冰對水工結(jié)構(gòu)物作用力的物理模擬-I.模型冰分類和發(fā)展

李志軍,董吉武

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

0 引 言

渤海和黃海北部海冰不僅能影響海上正常作業(yè),而且能損毀艦船、石油平臺等,危及人類的生命安全。自20世紀以來,渤海已發(fā)生過多次嚴重冰情。其中1969年的特大冰封造成了中國有記載以來最嚴重的一次冰災(zāi)。冰封期間,海冰摧毀了“海二井”石油平臺,“海一井”也遭受嚴重破壞。2009～2010年冬季渤海冰情為最近30a同期最重,據(jù)不完全統(tǒng)計,僅山東省就遭受直接經(jīng)濟損失達22億元[1]。類似問題同樣存在于中國西北和東北的河流和水庫等冰凌災(zāi)害中[2-3]。

冰荷載作為冰區(qū)結(jié)構(gòu)物的控制荷載,一直是研究的重點,采用的研究方法主要有現(xiàn)場監(jiān)測,實驗室物理模擬,數(shù)值方法。海冰是一種由鹵水、氣泡、冰晶體等組成的混合物,物理和力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜,并且不同區(qū)域海冰的性質(zhì)相差較大,很難建立精確計算冰作用力的數(shù)學(xué)模型,不得不開展大量現(xiàn)場原位調(diào)查研究[4]。因冰現(xiàn)場工作環(huán)境條件十分惡劣,費用較高,實驗室物理模擬是國際上現(xiàn)行研究冰問題的良好手段之一。物理模擬技術(shù)在中國推廣較晚,水工結(jié)構(gòu)物上的冰凌問題最初由松遼委應(yīng)用[5],天津大學(xué)于20世紀80年代建成了我國第一個小型冰池實驗室,隨后又建成了大型低溫實驗室,填補了我國在該領(lǐng)域的空白,并利用這些低溫試驗室開展了直立樁柱、直立墻,斜墻與海冰的相互作用過程模擬[6]。也模擬了流冰對水工結(jié)構(gòu)的撞擊力[7]。大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點實驗室針對海冰對近海結(jié)構(gòu)物的作用力發(fā)展了非凍結(jié)模擬技術(shù),也形成了相應(yīng)的試驗技術(shù)[8]。大連理工大學(xué)工業(yè)裝備國家重點實驗室建立了局部低溫實驗室,模擬海冰引起海洋平臺的振動問題[9]。由此可見,國際上有數(shù)種模型冰材料在實踐中應(yīng)用。

1 模型冰分類和應(yīng)用領(lǐng)域

現(xiàn)行模型冰分為兩大類,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層和不可破碎冰塊;可破碎模型冰分為凍結(jié)粒狀冰、凍結(jié)柱狀冰和非凍結(jié)合成冰[10],見圖1。

圖1 模型冰分類圖Fig.1 Classfication of model ices

不可破碎冰層和不可破碎冰塊的突出優(yōu)點是不需要低溫環(huán)境,主要缺點是一些關(guān)鍵性質(zhì)不相似,如摩擦系數(shù)過高。因此在現(xiàn)代冰模擬實驗中不常用。但是層出不窮的高分子復(fù)合材料對使用環(huán)境的適應(yīng)性可能會改變現(xiàn)狀。

不可破碎冰層用來模擬固體冰邊界,如浮動冰蓋或冰原?；緞恿δM涉及浮力和摩擦力。冰層由塑料、木材、苯乙烯或復(fù)合體 (即壓倉式浮箱)。為了模擬慣性力和重力,要求它們的運動與弗勞德數(shù)一致。為模擬水流阻力,不得不在模型冰層加入諸如塑料泡沫體、金屬或塑料網(wǎng)絲、馬尾、濾布或微粒子等額外材料。

不可破碎冰塊用來模擬冰塊漂流,模擬其浮力和表面粗糙度很關(guān)鍵。模型冰塊可由木板,聚乙烯或聚丙烯塑料或其它能浮起的材料切割;為了保證塑料模型冰的表面張力和浸濕,把模型冰塊表面弄粗糙,或者讓細菌在塑料塊上生長成膜。

不可破碎冰塊還用于模擬冰塞,其關(guān)鍵要求是冰塊浮力、摩擦和堆積冰塊內(nèi)摩擦的相似,這要求冰塊的 “粘性"要相同,才能保證摩擦力相似。

可破碎模型冰主要是指在低溫環(huán)境中凍結(jié)的添加劑溶液模型冰和常溫實驗環(huán)境下的非凍結(jié)合成模型冰。凍結(jié)冰可根據(jù)冰結(jié)構(gòu)進一步劃分為柱狀冰和粒狀冰。柱狀冰是由初始引晶,然后按天然方式至上而下生長。這些冰基本上由表層細粒硬層,中部過渡層和下部軟弱的柱狀層組成。粒狀模型冰由噴霧技術(shù)制成。冰的厚度由噴霧時間控制,強度由環(huán)境溫度和升溫時間控制。粒狀冰的粒徑從表至底相同,屬于各向同性結(jié)構(gòu)。非凍結(jié)合成冰的研究起步較晚,到上世紀70年代才有成果報道[11]。

