韓心宇,戴長雷,李 翔,張 穎

(1.黑龍江大學(xué)寒區(qū)地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；3.黑龍江大學(xué)中俄寒區(qū)水文和水利工程聯(lián)合試驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150080)

檐涎冰是寒冷和嚴(yán)寒地區(qū)冬季較常出現(xiàn)的冰情現(xiàn)象，它美麗的外表常作為景觀供人們欣賞，但它的危險(xiǎn)性也不容忽視。檐涎冰的斷裂墜落不僅會(huì)危害人們的生命及財(cái)產(chǎn)安全，歷年都有它墜落導(dǎo)致傷人傷物的新聞報(bào)道，而且在橋梁工程、隧道工程和輸電工程中也經(jīng)常受到此影響。目前國內(nèi)關(guān)于常溫條件下模擬檐涎冰的研究較少，研究較多的是建筑物、橋梁、道路、隧洞及導(dǎo)線上冰柱的發(fā)育或防治。

1 檐涎冰相關(guān)研究進(jìn)展

檐涎冰也叫“冰溜子”“冰掛”“冰錐”，是一種寒冷和嚴(yán)寒地區(qū)冬季常見的結(jié)冰產(chǎn)物，指在溫度變化及重力的作用下，經(jīng)過溶化、凝固，一般在建筑物邊緣、高大燈箱廣告牌、橋梁泄水孔、伸縮縫以及梁間滲水處等有平整的承臺(tái)，能夠積攢一定積雪且不能盡快排水的高空構(gòu)筑物下緣[1]，形成的不規(guī)則倒立錐形冰體。

鄒德昊等[2]先利用室外試驗(yàn)獲取檐涎冰的初步生長發(fā)育規(guī)律，后在低溫室內(nèi)利用金屬載體精準(zhǔn)滴定模擬檐涎冰初期生長規(guī)律；白旭亮等[1]分析了冬季建筑物滴水冰掛的形成原因，從設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)的角度尋求解決問題的方法，提出一些防范冰掛形成、發(fā)生墜落風(fēng)險(xiǎn)的措施；張旭等[3]分析了在自重作用及風(fēng)載作用下的寒區(qū)橋梁主梁下部的冰柱外形尺寸，并提出冰柱消除的合理化建議；李友林[4]針對(duì)立交橋滴水冰錐墜落風(fēng)險(xiǎn)，指出除加強(qiáng)日常防護(hù)外，還應(yīng)該從設(shè)計(jì)源頭采取可行的技術(shù)措施，進(jìn)行有效防治；張浩[5]在地形地貌與地層巖性勘測、水文地質(zhì)調(diào)研、病害調(diào)查、現(xiàn)場監(jiān)測、室內(nèi)外試驗(yàn)、理論分析與數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，分析了涎流冰形成的影響因素及形成機(jī)理，評(píng)價(jià)了工程區(qū)涎流冰的危害性，提出了涎流冰的預(yù)測技術(shù)，針對(duì)傳統(tǒng)措施的局限性，提出新型防治措施；李隱[6]以合武線某高鐵隧道為例，分析了隧道洞口冰掛現(xiàn)象的成因及其對(duì)鐵路運(yùn)輸?shù)挠绊?，并從設(shè)計(jì)、運(yùn)營、維護(hù)等方面綜合考慮，提出了隧道洞口的防冰設(shè)計(jì)以及防冰、除冰措施，為今后隧道洞口設(shè)計(jì)施工及運(yùn)營維護(hù)提供新的思路。

由在冬季的黑龍江大學(xué)校園內(nèi)實(shí)際觀察發(fā)現(xiàn)，檐涎冰常見于屋頂為坡屋頂?shù)慕ㄖＴ诳諝馀c屋頂?shù)臏夭钭饔孟?，屋檐處形成了檐涎冰。其特點(diǎn)是形狀類似于倒立的圓錐體，上部粗，尾部細(xì)，顏色大多晶瑩剔透，長短不一，粗細(xì)不盡相同，多是一處屋檐排列多個(gè)檐涎冰。在屋頂和空氣溫差大的情況下，檐涎冰體積較大，例如浴池等建筑物，由于產(chǎn)生向外排出的水蒸氣在排氣口聚集，遇冷變成檐涎冰[7]。

