冰下靜止懸浮冰花厚度力學測量技術原理和實踐

張 晗，李春江，靳蘭旭，吳 帥，王慶凱，李志軍

(大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024)

1 冰花厚度測量新技術

1.1 探測冰花厚度原理

傳統的冰花厚度測量工具是20世紀50年代發明的“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，然后向上拉動測深桿，當感覺有一定阻力時，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，確定為冰花堆積區域，讀取探測桿刻度尺，如圖1(b)所示。該方法需要技術人員觀測視頻監控器內冰花是否移動來判斷冰花厚度，也具有一定經驗性。

張寶森等使用探地雷達掃描法探測冰花層。該方法主要基于200 MHz雷達天線來識別冰花層，雷達電磁波在穿透冰層(高阻抗介質)到達冰花層(低阻抗介質)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，因雷達介電常數的不確定性，并未定量冰花厚度[2]。

在前人研究基礎上，本文發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度空心探桿垂直插入冰花層內，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 電子冰花尺構造與使用方法

如圖2所示，電子冰花尺是由以下構件組成：

圖2 冰花測厚電子尺結構示意圖

(1)錐形阻力頭：用以增大插入冰層時的壓強。

(2)拉壓力傳感器：測量冰花阻力的重要組件，可以根據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，防水等級為IP68。

(3)高強度空心探桿：桿端設有防水措施，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)高強度空心加長探桿：桿身具有刻度尺，現場使用前可連接到探桿3，起到加長作用，這樣設計是為了便于攜帶及應對不同厚度的冰花層。

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

(9)采集器數據導出接口：可將采集器連接至電腦導出數據。

(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。

現場探測使用時，首先組裝冰花尺，對于冰花層厚的探測區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，插入冰孔內后不斷下移，當在冰蓋下遇到冰花層時，錐形阻力頭受到冰花阻力，拉壓力數據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，拉壓力數據采集器顯示阻力過程曲線；當錐形阻力頭穿過冰花層之后，阻力值出現突減，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拉出，完成冰花厚度探測。

2 實驗室和現場技術實踐

2.1 實驗室模擬測試

電子冰花尺設備制作完成后，為驗證設備的可行性，在大連理工大學低溫實驗室開展了模擬實驗。冰花是冬季結冰期河道內冰晶體的集合，單個尺寸為毫米級別。首先將水盛放于泡沫箱內，放置于低溫實驗室，待凍結后取出，使用研磨機將冰塊打磨成2～5 mm的細小冰粒(圖3(a))，這與黃河內蒙古頭道拐的河道內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先降溫的冷水中，令冰花顆粒漂浮在水體內，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，這接近于真實冰蓋下的冰花狀態，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，同時觀察數據采集器的阻力值變化，在數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，現場真實冰花層可達數米，在進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，在數據采集器出現數值突增和突減時，對于冰花尺位置的記錄會有偏差，因此應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。

設置電控式貫入儀的貫入速度為20 mm/s，預先用直尺測量桶內冰花層為20 cm，進行三組貫入實驗，將便攜式拉壓力數據采集器連接至PC端，使用專用軟件將存儲的阻力數據導出，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生，但是由于冰花層并未完全凍結在有機玻璃筒壁，當貫入儀控制探桿繼續垂直向下時，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。當探桿將整個冰花層按壓到桶底時，貫入儀繼續控制探桿向下，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。探桿持續貫入冰花層，阻力值持續變化。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據0.200 m基本一致，證明了冰花測厚電子尺的可行性與準確性。

表1 室內試驗測量值 m

2.2 現場測試

2023年2月10日12：00—13：00在黃河什四份子彎道進行現場測試，測試選在容易出現冰花的堆積冰區域。預先準備3根加長探桿，每根探桿長1 m，且都帶有標尺，分度值為0.001 m，組裝過程中重點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，不斷下移，拉壓力數據采集器采集冰花對錐形阻力頭所形成的阻力，記錄阻力值發生突增時的探桿刻度值；繼續將探桿下移，當阻力值出現突減時，再次記錄探桿刻度值。探測結束后探桿從冰孔內拉出，將數據采集器連接到電腦，導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時，阻力值為0 N且幾乎不發生變化，此時探桿并未接觸冰花層，僅沿著冰孔下移。將探桿繼續下移，阻力值逐漸增大至50 N左右，說明探桿已經臨近稀疏的冰花層，冰花開始對探桿產生阻力。探桿繼續插入，阻力值發生突增至600 N左右，探桿已經接觸到冰花層，記錄此時探桿的刻度值即為冰花層的表面位置。人工用力繼續將桿下移，阻力值持續上下波動，直至發生突減，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 三組現場試驗阻力變化曲線

三組有效試驗數據記錄了阻力值發生突增和突減的位置，計算可得冰花厚度。根據表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 現場試驗測量值

定點連續雷達數據顯示2022—2023年冬季最大冰層厚度為0.705 m[3-4]，而現場試驗當天冰層厚度達到0.653 m，冰層很厚，部分堆積區域的冰層更厚，冰下冰花已經長時間堆積，密實度很大且很厚，手動將探桿插入冰花層十分困難，因此后續現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定的速度下移，也可以保證探桿能夠完全貫穿冰花層到達底部，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 論

(1)新型電子冰花尺通過監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，探測分辨率達毫米級，各部件組裝簡便、操作方便。

(2)在實驗室進行了模擬試驗，在低溫試驗室內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值0.2 m相近，證明了新型電子冰花尺的可行性與準確性。

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