冰对水工结构物作用力的物理模拟-I.模型冰分类和发展

李志军,董吉武

(大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁 大连 116024)

0 引 言

渤海和黄海北部海冰不仅能影响海上正常作业,而且能损毁舰船、石油平台等,危及人类的生命安全。自20世纪以来,渤海已发生过多次严重冰情。其中1969年的特大冰封造成了中国有记载以来最严重的一次冰灾。冰封期间,海冰摧毁了“海二井”石油平台,“海一井”也遭受严重破坏。2009～2010年冬季渤海冰情为最近30a同期最重,据不完全统计,仅山东省就遭受直接经济损失达22亿元[1]。类似问题同样存在于中国西北和东北的河流和水库等冰凌灾害中[2-3]。

冰荷载作为冰区结构物的控制荷载,一直是研究的重点,采用的研究方法主要有现场监测,实验室物理模拟,数值方法。海冰是一种由卤水、气泡、冰晶体等组成的混合物,物理和力学性质复杂,并且不同区域海冰的性质相差较大,很难建立精确计算冰作用力的数学模型,不得不开展大量现场原位调查研究[4]。因冰现场工作环境条件十分恶劣,费用较高,实验室物理模拟是国际上现行研究冰问题的良好手段之一。物理模拟技术在中国推广较晚,水工结构物上的冰凌问题最初由松辽委应用[5],天津大学于20世纪80年代建成了我国第一个小型冰池实验室,随后又建成了大型低温实验室,填补了我国在该领域的空白,并利用这些低温试验室开展了直立桩柱、直立墙,斜墙与海冰的相互作用过程模拟[6]。也模拟了流冰对水工结构的撞击力[7]。大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室针对海冰对近海结构物的作用力发展了非冻结模拟技术,也形成了相应的试验技术[8]。大连理工大学工业装备国家重点实验室建立了局部低温实验室,模拟海冰引起海洋平台的振动问题[9]。由此可见,国际上有数种模型冰材料在实践中应用。

1 模型冰分类和应用领域

现行模型冰分为两大类,即不可破碎模型冰和可破碎模型冰。不可破碎模型冰又分不可破碎冰层和不可破碎冰块;可破碎模型冰分为冻结粒状冰、冻结柱状冰和非冻结合成冰[10],见图1。

图1 模型冰分类图Fig.1 Classfication of model ices

不可破碎冰层和不可破碎冰块的突出优点是不需要低温环境,主要缺点是一些关键性质不相似,如摩擦系数过高。因此在现代冰模拟实验中不常用。但是层出不穷的高分子复合材料对使用环境的适应性可能会改变现状。

不可破碎冰层用来模拟固体冰边界,如浮动冰盖或冰原。基本动力模拟涉及浮力和摩擦力。冰层由塑料、木材、苯乙烯或复合体 (即压仓式浮箱)。为了模拟惯性力和重力,要求它们的运动与弗劳德数一致。为模拟水流阻力,不得不在模型冰层加入诸如塑料泡沫体、金属或塑料网丝、马尾、滤布或微粒子等额外材料。

不可破碎冰块用来模拟冰块漂流,模拟其浮力和表面粗糙度很关键。模型冰块可由木板,聚乙烯或聚丙烯塑料或其它能浮起的材料切割;为了保证塑料模型冰的表面张力和浸湿,把模型冰块表面弄粗糙,或者让细菌在塑料块上生长成膜。

不可破碎冰块还用于模拟冰塞,其关键要求是冰块浮力、摩擦和堆积冰块内摩擦的相似,这要求冰块的 “粘性"要相同,才能保证摩擦力相似。

可破碎模型冰主要是指在低温环境中冻结的添加剂溶液模型冰和常温实验环境下的非冻结合成模型冰。冻结冰可根据冰结构进一步划分为柱状冰和粒状冰。柱状冰是由初始引晶,然后按天然方式至上而下生长。这些冰基本上由表层细粒硬层,中部过渡层和下部软弱的柱状层组成。粒状模型冰由喷雾技术制成。冰的厚度由喷雾时间控制,强度由环境温度和升温时间控制。粒状冰的粒径从表至底相同,属于各向同性结构。非冻结合成冰的研究起步较晚,到上世纪70年代才有成果报道[11]。

