冰下静止悬浮冰花厚度力学测量技术原理和实践

张 晗，李春江，靳兰旭，吴 帅，王庆凯，李志军

(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)

1 冰花厚度测量新技术

1.1 探测冰花厚度原理

传统的冰花厚度测量工具是20世纪50年代发明的“V”字形冰花尺，如图1(a)所示，该工具主要由测深杆和“V”字形铁片构成，“V”字形铁片焊接到测深杆底部。测量时，先将该工具全部插入冰洞内，然后向上拉动测深杆，当感觉有一定阻力时，即判断为冰花厚度。该方法依赖测量人员对阻力的主观感受，具有一定经验性。2019年1月4日公开了一个基于视频可视化方法探测冰花厚度的专利[1]，通过探测杆底部的摄像头观测水中冰花是否流动来判断冰花厚度，当向上拉动探测杆，观测到水中冰花不再流动时，确定为冰花堆积区域，读取探测杆刻度尺，如图1(b)所示。该方法需要技术人员观测视频监控器内冰花是否移动来判断冰花厚度，也具有一定经验性。

张宝森等使用探地雷达扫描法探测冰花层。该方法主要基于200 MHz雷达天线来识别冰花层，雷达电磁波在穿透冰层(高阻抗介质)到达冰花层(低阻抗介质)时，反射电磁波与入射电磁波相位相反，从而判断冰花层，但该方法仅识别了冰花层，因雷达介电常数的不确定性，并未定量冰花厚度[2]。

在前人研究基础上，本文发展了一种基于冰花阻力突变特性来测量冰花厚度的方法，构造了新型电子冰花尺。该冰花尺的工作原理是将具有刻度尺的高强度空心探杆垂直插入冰花层内，利用高精度拉压力传感器所采集的冰花阻力突变位置来判断冰花层厚度，冰花层阻力突增位置作为冰花层表面位置，冰花层阻力突减位置作为冰花层底面位置，两位置之差为冰花层厚度。

1.2 电子冰花尺构造与使用方法

如图2所示，电子冰花尺是由以下构件组成：

图2 冰花测厚电子尺结构示意图

(1)锥形阻力头：用以增大插入冰层时的压强。

(2)拉压力传感器：测量冰花阻力的重要组件，可以根据不同冰情选择不同量程，图中所示为圆柱形传感器，也可使用“S”形传感器，传感器精度在0.1%以内，防水等级为IP68。

(3)高强度空心探杆：杆端设有防水措施，杆身具有刻度尺，精度为1 mm，用于读取阻力突变时的特征位置，可以根据冰花厚度概况选择不同长度的探杆，也可以将多根杆件连接。

(4)防水防冻电缆线：选用五芯电缆线，能够抵御-30 ℃的低温，具有抗拉性，起到连接航空插头、传输信号的作用。

(5)防水航空插头母头。

(6)防水航空插头公头：公母头连接后具备防水性，防水等级为IP68。

(7)高强度空心加长探杆：杆身具有刻度尺，现场使用前可连接到探杆3，起到加长作用，这样设计是为了便于携带及应对不同厚度的冰花层。

(8)便携式拉压力数据采集器：用于收集拉压力传感器的数据，采样频率50～2000 Hz，精度在0.5%以内，显示界面可以进行实时数值、累计曲线、历史曲线、峰值显示等信息。

(9)采集器数据导出接口：可将采集器连接至电脑导出数据。

(10)螺纹杆：用于连接锥形阻力头与传感器、传感器与空心探杆、空心探杆与加长空心探杆，具有防水措施。

现场探测使用时，首先组装冰花尺，对于冰花层厚的探测区域加装空心加长探杆。在冰面上开凿一个冰孔，使空心探杆可以垂直插入，插入冰孔内后不断下移，当在冰盖下遇到冰花层时，锥形阻力头受到冰花阻力，拉压力数据采集器采集冰花对锥形阻力头所形成的阻力突增值，此时记录下空心探杆与冰孔内水面的刻度为冰花层表面位置，随着空心探杆入水深度增加，阻力值增大，拉压力数据采集器显示阻力过程曲线；当锥形阻力头穿过冰花层之后，阻力值出现突减，记录空心探杆上与水面的刻度为冰花层底面位置，底面位置减去表面位置即为冰花层厚度。最后将探测杆从冰洞内拉出，完成冰花厚度探测。

2 实验室和现场技术实践

2.1 实验室模拟测试

电子冰花尺设备制作完成后，为验证设备的可行性，在大连理工大学低温实验室开展了模拟实验。冰花是冬季结冰期河道内冰晶体的集合，单个尺寸为毫米级别。首先将水盛放于泡沫箱内，放置于低温实验室，待冻结后取出，使用研磨机将冰块打磨成2～5 mm的细小冰粒(图3(a))，这与黄河内蒙古头道拐的河道内捞出的冰花尺寸基本一致(图3(b))。

图3 实验室模拟冰花颗粒

将制备的模拟冰花颗粒倒入预先降温的冷水中，令冰花颗粒漂浮在水体内，然后放置于低温实验室降温。降温之后从水中捞出冰花，可以看到冰花颗粒间有一定程度的冻结，这接近于真实冰盖下的冰花状态，如图4。