只有可破碎模型冰能夠模擬冰層和冰塊破碎過程對結(jié)構(gòu)物施以的作用力。因此可破碎模型冰在冰對結(jié)構(gòu)物作用力物理模擬中起關(guān)鍵作用,而不可破碎模型冰只能模擬冰的漂流運動、堆積運動等可以忽略冰力學(xué)行為的現(xiàn)象。

2 可破碎凍結(jié)模型冰

為降低凍結(jié)模型冰的強度,用化學(xué)添加劑溶液改變凍結(jié)模型冰的結(jié)構(gòu),產(chǎn)生結(jié)構(gòu)上順從弱化的冰層。添加劑在凍結(jié)前添加到水里,有時加幾種化學(xué)物。凍結(jié)模型冰一般需要引晶過程,以便形成需要的晶體結(jié)構(gòu)。隨著冰層增厚,添加劑封閉在冰晶之間,形成 “鹵水胞”,類似海冰結(jié)構(gòu)。這些 “鹵水胞”降低了模型冰初始強度。實驗時通過冰層溫度升高到接近溶液的冰點溫度,使得模型冰的強度降低,接近模型試驗需要的設(shè)計值。升溫期間,鹵水胞增大,冰強度降低。由于回溫期間冰層的彈性模量比其彎曲強度降低得快,導(dǎo)致彈性模量與彎曲強度之比 (E/σf)也降低。所以,理想的模型冰除應(yīng)能實現(xiàn)與冰荷載模型幾何比尺一致的最小冰強度外,還需保證該比值＞2 000。對于可破碎凍結(jié)模型冰的發(fā)展,文獻 [10]給出了詳細總結(jié)。

2.1 凍結(jié)柱狀模型冰

1955年凍結(jié)柱狀模型冰首先問世,它最初是由2%鹽水溶液生長模型冰,其幾何比尺為25～40,E/σf＜1 000。為提高 E/σf比,后改用 0.6%鹽水生長模型冰,但升溫后,其最小彎曲強度仍高達60 kPa,明顯高于幾何比尺25或25以上的要求。由模型試驗得到的一定冰強度不得不修正或推斷模型實驗結(jié)果,引起預(yù)測最終實驗結(jié)果的誤差。為此ARCTEC有限公司在鹽水池上空噴液氮,將氣溫降到約-60℃,鹽水以＞10 mm/h的速率結(jié)冰,使冰內(nèi)圈閉大量鹵水,降低冰強度。這項專利模型冰用于破冰船物理模擬試驗。

后來Timco(1980)用1.3%尿素溶液生長40 mm厚的冰層,彎曲強度＜20 kPa[12],E/σf為2 400。但Hirayama在美國陸軍部寒區(qū)工程實驗室的工作卻發(fā)現(xiàn)20～25 mm厚模型冰的E/σf比卻在1 000或1 000以下。尿素冰和鹽冰均用細小的網(wǎng)絲引晶,產(chǎn)生表面細粒結(jié)構(gòu),然后池內(nèi)液體以細粒冰為基向下生長柱狀晶體,發(fā)展成冰層。引晶和生長溫度越低,上部凍結(jié)層的厚度越小。由于冰層表層強度高于底層,引起力學(xué)性質(zhì)的差異。后來,Timco(1986)發(fā)展出無凍結(jié)層的單層柱狀模型冰,即EG/AD/S模型冰[13]。3種添加劑分別是乙烯乙二醇 (EG),脂肪清潔劑 (AD)和糖 (S)。模型冰彎曲強度和彈性模量與彎曲強度之比均接近尿素冰。由于其結(jié)構(gòu)接近單層,它能真實地模擬斷裂。

添加劑冰問題之一是在低強度條件下鹵水含量不成比例地增加,造成模型冰密度偏高,可能不滿足浮力相似要求。將細小空氣泡混合到生長冰層內(nèi)能控制模型冰的總體密度。在冰層生長的不同時間加微氣泡,冰層的總體密度可降到 0.83～0.93 g/cm3,其 E/σf比 EG/AD/S模型冰增加了50%～100%。如果只在冰層的頂部和底部加微氣泡,模型冰的斷裂行為和破碎冰塊大小更真實。另外,該模型冰不反光特點改善了對實驗期間裂縫和冰下運動的觀測。

2.2 凍結(jié)粒狀模型冰

為進一步改善凍結(jié)柱狀模型冰表層、底層力學(xué)性質(zhì)差異,發(fā)展結(jié)構(gòu)和強度各向同性的細粒冰。細粒冰的制作技術(shù)是在冰池液面上空噴同種溶液的霧化微粒,當它們沉降到冰池液面前凍結(jié)成細粒晶體,制成均勻單層冰,其最大優(yōu)點是結(jié)構(gòu)和強度各向同性。

