冰下靜止懸浮冰花厚度力學(xué)測量技術(shù)原理和實踐

張 晗，李春江，靳蘭旭，吳 帥，王慶凱，李志軍

(大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實驗室，遼寧 大連 116024)

1 冰花厚度測量新技術(shù)

1.1 探測冰花厚度原理

傳統(tǒng)的冰花厚度測量工具是20世紀(jì)50年代發(fā)明的“V”字形冰花尺，如圖1(a)所示，該工具主要由測深桿和“V”字形鐵片構(gòu)成，“V”字形鐵片焊接到測深桿底部。測量時，先將該工具全部插入冰洞內(nèi)，然后向上拉動測深桿，當(dāng)感覺有一定阻力時，即判斷為冰花厚度。該方法依賴測量人員對阻力的主觀感受，具有一定經(jīng)驗性。2019年1月4日公開了一個基于視頻可視化方法探測冰花厚度的專利[1]，通過探測桿底部的攝像頭觀測水中冰花是否流動來判斷冰花厚度，當(dāng)向上拉動探測桿，觀測到水中冰花不再流動時，確定為冰花堆積區(qū)域，讀取探測桿刻度尺，如圖1(b)所示。該方法需要技術(shù)人員觀測視頻監(jiān)控器內(nèi)冰花是否移動來判斷冰花厚度，也具有一定經(jīng)驗性。

張寶森等使用探地雷達(dá)掃描法探測冰花層。該方法主要基于200 MHz雷達(dá)天線來識別冰花層，雷達(dá)電磁波在穿透冰層(高阻抗介質(zhì))到達(dá)冰花層(低阻抗介質(zhì))時，反射電磁波與入射電磁波相位相反，從而判斷冰花層，但該方法僅識別了冰花層，因雷達(dá)介電常數(shù)的不確定性，并未定量冰花厚度[2]。

在前人研究基礎(chǔ)上，本文發(fā)展了一種基于冰花阻力突變特性來測量冰花厚度的方法，構(gòu)造了新型電子冰花尺。該冰花尺的工作原理是將具有刻度尺的高強(qiáng)度空心探桿垂直插入冰花層內(nèi)，利用高精度拉壓力傳感器所采集的冰花阻力突變位置來判斷冰花層厚度，冰花層阻力突增位置作為冰花層表面位置，冰花層阻力突減位置作為冰花層底面位置，兩位置之差為冰花層厚度。

1.2 電子冰花尺構(gòu)造與使用方法

如圖2所示，電子冰花尺是由以下構(gòu)件組成：

圖2 冰花測厚電子尺結(jié)構(gòu)示意圖

(1)錐形阻力頭：用以增大插入冰層時的壓強(qiáng)。

(2)拉壓力傳感器：測量冰花阻力的重要組件，可以根據(jù)不同冰情選擇不同量程，圖中所示為圓柱形傳感器，也可使用“S”形傳感器，傳感器精度在0.1%以內(nèi)，防水等級為IP68。

(3)高強(qiáng)度空心探桿：桿端設(shè)有防水措施，桿身具有刻度尺，精度為1 mm，用于讀取阻力突變時的特征位置，可以根據(jù)冰花厚度概況選擇不同長度的探桿，也可以將多根桿件連接。

(4)防水防凍電纜線：選用五芯電纜線，能夠抵御-30 ℃的低溫，具有抗拉性，起到連接航空插頭、傳輸信號的作用。

(5)防水航空插頭母頭。

(6)防水航空插頭公頭：公母頭連接后具備防水性，防水等級為IP68。

(7)高強(qiáng)度空心加長探桿：桿身具有刻度尺，現(xiàn)場使用前可連接到探桿3，起到加長作用，這樣設(shè)計是為了便于攜帶及應(yīng)對不同厚度的冰花層。

(8)便攜式拉壓力數(shù)據(jù)采集器：用于收集拉壓力傳感器的數(shù)據(jù)，采樣頻率50～2000 Hz，精度在0.5%以內(nèi)，顯示界面可以進(jìn)行實時數(shù)值、累計曲線、歷史曲線、峰值顯示等信息。

(9)采集器數(shù)據(jù)導(dǎo)出接口：可將采集器連接至電腦導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

