冰封河流条件下管道局部冲刷与水力动力学的实验研究及其工程应用意义

本研究针对寒区水力工程中冰盖对管道局部冲刷的影响这一关键问题，通过系统实验探究了不同管道布局（单管、串联、三管）和冰盖条件（开放河道、光滑冰面、粗糙冰面）下的冲刷行为。研究发现，冰盖显著增加平衡冲刷深度并缩短达到平衡的时间，其中粗糙冰面因增强近床湍流和流动约束导致最深冲刷；多管布局虽降低最大冲刷深度但加速冲刷起始。通过声学多普勒测速仪（ADV）测量揭示了冰盖条件下反向流和湍流动能（TKE）的增强机制，为寒区管道设计提供了经验模型。

　　

在寒区油气运输和资源开发中，水下管道是至关重要的基础设施，但其稳定性常受局部冲刷威胁。冰盖作为季节性覆盖物，会显著改变河流的水力特性，但目前关于冰盖条件下管道冲刷的研究仍存在空白。此外，多管布局的冲刷干扰效应也缺乏系统性探究。为此，来自不列颠哥伦比亚大学的研究团队通过实验揭示了冰盖与多管布局对冲刷的复合影响，相关成果发表在《Ocean Engineering》上，为寒区管道设计提供了关键数据支撑。

研究采用矩形水槽实验，配置40米长、2米宽的 plexiglass 水槽，通过重力泵系统控制流速（最大440 m³
/h）。实验选用PVC管道（直径40/50/60 mm）和两种非均匀沙（d₅₀
=0.58/0.90 mm），模拟开放河道、光滑冰盖（曼宁系数n_i
=0.010）和粗糙冰盖（n_i
=0.021）条件。利用声学多普勒测速仪（ADV）以25 Hz采样率测量流速场，并通过激光测距仪记录冲刷形态。

3.1 淹没管道周围的湍流结构
ADV数据显示，单管布局下冰盖使水平流速梯度更陡峭，粗糙冰盖的垂直向下流速（w/w_max
）达-0.35，显著高于开放河道的-0.10。湍流动能（TKE）分析表明，粗糙冰盖使管道尾流区TKE峰值提升50%，证实了冰盖对近床湍流的强化作用。

3.2 冲刷时间演化
冰盖条件缩短达到平衡冲刷时间，三管布局（间距3D）比单管快44.4%。冲刷初期泥沙呈现旋转运动，粗糙冰盖下初始冲刷速率更高，这与ADV观测的强向下流吻合。

3.3 最大平衡冲刷剖面
单管在粗糙冰盖下冲刷深度最大（0.78D），而双管（间距3D）和三管布局分别降低冲刷深度13.3%和26.7%。冲刷坑形态显示，冰盖条件下侵蚀更集中于管道下游侧，与增强的尾涡结构直接相关。

3.4 平衡冲刷深度预测方程
通过多元回归建立的预测模型中，单管方程R²
=0.957，关键参数包括雷诺数（Re）和密度弗劳德数（Fr_d
）；双管方程引入间隙比（s=G/D），R²
=0.903。验证表明模型能较好预测不同冰盖条件的冲刷深度。

该研究首次量化了冰盖粗糙度与多管干扰对冲刷的协同效应。结论指出：① 粗糙冰盖通过增强近床湍流使冲刷深度增加29.5%；② 多管布局通过尾流干扰降低最大冲刷深度但加速冲刷进程；③ 建立的预测模型为寒区管道安全间距设计提供了理论依据。这些发现弥补了现有冲刷模型在冰盖条件下的适用性缺陷，对北极圈内管道工程具有直接指导价值。未来研究可进一步考虑动态冰盖厚度变化和悬移质输沙的影响。