图4 实验室模拟冰花

图5(a)为搭配S型传感器的电子冰花尺，该冰花尺需要控制插入速度，尽量保持匀速贯入，同时观察数据采集器的阻力值变化，在数值突增与突减时记录冰花尺位置。考虑到实验室模拟的冰花层仅有20～30 cm厚，现场真实冰花层可达数米，在进行实验室模拟实验时，冰花尺插入冰花层穿透时间短，手动将其插入无法精确控制速度，在数据采集器出现数值突增和突减时，对于冰花尺位置的记录会有偏差，因此应用电控式贯入仪辅助冰花尺插入(图5(b))，电控式贯入仪搭配有速度控制仪，通过触摸显示屏直接输入插入速度，可以使电子尺垂直匀速插入冰花层。

设置电控式贯入仪的贯入速度为20 mm/s，预先用直尺测量桶内冰花层为20 cm，进行三组贯入实验，将便携式拉压力数据采集器连接至PC端，使用专用软件将存储的阻力数据导出，分析阻力值的变化趋势，计算冰花层厚度，如图6所示。

图6 三组室内试验阻力变化曲线

分析贯入阻力曲线可知：阻力值第一次突增是在锥形阻力头接触到冰花层时产生，但是由于冰花层并未完全冻结在有机玻璃筒壁，当贯入仪控制探杆继续垂直向下时，冰花层在筒壁上脱落，探杆将冰花层整体按压入水中，锥形阻力头并未贯穿入冰花层中，此段时间阻力值几乎不变化。当探杆将整个冰花层按压到桶底时，贯入仪继续控制探杆向下，锥形阻力头才开始插入冰花层中，阻力值出现第二次突增，记录此时的深度为贯入冰花层的表面位置。探杆持续贯入冰花层，阻力值持续变化。最终锥形阻力头突破冰-水界面，完成贯入过程，此时阻力值发生突减，记录此时的深度为贯入冰花层的底面位置。完成贯入之后，冰花层失去压力，整体上浮至水面。

由表1可知使用记录的底面位置减去表面位置，得出三组试验的贯入冰花层厚度为0.192～0.204 m，与试验前的直尺测量数据0.200 m基本一致，证明了冰花测厚电子尺的可行性与准确性。

表1 室内试验测量值 m

2.2 现场测试

2023年2月10日12：00—13：00在黄河什四份子弯道进行现场测试，测试选在容易出现冰花的堆积冰区域。预先准备3根加长探杆，每根探杆长1 m，且都带有标尺，分度值为0.001 m，组装过程中重点检查航空插头连接处的防水措施，试验时选用100 kg量程的圆柱形拉压力传感器。

先在冰面上开凿一个冰孔，使空心探杆可以垂直插下去。将空心探杆垂直插入冰孔内，不断下移，拉压力数据采集器采集冰花对锥形阻力头所形成的阻力，记录阻力值发生突增时的探杆刻度值；继续将探杆下移，当阻力值出现突减时，再次记录探杆刻度值。探测结束后探杆从冰孔内拉出，将数据采集器连接到电脑，导出存储在采集器上的阻力值。

图7可以观察到阻力值的变化趋势，将探杆刚插入冰层内时，阻力值为0 N且几乎不发生变化，此时探杆并未接触冰花层，仅沿着冰孔下移。将探杆继续下移，阻力值逐渐增大至50 N左右，说明探杆已经临近稀疏的冰花层，冰花开始对探杆产生阻力。探杆继续插入，阻力值发生突增至600 N左右，探杆已经接触到冰花层，记录此时探杆的刻度值即为冰花层的表面位置。人工用力继续将杆下移，阻力值持续上下波动，直至发生突减，此时探杆已贯穿冰花层，记录此时探杆的位置为冰花层的底面位置。

图7 三组现场试验阻力变化曲线

三组有效试验数据记录了阻力值发生突增和突减的位置，计算可得冰花厚度。根据表2可知，冰花厚度在1.023～1.213 m之间，说明电子冰花尺探测冰花厚度具有一定可行性。

表2 现场试验测量值

定点连续雷达数据显示2022—2023年冬季最大冰层厚度为0.705 m[3-4]，而现场试验当天冰层厚度达到0.653 m，冰层很厚，部分堆积区域的冰层更厚，冰下冰花已经长时间堆积，密实度很大且很厚，手动将探杆插入冰花层十分困难，因此后续现场探测可以参考实验室的模拟实验方法，借助其他贯入仪器等外力将探杆插入冰花层，并且要选用更大量程的压力传感器，这样既能使探杆以稳定的速度下移，也可以保证探杆能够完全贯穿冰花层到达底部，记录到阻力值突减时探杆的刻度值，能够完成冰花层测厚工作。

3 结 论

(1)新型电子冰花尺通过监测冰花层阻力突增和突减位置变化判断冰花层厚度，提高冰花层厚度探测精度，探测分辨率达毫米级，各部件组装简便、操作方便。

(2)在实验室进行了模拟试验，在低温试验室内用冰花尺穿过冰花层，可以明显观测到阻力值的变化，冰花尺测得冰花层厚度为0.192～0.204 m之间，与试验前的直尺测量的数值0.2 m相近，证明了新型电子冰花尺的可行性与准确性。

(3)将冰花尺应用于现场探测冰花层厚度，同样可以记录到冰花层的表面位置和底面位置，三组有效数据显示冰花层厚度为1.023～1.213 m之间，表明电子冰花尺在实践应用中具有可行性。