在我国北纬30°以北的寒区普遍存在江河结冰和流冰的水文现象,由于经济的发展和交通的需求,河道上建立了大量的桥梁,当寒区河流发生武开河流冰时,严重影响了桥梁的安全,同时,桥墩改变了原有河道水流边界条件,影响流冰的运动,在桥墩断面处形成冰塞、冰坝。实地考察寒区跨河桥梁,这些桥梁多使用尖端形桥墩(前端增加竖直形尖端破冰体)用来减小流凌的危害。尖端形桥墩形状异于传统圆柱桥墩,其桥墩周围的水流形态和流场也发生了很大的变化,而对此类桥墩流场的分析不够深入。同时,尖端形桥墩与流冰的相互水力作用,以及桥墩的过冰能力也需进一步的研究。本文通过物理模型试验,观测尖端形桥墩周围的水流形态,并采用粒子图像测速技术(PIV)对桥墩周围的水流流场进行分析,通过计算得到桥墩周围的流场、涡量、紊流强度、雷诺应力的分布特征。过冰能力试验首先利用高速摄像机(i-SPEED)进行单冰单墩试验,记录流冰和桥墩碰撞的过程,观察桥墩和流冰的相互水力作用,分析桥墩周围流场对流冰运动的影响;然后通过双墩试验分析不同流速工况下冰排通过桥墩的情况,确定流速对桥墩过冰能力的影响。本此试验共设置12种工况,桥墩绕流流场试验、单冰单墩试验和双墩试验各4组,且对应工况流速相等。本研究不仅可以丰富桥墩绕流机理,为寒冷地区河流桥梁的设计提供科学依据,对于预防桥梁冰凌灾害的发生具有重大的理论意义和现实意义。通过对试验结果的分析,可以得出以下规律。尖端形桥墩绕流流场试验:(1)尖端形桥墩由于特殊的形状形成了特殊的水流形态,墩前存在水位壅高,且壅水曲线较好的符合一元四次函数分布。墩前壅水长度对柱体雷诺数变化的敏感度较低,而壅水高度随柱体雷诺数的增加而增加,两者存在较好的一次函数关系。在破冰体后桥墩两侧形成两个对称的水流凹陷区,墩后产生回流区,并有涡街的生成。(2)在破冰体两侧横向流速值较大,水流流经尖端形桥墩时形成明显的形体绕流,通过PIV准确地确定了绕流的起始位置。尖端形桥墩破冰体后侧面和尾墩侧面的涡量值最大,极值出现在距桥墩0.3-0.6倍桥墩厚度位置处,该区域内的紊流强度也较大。(3)墩后流速较小,存在明显的尾流低速区,尾迹随距尾墩距离的增加先收缩后加宽,上游边界层分离区距离尾墩较远是尖端形桥墩和圆柱桥墩尾迹变化规律不一致的主要原因。(4)本试验Fr在0.1-0.58之间时,尾迹漩涡宽度在1.2-2.0倍桥墩厚度范围内,且随着流速的增大,墩后形成的漩涡形状越狭长。(5)在亚临界雷诺数下,尖端形桥墩墩后涡街脱落的斯特罗哈数大于圆柱墩和方柱墩的斯特罗哈数。(6)雷诺应力在尾迹的空间分布和紊流强度分布特征相似,在流向方向上距离小于1倍桥墩厚度时,雷诺应力较小。随着距桥墩距离的增加,雷诺应力值逐渐增加,极大值出现在2-4桥墩厚度范围内,宽度为1.5倍的桥墩厚度。过冰能力试验:(1)单墩试验,冰块与桥墩碰撞后,旋转范围在45-90度之间,当流速较小时,流冰只发生了平面旋转;当流速较大时,产生了较强的文丘里效应,流冰远离桥墩的一侧高度明显减低,具有“下潜”的趋势,流冰流过破冰体后,在扶正力偶的作用下恢复平衡;墩后紊流区对流冰的影响大于墩侧紊流区。(2)双墩试验表明桥墩的存在使水槽的过冰能力明显消减,冰塞的形成受水流流速的影响。模拟河道流冰密度为80%时,流速为0.1m/s和0.18m/s工况下在桥墩所在断面产生了冰塞,过冰能力分别为42.9%和82.1%,流速为0.26m/s和0.34m/s工况下流冰均能顺利通过桥墩断面。