工况下的梯形断面河道及河岸泥沙条件，模拟了冲积河流冰塞冰坝的形成和释
放过程。在河道中间设置拦冰栅并假设冰塞形成过程中河床为可冲刷而河岸固定，在冰塞释放过程
中河床与河岸均可冲刷。图 8 显示了稳定冰塞形成后浮冰颗粒的分布、河道地形的冲淤变化、纵剖面
的水位、上下冰面及河床高程分布。图中，黑色方块示意浮冰，地形冲淤变化中蓝色示意冲刷，红
色示意淤积，两条白线示意左右岸堤脚位置。模拟结果显示卡冰处冰体堆积严重，最大冰厚超过
0.12 m，冰塞引起上游水位壅高，上下水位差达 0.04 m。此外，冰塞体前端冰厚最大，并导致断面过
流面积减小，局部流速增大，河道主槽出现显著冲刷。模拟结果与 Beltaos 等在加拿大阿萨巴斯卡河
观测的冲积河流冰塞形成过程相符合 ［32］ ，证实了模型对冰塞形成中水冰沙耦合模拟的可行性。
以图 8 模拟的冰塞体为初始条件，在 t = 0 时刻撤去拦冰栅，进一步采用二维水冰沙耦合数学模
型模拟冰塞释放过程中的河冰运动、河道冲淤变化、岸坡崩塌和再平衡、水位流量波动过程。模拟

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