[发明专利]开敞式输水干渠的防结冰方法

说明书

本发明公开了一种敞式输水干渠的防结冰方法，它通过开敞式输水干渠的防结冰装置防止开敞式输水干渠水面结冰，所述开敞式输水干渠的防结冰装置在开敞式输水干渠中呈矩阵分布；当横向风力绕过上自由无约束端时，上自由无约束端的背风向形成卡门涡型振动，生成漩涡脱落频率范围；当横向风力吹动上自由无约束端时，上自由无约束端在约束装置约束下产生立杆自振，生成立杆自振频率范围；当漩涡脱落频率范围与自振频率范围重叠时，产生涡激共振，并通过约束装置改变圆柱状立杆的空气阻尼特性，形成振动放大的力矩，振动放大的力矩沿圆柱状立杆长度方向传递至下自由无约束端，通过克服水表面的水力约束产生振动，从而防止开敞式输水干渠水面结冰。

技术领域

本发明涉及水利水务技术领域，具体地指一种开敞式输水干渠的防结冰方法。

背景技术

输水干渠，特别是人工输水干渠，例如南水北调中线工程总干渠，由南向北采用自流方式输水，宽度为80m～120m，长度超过1200km，具有渠道宽、距离长的特点。这类干渠纬度跨越较大(南水北调中线工程总干渠从纬度33°跨越到纬度40°)，在干渠黄河以北几乎年年都发生冰冻。

目前，上述干渠在冰期采用冰盖下输水方式，并采用拦冰索作为安全措施。

但是，冰盖下输水具有如下缺点：第一，冰期输水效率约为正常时的一半，输水量严重偏低；第二，实际运行时因为流速等原因，冰盖形成困难，容易形成冰塞、冰坝等灾害；第三，干渠冰冻会给闸门等控制性设施带来严重的安全隐患，甚至造成永久性破坏。

发明内容

针对现有技术的不足之处，本发明提出一种开敞式输水干渠的防结冰方法，在开敞式输水干渠水面穿插竖直布置的圆柱状立杆，使圆柱状立杆形成上自由无约束端、下自由无约束端、中部某点固定约束的状态，通过横向风力对圆柱状立杆产生的涡激共振，形成振动放大的力矩，克服水表面的水力约束产生振动，防止水面结冰。

为达到上述目的，本发明所设计的一种开敞式输水干渠的防结冰方法，其特别之处在于，包括如下步骤：所述防结冰方法通过开敞式输水干渠的防结冰装置防止开敞式输水干渠水面结冰，所述开敞式输水干渠的防结冰装置在开敞式输水干渠中呈矩阵分布；

所述开敞式输水干渠的防结冰装置包括竖直穿插在开敞式输水干渠水面的圆柱状立杆，所述圆柱状立杆下部位于水面下方，形成位于水中的下自由无约束端；所述圆柱状立杆上部位于水面上方，形成位于空气中的上自由无约束端；所述圆柱状立杆位于水面上方的杆体上设置有高度可调的固定约束点，所述固定约束点位于上自由无约束端和下自由无约束端之间，且固定约束点位置处设置有用于将圆柱状立杆固定的约束装置；

当横向风力绕过上自由无约束端时，上自由无约束端的背风向形成卡门涡型振动，生成漩涡脱落频率范围；

当横向风力吹动上自由无约束端时，上自由无约束端在约束装置约束下产生立杆自振，生成立杆自振频率范围；

当漩涡脱落频率范围与自振频率范围重叠时，产生涡激共振，并通过约束装置改变圆柱状立杆的空气阻尼特性，形成振动放大的力矩，振动放大的力矩沿圆柱状立杆长度方向传递至下自由无约束端，通过克服水表面的水力约束产生振动，从而防止开敞式输水干渠水面结冰。

进一步地，所述约束装置包括设置在圆柱状立杆杆体上、且呈径向布置的穿孔，所述穿孔内穿插有拉索，且拉索与穿孔过盈配合连接，所述拉索两端分别连接有拉锚固定装置，两个所述拉锚固定装置位于开敞式输水干渠相对岸，通过开敞式输水干渠相对岸的两个拉锚固定装置将拉索悬空拉起，从而将圆柱状立杆固定。

更进一步地，所述穿孔为沿圆柱状立杆长度方向、呈不等距布置的多个穿孔，从而形成不同放大倍数的力矩。

更进一步地，所述拉锚固定装置为可移动式的固定装置。

进一步地，所述圆柱状立杆为轻质、空腔圆柱体，且圆柱体顶端为倒锥圆柱体，用于承接更多风力。