冰下靜止懸浮冰花厚度力學(xué)測(cè)量技術(shù)原理和實(shí)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

1 冰花厚度測(cè)量新技術(shù)

1.1 探測(cè)冰花厚度原理

傳統(tǒng)的冰花厚度測(cè)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(cè)深桿和“V”字形鐵片構(gòu)成，“V”字形鐵片焊接到測(cè)深桿底部。測(cè)量時(shí)，先將該工具全部插入冰洞內(nèi)，然后向上拉動(dòng)測(cè)深桿，當(dāng)感覺(jué)有一定阻力時(shí)，即判斷為冰花厚度。該方法依賴(lài)測(cè)量人員對(duì)阻力的主觀感受，具有一定經(jīng)驗(yàn)性。2019年1月4日公開(kāi)了一個(gè)基于視頻可視化方法探測(cè)冰花厚度的專(zhuān)利[1]，通過(guò)探測(cè)桿底部的攝像頭觀測(cè)水中冰花是否流動(dòng)來(lái)判斷冰花厚度，當(dāng)向上拉動(dòng)探測(cè)桿，觀測(cè)到水中冰花不再流動(dòng)時(shí)，確定為冰花堆積區(qū)域，讀取探測(cè)桿刻度尺，如圖1(b)所示。該方法需要技術(shù)人員觀測(cè)視頻監(jiān)控器內(nèi)冰花是否移動(dòng)來(lái)判斷冰花厚度，也具有一定經(jīng)驗(yàn)性。

張寶森等使用探地雷達(dá)掃描法探測(cè)冰花層。該方法主要基于200 MHz雷達(dá)天線來(lái)識(shí)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(shí)，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(shí)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(lái)測(cè)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(lái)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(cè)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(shí)的壓強(qiáng)。

(2)拉壓力傳感器：測(cè)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?xún)?nèi)，防水等級(jí)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(shí)的特征位置，可以根據(jù)冰花厚度概況選擇不同長(zhǎng)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(hào)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(jí)為IP68。

(7)高強(qiáng)度空心加長(zhǎng)探桿：桿身具有刻度尺，現(xiàn)場(chǎng)使用前可連接到探桿3，起到加長(zhǎng)作用，這樣設(shè)計(jì)是為了便于攜帶及應(yīng)對(duì)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?xún)?nèi)，顯示界面可以進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)值、累計(jì)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(zhǎng)空心探桿，具有防水措施。

現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)使用時(shí)，首先組裝冰花尺，對(duì)于冰花層厚的探測(cè)區(qū)域加裝空心加長(zhǎng)探桿。在冰面上開(kāi)鑿一個(gè)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(shí)，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(duì)錐形阻力頭所形成的阻力突增值，此時(shí)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(guò)程曲線；當(dāng)錐形阻力頭穿過(guò)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(cè)桿從冰洞內(nèi)拉出，完成冰花厚度探測(cè)。

2 實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)實(shí)踐

2.1 實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)試

電子冰花尺設(shè)備制作完成后，為驗(yàn)證設(shè)備的可行性，在大連理工大學(xué)低溫實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了模擬實(shí)驗(yàn)。冰花是冬季結(jié)冰期河道內(nèi)冰晶體的集合，單個(gè)尺寸為毫米級(jí)別。首先將水盛放于泡沫箱內(nèi)，放置于低溫實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)冰蓋下的冰花狀態(tài)，如圖4。

圖4 實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)記錄冰花尺位置?？紤]到實(shí)驗(yàn)室模擬的冰花層僅有20～30 cm厚，現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)冰花層可達(dá)數(shù)米，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，冰花尺插入冰花層穿透時(shí)間短，手動(dòng)將其插入無(wú)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(shí)，對(duì)于冰花尺位置的記錄會(huì)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(guò)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(cè)量桶內(nèi)冰花層為20 cm，進(jìn)行三組貫入實(shí)驗(yàn)，將便攜式拉壓力數(shù)據(jù)采集器連接至PC端，使用專(zhuān)用軟件將存儲(chǔ)的阻力數(shù)據(jù)導(dǎo)出，分析阻力值的變化趨勢(shì)，計(jì)算冰花層厚度，如圖6所示。

圖6 三組室內(nèi)試驗(yàn)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(shí)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(shí)，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(shí)間阻力值幾乎不變化。當(dāng)探桿將整個(gè)冰花層按壓到桶底時(shí)，貫入儀繼續(xù)控制探桿向下，錐形阻力頭才開(kāi)始插入冰花層中，阻力值出現(xiàn)第二次突增，記錄此時(shí)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(guò)程，此時(shí)阻力值發(fā)生突減，記錄此時(shí)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(yàn)的貫入冰花層厚度為0.192～0.204 m，與試驗(yàn)前的直尺測(cè)量數(shù)據(jù)0.200 m基本一致，證明了冰花測(cè)厚電子尺的可行性與準(zhǔn)確性。

表1 室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)量值 m

2.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(chǎng)測(cè)試，測(cè)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(zhǎng)探桿，每根探桿長(zhǎng)1 m，且都帶有標(biāo)尺，分度值為0.001 m，組裝過(guò)程中重點(diǎn)檢查航空插頭連接處的防水措施，試驗(yàn)時(shí)選用100 kg量程的圓柱形拉壓力傳感器。

先在冰面上開(kāi)鑿一個(gè)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(duì)錐形阻力頭所形成的阻力，記錄阻力值發(fā)生突增時(shí)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(shí)，再次記錄探桿刻度值。探測(cè)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(chǔ)在采集器上的阻力值。

圖7可以觀察到阻力值的變化趨勢(shì)，將探桿剛插入冰層內(nèi)時(shí)，阻力值為0 N且?guī)缀醪话l(fā)生變化，此時(shí)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(shuō)明探桿已經(jīng)臨近稀疏的冰花層，冰花開(kāi)始對(duì)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(shí)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(dòng)，直至發(fā)生突減，此時(shí)探桿已貫穿冰花層，記錄此時(shí)探桿的位置為冰花層的底面位置。

圖7 三組現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)阻力變化曲線

三組有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄了阻力值發(fā)生突增和突減的位置，計(jì)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(shuō)明電子冰花尺探測(cè)冰花厚度具有一定可行性。

表2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)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(chǎng)試驗(yàn)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(zhǎng)時(shí)間堆積，密實(shí)度很大且很厚，手動(dòng)將探桿插入冰花層十分困難，因此后續(xù)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)可以參考實(shí)驗(yàn)室的模擬實(shí)驗(yàn)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(shí)探桿的刻度值，能夠完成冰花層測(cè)厚工作。

3 結(jié) 論

(1)新型電子冰花尺通過(guò)監(jiān)測(cè)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(cè)精度，探測(cè)分辨率達(dá)毫米級(jí)，各部件組裝簡(jiǎn)便、操作方便。

(2)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，在低溫試驗(yàn)室內(nèi)用冰花尺穿過(guò)冰花層，可以明顯觀測(cè)到阻力值的變化，冰花尺測(cè)得冰花層厚度為0.192～0.204 m之間，與試驗(yàn)前的直尺測(cè)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(chǎng)探測(cè)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(shí)踐應(yīng)用中具有可行性。