我国寒区地域幅员辽阔,随着国家经济发展,寒区水利、交通等工程建设日益增多,受高寒、冻融等复杂环境作用,冷季,水域表面水相变结冰,冰盖厚度大、存在时间久,这不仅能够改变局部气候,而且由于冰水的冻融循环,对涉水建筑物造成不可逆的损伤,桥梁桩基等混凝土表面剥落、开裂,内部混凝土的微空隙不断增大,这些破坏都使得混凝土的力学性能下降,建筑物的服役寿命缩短,维修保养的频率和成本增加,造成巨大的经济损失。本文针对某寒区大型水库涉水桥梁混凝土桩基冰冻害现象,为此,以减弱或消除冰冻害为目的,开展了寒区涉水桥梁桩基等混凝土建筑的除冰防冻措施研究。对两种除冰措施进行数值试验,为实体工程提供一定的参考。国内对水库水温分布研究相对较多,提出了众多计算模型,多数并不适用寒区的冰冻模拟计算。水库水温计算的目的主要包括水库土坝护坡工程冻害破坏特征、冰害破坏分析、冰害防治措施、抗冻胀计算、抗冰推计算等,以近坝区水温和水库下泄水温的研究为主,深层水温的分布特征、规律等研究较少,忽略了水库中库水自身的分层流特性,以及对流运动等对水温产生的影响。水温度场的模拟中,水面的热交换模型没有经典的计算方法,不同深度水库的深层水底温度分布情况目前也没有定论。本文依据库水流动类型判断理论,得出内部水运动类型为层流模型,确定了库水温度场模拟的计算模型,对水库水温进行数值模拟,并对两种除冰措施进行模拟研究。通过本文所做的工作和取得的初步成果有:(1)通过瑞利数判断水体处于层流运动形态,选用层流计算模型。确定水表边界条件有能量平衡法和经验公式法两种方法,本文选择了经验公式法。以目前常用的两种经验公式法作为水表温度的边界条件,分别设置工况1和工况2两种不同的工况条件。模拟结果进行验证,为数值模拟提供依据,也确定了S.Yi提出的水表温度公式作为模型的水面边界条件。根据一月中旬的温度分布图进行分析,负温作用下,水表水体相变冻结产生冰盖,冰盖温度保持在0℃至-1℃,直至冰盖融化消失。以0℃为水相变为冰的标准,工况1的最大冻结深度0.1m,工况2年最大冻结深度0.6m。模型没有考虑辐射作用,最大冻结深度比实际冻结深度0.5m稍大。水温分布图中水深10m以上范围受外界环境影响较大,水温随深度增加从冰盖温度逐渐过渡到4℃左右,在此区间温度梯度较大。水密度是温度的函数,4℃是水密度的最大值,从0-4℃水表现为受热冷缩,大于4℃为受热膨胀,有重力作用的影响,这就决定了最底层水的密度最大,保持在4℃左右常年处于相对稳定状态,受外界的影响较小。根据10m深水温场分布和最大冻结深度的比较结果,选择工况2作为水表的边界条件。(2)应用固体热传导模型模拟热管措施的除冰效果。冷季,寒区大型水域水面结冰,较大的冻结深度对涉水建筑物混凝土造成损伤。热管是一种绿色环保的传热设备,主要靠热管内部的相变换热,热管周围能够形成一个稳定的温度场,重力式热管热量只能从蒸发段向冷凝段传递。固体热传导模型温度场水表面降温较快,结冰厚度较大,浅层水水温梯度大。应用较大冰盖厚度模拟热管的除冰效果,对实际工程设计来说偏于安全。热管开始工作时,冷凝段管壁有加热作用,蒸发段有冷却作用。蒸发段的混凝土受到冷却作用,对混凝土材料力学性能产生影响。冷凝段周围的混凝土达到了除冰的目的,但是蒸发段混凝土周围却产生冰冻。为了减弱蒸发段的不良影响,可以适当增加热管与桩基壁的距离,同时也要考虑热管设置方式对建筑物力学性能的影响,热管的设置方式需要对实际条件进行分析。热管具有很强的传热性能,除冰效果显著。(3)离散相模型模拟冰冻害补救除冰措施。在桥梁桩基等混凝土建筑物的涉水位置周围安装充气气管道。空气项选择了离散相模型,由于空气经过压缩进入水中有较大的初速度,模型打开了k-ε湍流控制方程,水体运动从层流变为湍流,短时间内对浅层水温影响较小,可以进行除冰措施的模拟。水温度场进行分析,空气在水中受浮力作用向上浮动,带动下层高温水上翻,增强局部对流换热,设管附近水温增加,冰盖逐渐融化消失。为了比较不同工况条件下的除冰效果,根据充气管道长度和充气速度大小,设置了工况1、工况2和工况3三种不同工况,比较三种不同工况下的除冰效果,三种工况下温度场的变化趋势基本相同。水体增强对流换热效果、融冰半径和开始融冰时间进行比较,工况2和工况3的除冰效果要优于工况1,工程设计还需结合自身实际情况,选择最优工况。