河冰作为影响寒区河流水资源开发利用的重要因素,直接关系到河流的防洪、航运、给排水、渠系输水和水利水电工程的建设、运行与维护。近几十年,各国研究者通过野外观测、室内试验及数值模拟等手段建立了较为完善的河冰理论。这些理论能够对大多数河冰过程的物理机理做出合理解释,但仍然存在一部分河冰问题尚未解决,如初封位置的确定、悬冰坝的形成和发展、冰盖裂纹的产生和传播、冰与结构物作用、冰-水-沙的耦合作用等。在河冰研究中,原位观测和试验测量所能获取的物理参数非常局限,这就依赖于建立适当的数学模型和数值模型来准确表征河冰动力学过程的各个现象特征,反映河冰动力学过程中各参数的变化规律。大多数传统的河冰数值模型将河冰作为连续体处理,忽略了其作为脆性材料的力学性质以及其在空间分布和形态上表现出的离散性特征,因此难以描述河冰的破碎行为。为此,本文提出了针对河冰输移、堆积、破碎和冰塞冰坝形成演化等动力学过程的河冰动力学模型,并将其应用于天然河道的河冰动力过程模拟,从而为冰期防凌抗汛工程提供参考。本文围绕河冰动力学过程及其实际工程应用,建立了冰-水耦合的河冰动力学模型,对河冰输移、冰坝演变、冰盖破碎、封河卡冰等动力过程进行数值模拟,验证了模型的适用性及合理性,并分析了各河冰过程中冰块的运动规律和动力特性。本论文主要研究内容包括:（1）建立了基于离散元方法和水动力学耦合的河冰动力学模型。考虑冰块输移时受到的风、流、重力等驱动力以及冰内力和边界阻力,采用扩展多面体离散元方法对河冰运动进行动力学求解,通过基于二维浅水方程的二层输水模型对水力参数进行求解,并通过线性插值和局部平均的方式进行欧拉-拉格朗日坐标之间的信息传递,实现对冰水耦合过程的数值模拟。（2）建立了扩展多面体单元在任意接触模式下的粘结-破碎模型。通过在接触单元之间的初始接触位置设立虚拟粘结面和粘结点的方式粘结颗粒单元,实现冻结单元之间力与力矩的传递。粘结失效过程采用混合断裂准则进行判别并结合Benzeggagh-Kenane模型计算其混合断裂能。该模型成功应用于冻结河冰堆积体贯穿过程的数值模拟,并发现冻结和非冻结碎冰堆积体具有截然不同的力学性质和破坏特性。（3）对开河期涌水波与冰盖相互作用过程进行了数值模拟研究。采用具有粘结-破碎功能的河冰动力学模型,模拟涌水波作用下冰盖断裂和裂纹传播的动力过程,阐述了波浪作用下冰盖发生变形及断裂的主要原因以及影响裂纹传播速度的决定因素,得到冰盖的裂纹传播与波浪、冰盖参数的关系,同时研究了冰盖对涌水波传播和耗散过程的影响。（4）对冰坝的形成过程以及冰坝与冰盖的相互作用过程进行了数值模拟,分析了冰坝形成过程中流冰输移、堆积以及力学增厚等动力过程;通过与Dyna RICE计算结果的对比,验证了该模型对冰坝过程模拟的合理性和准确性;研究了冰盖影响下冰坝的形成和演进过程,并对碎冰运动规律、速度分布、冰盖受力变化进行了分析,从而揭示了冰厚、河岸摩擦对冰坝稳定性的影响。（5）基于完善的监测手段和冰情资料,提出面向实际工程的河冰数值模型计算框架,以全面地反映真实河段的冰情特征;采用本文发展的河冰动力学模型计算分析了黄河什四份子河段的河冰输移过程,揭示了岸冰、流速和来冰密集度对卡冰封河过程的影响;模拟分析了黄河呼准鄂高铁黄河大桥单桥墩和多桥墩情况下的河冰输移、冰荷载以及冰堵塞情况,为冰期防凌工作提供了参考。