2 常溫條件下檐涎冰模擬材料的篩選

根據(jù)自然條件下檐涎冰的形成過程可知，模擬材料應(yīng)選擇可固液轉(zhuǎn)化的材料，因此選擇水、石蠟、硫代硫酸鈉為備選材料。

水是檐涎冰本身的材料，純凈水在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的冰點(diǎn)是0 ℃，要想利用水來人工模擬檐涎冰的生長，需將創(chuàng)造低溫環(huán)境，但這一過程不易實(shí)現(xiàn)，成本較高。在寒冷和嚴(yán)寒地區(qū)的冬季進(jìn)行試驗(yàn)是一種選擇，但存在著試驗(yàn)時(shí)間受限的缺點(diǎn)。因此水不是本試驗(yàn)的理想模擬材料。

不考慮創(chuàng)造低溫環(huán)境的需求，可轉(zhuǎn)為考慮在常溫條件下為固體物質(zhì)，且加熱易熔化的物質(zhì)作為模擬材料。

石蠟在生活中用途廣泛，可用于食品、藥品等包裝、某些紡織品的表面涂層和蠟燭生產(chǎn)上。石蠟又稱晶型蠟，通常是白色、無味的蠟狀固體，是烴類的混合物。石蠟沒有固定的熔點(diǎn)，通常在47～64 ℃熔化。試驗(yàn)中存在對(duì)模擬物質(zhì)加熱熔化的需求，但加熱石蠟的溫度不易控制，且石蠟易燃燒，燃燒可釋放一氧化碳、氮氧化物、醛和未燃燒物及碳?xì)浠衔锏扔卸疚镔|(zhì)[8]。另外，石蠟不溶于水，試驗(yàn)過程中不好清理。綜合以上兩種缺點(diǎn)，石蠟不是本試驗(yàn)的理想模擬材料。

硫代硫酸鈉又名大蘇打、海波，是無色透明的單斜晶體，常溫條件下為固體，有固定的熔點(diǎn)，熔點(diǎn)為48 ℃，對(duì)其簡單加熱即可熔化，在常溫下冷卻就可慢慢凝固，易于對(duì)其固液轉(zhuǎn)化進(jìn)行控制，對(duì)環(huán)境溫度變化的控制要求較低。同時(shí)，硫代硫酸鈉可溶于水，易清理，且易獲取，價(jià)格低廉，是本試驗(yàn)的理想材料。詳見表1。

表1 常溫條件下檐涎冰模擬材料的篩選

3 常溫條件下檐涎冰模擬裝置的設(shè)計(jì)

常溫條件下檐涎冰模擬模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從發(fā)生裝置、加熱裝置兩方面展開。

(1)發(fā)生裝置

發(fā)生裝置由置物槽、溢流孔及承臺(tái)組成。置物槽為頂端開口的中空長方體，用于盛放硫代硫酸鈉；溢流孔開在置物槽底端，使熔化的硫代硫酸鈉流出；承臺(tái)與置物槽開孔面相連，模擬實(shí)際情況下積攢積雪的承臺(tái)。設(shè)置3組大小、材質(zhì)相同的發(fā)生裝置，分別固定在橫軸上，使3組發(fā)生裝置能夠獨(dú)立上下旋轉(zhuǎn)，互不干擾，且能固定在某一特定角度，為后續(xù)試驗(yàn)設(shè)置對(duì)照組奠定基礎(chǔ)。

(2)加熱裝置

加熱裝置采用電熱管，利用其升溫速度快且溫度可控的特點(diǎn)，對(duì)硫代硫酸鈉進(jìn)行加熱，使硫代硫酸鈉達(dá)到熔點(diǎn)熔化，固定于置物槽背面底端位置。

(3)試驗(yàn)裝置材料的選擇

考慮到試驗(yàn)中涉及加熱過程，試驗(yàn)裝置需具備耐高溫的屬性，因此選取鐵質(zhì)材料制作試驗(yàn)裝置。為防止鐵生銹，在試驗(yàn)裝置表面需噴涂耐高溫耐腐蝕材料。