最初的細粒冰是由2%鹽水溶液制作的各向同性、脆性模型冰,它滿足多數(shù)強度比尺的要求。這種模型冰在-10～-22℃下引晶,一夜可生長70 mm,并且能通過回溫降低強度或降溫提高強度,E/σf為1 000～2 000,個別實驗值高達2 480。以同種技術(shù)用3%尿素獲得類似結(jié)果,主要用于破冰船試驗和冰-結(jié)構(gòu)物相互作用試驗。

該模型冰進一步完善,采用0.1%～1.6%可變濃度鹽水噴霧,不再單一使用2%鹽水,通過選擇濃度調(diào)整冰層的強度,獲得的強度模擬比前者更好。改進后的細粒冰表現(xiàn)出：①縮短了生長時間(減少30%);②改進了斷裂性能和拓寬冰強度范圍;③E/σf能控制在700～8 000。

芬蘭赫爾辛基理工大學(xué)為尋找一種適合模擬破冰船實驗的細粒、脆性模型冰,在比較分析各種細粒冰后,基于無腐蝕,對身體無損害的考慮,決定使用0.5%的酒精。在冰池大廳氣溫約-10℃下連續(xù)噴霧形成細粒酒精模型冰,冰的E/σf為1 000～2 000并具有良好的斷裂特征。該細粒酒精模型冰的物理和力學(xué)性質(zhì)曾有過詳細的試驗研究[14]。

3 可破碎非凍結(jié)模型冰

對于可破碎非凍結(jié)模型冰,同樣在文獻 [10]內(nèi)做了全面總結(jié)。非凍結(jié)合成冰雖然它們不需要冷凍設(shè)備,但多數(shù)尖端模型冰材料得到專利保護。起初發(fā)展的2種非凍結(jié)模型冰用來開展水力模型實驗。第一種由直徑5～10 mm的陶瓷/黏土建筑材料與一種賽璐珞膠粘結(jié)成。這種材料在模內(nèi)注成1～5 cm厚,干燥后,具有300～1 000 kPa的剪切強度。第二種材料由直徑3～4 mm的發(fā)泡聚苯乙烯粒與潤滑脂摻和。這種材料的剪切強度低到10～30 kPa。而后來由石膏粉、塑料細粒、鹽、硼砂、霧狀氣夾帶劑和水組合澆鑄成層的模型冰[11],應(yīng)用到研究傾斜結(jié)構(gòu)物前冰破碎方式。為了改變材料強度,能替換配方,但 E/σf的平均值為 500～1 000,這個值比建議的 ＞1 500偏低。將直徑2.5 mm的聚丙烯細粒放入模擬池,噴上一種不知名的表面處理劑,制備成的模型冰模擬船舶航行的冰塊破碎和堆積[15]。這種模型冰斷裂、錨泊和碎塊尺寸很理想。通過系列沖擊實驗,可完善粘合劑的應(yīng)用范疇。

由澆鑄在水面上的聚乙烯粉、聚乙烯粒,重植物油,輕植物油和硬脂酸的混合物制備的模型冰,稱為MOD模型冰[16],它是一種專利模型冰。一旦固結(jié),3 d內(nèi)性質(zhì)保持穩(wěn)定。它在降低強度的基礎(chǔ)上提高了E/σf比值 (對很薄冰層可達1 000～3 000),能較好地模擬斷裂強度和破碎塊大小。加拿大學(xué)者Beltao等 (1990)發(fā)展了一種無專利權(quán)的模型冰SYG,用來研究河冰開河問題[17]。它能以合理的模型比尺 (λl=30)模擬較弱的冰蓋材料。該模型冰的配方是PVC脂、輕質(zhì)外用拉毛水泥、熟石膏、玻璃微珠和水。加工時間10～14 d,彎曲強度23～28 kPa和E/σf比約為3 900。DUT-1模型冰給大連理工大學(xué)發(fā)展的DUT-1模型冰提供了基礎(chǔ)[18-19],隨著具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)模型冰的問世和系統(tǒng)的模型冰的物理、力學(xué)性質(zhì)和性能驗證性試驗的完成,DUT-1模型冰應(yīng)用到環(huán)渤海海岸工程的冰作用力物理模擬并給工程設(shè)計單位提供依據(jù)。

4 結(jié) 語

冰對結(jié)構(gòu)物作用力試驗在天津大學(xué)和大連理工大學(xué)成為較成熟的技術(shù)。天津大學(xué)使用的是尿素凍結(jié)柱狀冰,是加拿大改進前的公開技術(shù);大連理工大學(xué)使用的是非凍結(jié)合成模型冰。從材料結(jié)構(gòu)上看,前者是柱狀冰,后者是粒狀冰,兩者之間形成互補。在以往這些模型冰解決了水工結(jié)構(gòu)物的冰力問題,目前正探索在類似冰塞、冰壩中流凌通過水工結(jié)構(gòu)物能力的模擬[2-3,7]。最終期望冰-結(jié)構(gòu)物物理模擬試驗研究在中國發(fā)展壯大,解決更多的水工問題,甚至冰的熱力學(xué)問題[20],以期對中國冰力學(xué)和冰工程作出貢獻。

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