只有可破碎模型冰能够模拟冰层和冰块破碎过程对结构物施以的作用力。因此可破碎模型冰在冰对结构物作用力物理模拟中起关键作用,而不可破碎模型冰只能模拟冰的漂流运动、堆积运动等可以忽略冰力学行为的现象。

2 可破碎冻结模型冰

为降低冻结模型冰的强度,用化学添加剂溶液改变冻结模型冰的结构,产生结构上顺从弱化的冰层。添加剂在冻结前添加到水里,有时加几种化学物。冻结模型冰一般需要引晶过程,以便形成需要的晶体结构。随着冰层增厚,添加剂封闭在冰晶之间,形成 “卤水胞”,类似海冰结构。这些 “卤水胞”降低了模型冰初始强度。实验时通过冰层温度升高到接近溶液的冰点温度,使得模型冰的强度降低,接近模型试验需要的设计值。升温期间,卤水胞增大,冰强度降低。由于回温期间冰层的弹性模量比其弯曲强度降低得快,导致弹性模量与弯曲强度之比 (E/σf)也降低。所以,理想的模型冰除应能实现与冰荷载模型几何比尺一致的最小冰强度外,还需保证该比值＞2 000。对于可破碎冻结模型冰的发展,文献 [10]给出了详细总结。

2.1 冻结柱状模型冰

1955年冻结柱状模型冰首先问世,它最初是由2%盐水溶液生长模型冰,其几何比尺为25～40,E/σf＜1 000。为提高 E/σf比,后改用 0.6%盐水生长模型冰,但升温后,其最小弯曲强度仍高达60 kPa,明显高于几何比尺25或25以上的要求。由模型试验得到的一定冰强度不得不修正或推断模型实验结果,引起预测最终实验结果的误差。为此ARCTEC有限公司在盐水池上空喷液氮,将气温降到约-60℃,盐水以＞10 mm/h的速率结冰,使冰内圈闭大量卤水,降低冰强度。这项专利模型冰用于破冰船物理模拟试验。

后来Timco(1980)用1.3%尿素溶液生长40 mm厚的冰层,弯曲强度＜20 kPa[12],E/σf为2 400。但Hirayama在美国陆军部寒区工程实验室的工作却发现20～25 mm厚模型冰的E/σf比却在1 000或1 000以下。尿素冰和盐冰均用细小的网丝引晶,产生表面细粒结构,然后池内液体以细粒冰为基向下生长柱状晶体,发展成冰层。引晶和生长温度越低,上部冻结层的厚度越小。由于冰层表层强度高于底层,引起力学性质的差异。后来,Timco(1986)发展出无冻结层的单层柱状模型冰,即EG/AD/S模型冰[13]。3种添加剂分别是乙烯乙二醇 (EG),脂肪清洁剂 (AD)和糖 (S)。模型冰弯曲强度和弹性模量与弯曲强度之比均接近尿素冰。由于其结构接近单层,它能真实地模拟断裂。

添加剂冰问题之一是在低强度条件下卤水含量不成比例地增加,造成模型冰密度偏高,可能不满足浮力相似要求。将细小空气泡混合到生长冰层内能控制模型冰的总体密度。在冰层生长的不同时间加微气泡,冰层的总体密度可降到 0.83～0.93 g/cm3,其 E/σf比 EG/AD/S模型冰增加了50%～100%。如果只在冰层的顶部和底部加微气泡,模型冰的断裂行为和破碎冰块大小更真实。另外,该模型冰不反光特点改善了对实验期间裂缝和冰下运动的观测。

2.2 冻结粒状模型冰

为进一步改善冻结柱状模型冰表层、底层力学性质差异,发展结构和强度各向同性的细粒冰。细粒冰的制作技术是在冰池液面上空喷同种溶液的雾化微粒,当它们沉降到冰池液面前冻结成细粒晶体,制成均匀单层冰,其最大优点是结构和强度各向同性。