(10)螺紋桿：用于連接錐形阻力頭與傳感器、傳感器與空心探桿、空心探桿與加長空心探桿，具有防水措施。

現(xiàn)場探測使用時，首先組裝冰花尺，對于冰花層厚的探測區(qū)域加裝空心加長探桿。在冰面上開鑿一個冰孔，使空心探桿可以垂直插入，插入冰孔內(nèi)后不斷下移，當(dāng)在冰蓋下遇到冰花層時，錐形阻力頭受到冰花阻力，拉壓力數(shù)據(jù)采集器采集冰花對錐形阻力頭所形成的阻力突增值，此時記錄下空心探桿與冰孔內(nèi)水面的刻度為冰花層表面位置，隨著空心探桿入水深度增加，阻力值增大，拉壓力數(shù)據(jù)采集器顯示阻力過程曲線；當(dāng)錐形阻力頭穿過冰花層之后，阻力值出現(xiàn)突減，記錄空心探桿上與水面的刻度為冰花層底面位置，底面位置減去表面位置即為冰花層厚度。最后將探測桿從冰洞內(nèi)拉出，完成冰花厚度探測。

2 實驗室和現(xiàn)場技術(shù)實踐

2.1 實驗室模擬測試

電子冰花尺設(shè)備制作完成后，為驗證設(shè)備的可行性，在大連理工大學(xué)低溫實驗室開展了模擬實驗。冰花是冬季結(jié)冰期河道內(nèi)冰晶體的集合，單個尺寸為毫米級別。首先將水盛放于泡沫箱內(nèi)，放置于低溫實驗室，待凍結(jié)后取出，使用研磨機(jī)將冰塊打磨成2～5 mm的細(xì)小冰粒(圖3(a))，這與黃河內(nèi)蒙古頭道拐的河道內(nèi)撈出的冰花尺寸基本一致(圖3(b))。

圖3 實驗室模擬冰花顆粒

將制備的模擬冰花顆粒倒入預(yù)先降溫的冷水中，令冰花顆粒漂浮在水體內(nèi)，然后放置于低溫實驗室降溫。降溫之后從水中撈出冰花，可以看到冰花顆粒間有一定程度的凍結(jié)，這接近于真實冰蓋下的冰花狀態(tài)，如圖4。

圖4 實驗室模擬冰花

圖5(a)為搭配S型傳感器的電子冰花尺，該冰花尺需要控制插入速度，盡量保持勻速貫入，同時觀察數(shù)據(jù)采集器的阻力值變化，在數(shù)值突增與突減時記錄冰花尺位置。考慮到實驗室模擬的冰花層僅有20～30 cm厚，現(xiàn)場真實冰花層可達(dá)數(shù)米，在進(jìn)行實驗室模擬實驗時，冰花尺插入冰花層穿透時間短，手動將其插入無法精確控制速度，在數(shù)據(jù)采集器出現(xiàn)數(shù)值突增和突減時，對于冰花尺位置的記錄會有偏差，因此應(yīng)用電控式貫入儀輔助冰花尺插入(圖5(b))，電控式貫入儀搭配有速度控制儀，通過觸摸顯示屏直接輸入插入速度，可以使電子尺垂直勻速插入冰花層。

設(shè)置電控式貫入儀的貫入速度為20 mm/s，預(yù)先用直尺測量桶內(nèi)冰花層為20 cm，進(jìn)行三組貫入實驗，將便攜式拉壓力數(shù)據(jù)采集器連接至PC端，使用專用軟件將存儲的阻力數(shù)據(jù)導(dǎo)出，分析阻力值的變化趨勢，計算冰花層厚度，如圖6所示。

圖6 三組室內(nèi)試驗阻力變化曲線

分析貫入阻力曲線可知：阻力值第一次突增是在錐形阻力頭接觸到冰花層時產(chǎn)生，但是由于冰花層并未完全凍結(jié)在有機(jī)玻璃筒壁，當(dāng)貫入儀控制探桿繼續(xù)垂直向下時，冰花層在筒壁上脫落，探桿將冰花層整體按壓入水中，錐形阻力頭并未貫穿入冰花層中，此段時間阻力值幾乎不變化。當(dāng)探桿將整個冰花層按壓到桶底時，貫入儀繼續(xù)控制探桿向下，錐形阻力頭才開始插入冰花層中，阻力值出現(xiàn)第二次突增，記錄此時的深度為貫入冰花層的表面位置。探桿持續(xù)貫入冰花層，阻力值持續(xù)變化。最終錐形阻力頭突破冰-水界面，完成貫入過程，此時阻力值發(fā)生突減，記錄此時的深度為貫入冰花層的底面位置。完成貫入之后，冰花層失去壓力，整體上浮至水面。

