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水 利 学 报

２０２３年 １１月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５４卷 第 １１期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２３）１１ － １２７７ － １０

冰盖前缘冰块稳定性研究进展

王 军，桑连升，宋飞虎，程铁杰

（合肥工业大学，安徽 合肥 ２３０００９）

摘要：冰块在冰盖或冰塞前缘的稳定性是冰塞演变研究的重要基础，是任何预测或预报冰塞演变相关数学模型不
可缺少的部分。对国内外经典的冰块下潜研究文献进行了梳理，按照研究方法的不同，冰块下潜临界条件的研究
大致可分为以原型观测为主、以理论分析为主和以试验研究为主的三个方面。无论是工程应用还是理论研究，流
行的下潜判断是临界弗劳德数形式。经过分析，探讨了现有相关研究的不足之处，得出以下主要结论和今后的研
究方向：临界弗劳德数影响因素众多，如水流、气象和冰本身的状况，因此，其值表现出范围变化，具有特定的
场所性；迄今为止的冰块下潜研究基本忽略了冰块宽度效应，直接影响了下潜力矩和抗倾覆力矩的正确表达；冰
块在下潜时，其底面的压力和分布变化的研究是非常重要的，而现有的研究尚有很多需要改进。
关键词：下潜；临界条件；弗劳德数；压力变化；冰块
文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２３０３２３
中图分类号：ＴＶ１４３

１ 研究背景

寒冷地区河流冬季常出现冰盖、冰塞和冰坝这些特有的冰情现象 ［１］ ，当河流中形成完整冰盖时，
水流从明流变成了封闭的暗流，水流湿周增加，上游水位升高，尤其冰塞或冰坝的出现，会导致上游
水位短时间升高很多，可能因此诱发凌洪灾害，使河渠建筑物和堤防受到威胁 ［２ － ４］ 、河渠长距离输水
流量受到影响等 ［５］ ；除此之外，冰盖下的河床演变也不同于明流时期 ［６ － ８］ 。封、开河时的冰塞或冰坝
是最容易致灾的 ［９ － １０］ ，上游来冰在到达冰盖前缘时，或停留使冰塞前缘向上游延伸或受水力作用而下
潜于冰盖下。由于上游来冰在冰盖前缘下潜与否是冰塞或冰坝演变的重要组成部分和过程，也是冰塞
演变数值模型的重要基础，所以自 １９２０年代就有学者关注研究冰盖前缘冰块的稳定性问题 ［１１ － １２］ ，但
因问题的复杂性，至今其实没有真正的理论解。目前，河冰数学模型虽然已经发展到了可采用离散元
模型模拟冰盖的形成与变化 ［１３ － １６］ ，但对于冰盖前缘冰块下潜与否仍然是依靠经验公式或水力条件的经
验值进行判断。

２ 冰盖前缘冰块稳定性研究

一直以来，冰块在冰盖前缘稳定性问题因其重要性受到了众多学者的关注，也已经取得了很多重
要成果，这些研究成果按其研究方法大致可分为三类，分别为原型观测研究、理论分析、试验研究
等，对该问题的研究属于实际河流应用的需要，所以有些相关研究成果实际上不能单纯的划归其中某
类，某种程度上这样的分类只是为了叙述问题的方便。
２．１ 原型观测研究方面 文献［１１］中，有关 Ｓｔ．ＬａｗｒｅｎｃｅＷａｔｅｒｗａｙＰｒｏｊｅｃｔ的研究发现，当河流中的水

收稿日期：２０２３ － ０５ － ３１；网络首发日期：２０２３ － １０ － １３
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２３１０１１．１０３９．００２．ｈｔｍｌ
基金项目：国家重点研发计划项目（２０２２ＹＦＣ３２０２５０２）；国家自然科学基金联合基金项目（Ｕ２２４３２３９）
作者简介：王军（ １９６２ － ），教授，主要从事河冰水力学研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｊｕｎｗａｎｇｈｆｕｔ＠１２６．ｃｏｍ

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