最初的细粒冰是由2%盐水溶液制作的各向同性、脆性模型冰,它满足多数强度比尺的要求。这种模型冰在-10～-22℃下引晶,一夜可生长70 mm,并且能通过回温降低强度或降温提高强度,E/σf为1 000～2 000,个别实验值高达2 480。以同种技术用3%尿素获得类似结果,主要用于破冰船试验和冰-结构物相互作用试验。

该模型冰进一步完善,采用0.1%～1.6%可变浓度盐水喷雾,不再单一使用2%盐水,通过选择浓度调整冰层的强度,获得的强度模拟比前者更好。改进后的细粒冰表现出：①缩短了生长时间(减少30%);②改进了断裂性能和拓宽冰强度范围;③E/σf能控制在700～8 000。

芬兰赫尔辛基理工大学为寻找一种适合模拟破冰船实验的细粒、脆性模型冰,在比较分析各种细粒冰后,基于无腐蚀,对身体无损害的考虑,决定使用0.5%的酒精。在冰池大厅气温约-10℃下连续喷雾形成细粒酒精模型冰,冰的E/σf为1 000～2 000并具有良好的断裂特征。该细粒酒精模型冰的物理和力学性质曾有过详细的试验研究[14]。

3 可破碎非冻结模型冰

对于可破碎非冻结模型冰,同样在文献 [10]内做了全面总结。非冻结合成冰虽然它们不需要冷冻设备,但多数尖端模型冰材料得到专利保护。起初发展的2种非冻结模型冰用来开展水力模型实验。第一种由直径5～10 mm的陶瓷/黏土建筑材料与一种赛璐珞胶粘结成。这种材料在模内注成1～5 cm厚,干燥后,具有300～1 000 kPa的剪切强度。第二种材料由直径3～4 mm的发泡聚苯乙烯粒与润滑脂掺和。这种材料的剪切强度低到10～30 kPa。而后来由石膏粉、塑料细粒、盐、硼砂、雾状气夹带剂和水组合浇铸成层的模型冰[11],应用到研究倾斜结构物前冰破碎方式。为了改变材料强度,能替换配方,但 E/σf的平均值为 500～1 000,这个值比建议的 ＞1 500偏低。将直径2.5 mm的聚丙烯细粒放入模拟池,喷上一种不知名的表面处理剂,制备成的模型冰模拟船舶航行的冰块破碎和堆积[15]。这种模型冰断裂、锚泊和碎块尺寸很理想。通过系列冲击实验,可完善粘合剂的应用范畴。

由浇铸在水面上的聚乙烯粉、聚乙烯粒,重植物油,轻植物油和硬脂酸的混合物制备的模型冰,称为MOD模型冰[16],它是一种专利模型冰。一旦固结,3 d内性质保持稳定。它在降低强度的基础上提高了E/σf比值 (对很薄冰层可达1 000～3 000),能较好地模拟断裂强度和破碎块大小。加拿大学者Beltao等 (1990)发展了一种无专利权的模型冰SYG,用来研究河冰开河问题[17]。它能以合理的模型比尺 (λl=30)模拟较弱的冰盖材料。该模型冰的配方是PVC脂、轻质外用拉毛水泥、熟石膏、玻璃微珠和水。加工时间10～14 d,弯曲强度23～28 kPa和E/σf比约为3 900。DUT-1模型冰给大连理工大学发展的DUT-1模型冰提供了基础[18-19],随着具有中国自主知识产权模型冰的问世和系统的模型冰的物理、力学性质和性能验证性试验的完成,DUT-1模型冰应用到环渤海海岸工程的冰作用力物理模拟并给工程设计单位提供依据。

4 结 语

冰对结构物作用力试验在天津大学和大连理工大学成为较成熟的技术。天津大学使用的是尿素冻结柱状冰,是加拿大改进前的公开技术;大连理工大学使用的是非冻结合成模型冰。从材料结构上看,前者是柱状冰,后者是粒状冰,两者之间形成互补。在以往这些模型冰解决了水工结构物的冰力问题,目前正探索在类似冰塞、冰坝中流凌通过水工结构物能力的模拟[2-3,7]。最终期望冰-结构物物理模拟试验研究在中国发展壮大,解决更多的水工问题,甚至冰的热力学问题[20],以期对中国冰力学和冰工程作出贡献。

[1]张 潇.以海冰灾害为例探讨山东海洋渔业保险现状及对策 [J].齐鲁渔业,2010,27(6)：49-50.