由表1可知使用記錄的底面位置減去表面位置，得出三組試驗的貫入冰花層厚度為0.192～0.204 m，與試驗前的直尺測量數(shù)據(jù)0.200 m基本一致，證明了冰花測厚電子尺的可行性與準(zhǔn)確性。

表1 室內(nèi)試驗測量值 m

2.2 現(xiàn)場測試

2023年2月10日12：00—13：00在黃河什四份子彎道進(jìn)行現(xiàn)場測試，測試選在容易出現(xiàn)冰花的堆積冰區(qū)域。預(yù)先準(zhǔn)備3根加長探桿，每根探桿長1 m，且都帶有標(biāo)尺，分度值為0.001 m，組裝過程中重點(diǎn)檢查航空插頭連接處的防水措施，試驗時選用100 kg量程的圓柱形拉壓力傳感器。

先在冰面上開鑿一個冰孔，使空心探桿可以垂直插下去。將空心探桿垂直插入冰孔內(nèi)，不斷下移，拉壓力數(shù)據(jù)采集器采集冰花對錐形阻力頭所形成的阻力，記錄阻力值發(fā)生突增時的探桿刻度值；繼續(xù)將探桿下移，當(dāng)阻力值出現(xiàn)突減時，再次記錄探桿刻度值。探測結(jié)束后探桿從冰孔內(nèi)拉出，將數(shù)據(jù)采集器連接到電腦，導(dǎo)出存儲在采集器上的阻力值。

圖7可以觀察到阻力值的變化趨勢，將探桿剛插入冰層內(nèi)時，阻力值為0 N且?guī)缀醪话l(fā)生變化，此時探桿并未接觸冰花層，僅沿著冰孔下移。將探桿繼續(xù)下移，阻力值逐漸增大至50 N左右，說明探桿已經(jīng)臨近稀疏的冰花層，冰花開始對探桿產(chǎn)生阻力。探桿繼續(xù)插入，阻力值發(fā)生突增至600 N左右，探桿已經(jīng)接觸到冰花層，記錄此時探桿的刻度值即為冰花層的表面位置。人工用力繼續(xù)將桿下移，阻力值持續(xù)上下波動，直至發(fā)生突減，此時探桿已貫穿冰花層，記錄此時探桿的位置為冰花層的底面位置。

圖7 三組現(xiàn)場試驗阻力變化曲線

三組有效試驗數(shù)據(jù)記錄了阻力值發(fā)生突增和突減的位置，計算可得冰花厚度。根據(jù)表2可知，冰花厚度在1.023～1.213 m之間，說明電子冰花尺探測冰花厚度具有一定可行性。

表2 現(xiàn)場試驗測量值

定點(diǎn)連續(xù)雷達(dá)數(shù)據(jù)顯示2022—2023年冬季最大冰層厚度為0.705 m[3-4]，而現(xiàn)場試驗當(dāng)天冰層厚度達(dá)到0.653 m，冰層很厚，部分堆積區(qū)域的冰層更厚，冰下冰花已經(jīng)長時間堆積，密實度很大且很厚，手動將探桿插入冰花層十分困難，因此后續(xù)現(xiàn)場探測可以參考實驗室的模擬實驗方法，借助其他貫入儀器等外力將探桿插入冰花層，并且要選用更大量程的壓力傳感器，這樣既能使探桿以穩(wěn)定的速度下移，也可以保證探桿能夠完全貫穿冰花層到達(dá)底部，記錄到阻力值突減時探桿的刻度值，能夠完成冰花層測厚工作。

3 結(jié) 論

(1)新型電子冰花尺通過監(jiān)測冰花層阻力突增和突減位置變化判斷冰花層厚度，提高冰花層厚度探測精度，探測分辨率達(dá)毫米級，各部件組裝簡便、操作方便。

(2)在實驗室進(jìn)行了模擬試驗，在低溫試驗室內(nèi)用冰花尺穿過冰花層，可以明顯觀測到阻力值的變化，冰花尺測得冰花層厚度為0.192～0.204 m之間，與試驗前的直尺測量的數(shù)值0.2 m相近，證明了新型電子冰花尺的可行性與準(zhǔn)確性。

(3)將冰花尺應(yīng)用于現(xiàn)場探測冰花層厚度，同樣可以記錄到冰花層的表面位置和底面位置，三組有效數(shù)據(jù)顯示冰花層厚度為1.023～1.213 m之間，表明電子冰花尺在實踐應(yīng)用中具有可行性。