4 常溫條件下檐涎冰發(fā)育過程模擬

4.1 常溫條件下檐涎冰發(fā)育過程試驗(yàn)?zāi)M

由檐涎冰的形成過程可知，積雪在溫度變化及重力的作用下，經(jīng)過溶化、凝固，會(huì)在構(gòu)筑物下緣形成不規(guī)則倒立錐體。這一形成過程主要是固態(tài)到液態(tài)再到固態(tài)的二態(tài)相互轉(zhuǎn)化的過程。加熱硫代硫酸鈉至熔化，模擬環(huán)境升溫導(dǎo)致積雪融化的過程；熔化的硫代硫酸鈉經(jīng)溢流孔流出至承臺(tái)邊緣滴落，在常溫條件下硫代硫酸鈉慢慢地冷卻凝固，在承臺(tái)下緣形成不規(guī)則倒立錐體，模擬寒冷環(huán)境中檐涎冰的生長過程。

4.2 常溫條件下檐涎冰發(fā)育過程模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選取承臺(tái)材質(zhì)、傾斜角度及風(fēng)力3種變量。為方便說明，將3組發(fā)生裝置依次命名為a號(hào)、b號(hào)、c號(hào)。試驗(yàn)后清洗臺(tái)面上的硫代硫酸鈉，保證承臺(tái)為初始狀態(tài)。

(1)承臺(tái)材質(zhì)對(duì)檐涎冰的影響試驗(yàn)

將a號(hào)裝置設(shè)為無風(fēng)狀態(tài)，調(diào)整承臺(tái)傾斜角度為15°，將臺(tái)面劃分為3個(gè)等寬區(qū)域，分別無鋪設(shè)、鋪設(shè)細(xì)砂礫、鋪設(shè)粗砂礫，將這3個(gè)區(qū)域分別命名為a-1、a-2、a-3。加熱硫代硫酸鈉使其熔化并通過溢流孔沿臺(tái)面流出，觀察a-1、a-2、a-3區(qū)域承臺(tái)下緣檐涎冰形成情況。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在形成檐涎冰之前，a-1、a-2、a-3區(qū)域均會(huì)形成一層硫代硫酸鈉晶體附著在臺(tái)面，使臺(tái)面形成較為光滑的表面，承臺(tái)材質(zhì)對(duì)檐涎冰的影響非常小。

(2)傾斜角度對(duì)檐涎冰的影響試驗(yàn)

保持a號(hào)裝置不變，上下旋轉(zhuǎn)無風(fēng)狀態(tài)下且無鋪設(shè)的b號(hào)裝置、c號(hào)裝置至互不相同的傾斜角度。同時(shí)加熱三組裝置，觀察a、b、c號(hào)裝置承臺(tái)下緣檐涎冰形成情況。多次改變b、c號(hào)裝置承臺(tái)傾斜角度，每組試驗(yàn)間需清洗臺(tái)面，重新加熱硫代硫酸鈉，以期減小誤差。 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)傾斜角度越大，液體流速越大，使液體帶有較大的動(dòng)能，阻礙液體的凝固以及凝固時(shí)的附著，進(jìn)一步影響到檐涎冰的形成。隨著傾斜角度的增大，形成的檐涎冰越長。

(3)風(fēng)力對(duì)檐涎冰的影響試驗(yàn)

保持a號(hào)裝置不變，將b號(hào)裝置設(shè)為有風(fēng)狀態(tài)，調(diào)整承臺(tái)傾斜角度為15°，且為無鋪設(shè)。同時(shí)加熱a號(hào)裝置、b號(hào)裝置，觀察a、b號(hào)裝置承臺(tái)下緣檐涎冰形成情況。詳見圖1。 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)風(fēng)力越大，檐涎冰生長越緩慢，但是相應(yīng)的臺(tái)面上的固體覆蓋量增大。

圖1 檐涎冰模擬效果

5 結(jié) 論

(1)比較選定硫代硫酸鈉為常溫條件下檐涎冰模擬材料。

(2)常溫條件下檐涎冰模擬裝置可以設(shè)計(jì)為發(fā)生裝置和加熱裝置兩部分。

(3)通過試驗(yàn)證明利用該裝置在常溫條件下模擬檐涎冰的生長過程是可行的。