[2]张宝森,郜国明.宁蒙河段冰凌监测技术试验研究[J].黑龙江水专学报,2009,36(4)：90-95.

[3]陈思宇,郭 锋.黑龙江上游冰坝凌汛浅析 [J].黑龙江水专学报,2009,36(4)：111-112,128.

[4]武文华,于佰杰,许 宁,等.海冰与锥体抗冰结构动力作用的数值模拟 [J].工程力学,2008,25(11)：192-196.

[5]陈储军.白山水电站导流底孔排冰的试验研究[J].泥沙研究,1983,(3)：42-52.

[6]史庆增,宋 安.海冰静力作用的特点及几种典型结构的冰力模型试验 [J].海洋学报,1994,16(6)：133-141.

[7]宋 安,范晓雷,史庆增,等.闸墩冰荷载及过冰能力的模型试验研究 [J].水利学报,2005,36(9)：1 121-1 126.

[8]李志军,李广伟,沈照伟,等.DUT-1模型冰的物理性能和弹性模量 [J].自然科学进展,2000,10(10)：931-935.

[9]张 力,岳前进,张文首,等.基于半仿真实验系统的调谐质量阻尼器等效阻尼力测量 [J].海洋工程,2009,27(1)：28-32.

[10]Zufelt J E,Ettema R.Model Ice Properties[R].CRREL Report 96-1,Cold Regions Research and Engineering Laboratory,Hanover,USA,1996.

[11]Tryde P.Intermittent Ice Forces Acting on Inclined Wedges[C]//Proceedings ofthe 3rd IAHR Ice Symposium,Hanover,USA：International Association of Hydraulic Research,1975：339-343.

[12]Timco G W.The M echanical Properties of Salinedoped and Carbamide(urea)-doped Model Ice[J].Cold Regions Science and Technology,1980,3(1)：45-56.

[13]Timco G.W.EG/AD/S：A New Type of Model Ice for Refrigerated Towing Tanks[J].Cold Regions Science and Technology,1986,12(2)：175-195.

[14]Li Z and Riska K.Index for Estimating Physical and Mechanical Parameters of Model Ice[J].Journal of Cold Regions Engineering,2002,16(2)：72-82.

[15]Cowley J E,Hayden J W and Willis W W.A Model Study of St.Marys River Ice Navigation[J].Canadian Journal of Civil Engineering,1977,4(3)：380-391.

[16]Schultz L A,Free A P.Recent Experience in Conducting Ice Model Tests Using a Synthetic Ice M odeling Material[C]//Proceedings of the 8th IAHR Ice Symposium,Hamburg,Germany：International Association for Hydraulic Research,1984：229-239.

[17]Beltaos S,Wong J,Moody W J.A Model Material for River Ice Breakup Studies[C]//Proceedings of the 10th IAHR Ice Symposium,Espoo,Finland：International Association for Hydraulic Research,1990：575-585.

[18]Li Z,Wang Y,Li G.On the Flexural Strength of DUT-1 Synthetic Model Ice[J].Cold Regions Science and Technology,2002,35(2)：67-72.

[19]Li Z,Wang Y,Wang X,et al.Effect of Cement Content and Curing Period on Properties of DUT-1 Synthetic Model Ice[J].Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering,2003,125(4)：288-292.

[20]李 锋,马红艳.水库冰盖在升温膨胀下的极限破坏[J].黑龙江水专学报,2010,37(3)：103-105.