湖冰微結構及其對熱、力學參數(shù)影響的研究.pdf

1、季節(jié)性冰蓋的生消是我國北方地表水體的重要現(xiàn)象之一，如江河、湖泊、水庫等。靜態(tài)水體生長的湖泊冰蓋對水體環(huán)境和工程設施可產(chǎn)生以下影響:一是冰蓋幾乎切斷了大氣-水體物質交換和削弱了其間的能量交換，改變了水體生態(tài)環(huán)境。例如，冰層切斷了氣-水氣體交換可引起水體缺氧;冰層的透光性質和熱傳導性質控制著冰下水體的光、熱結構，影響到水生生物和微生物的活動強度。二是受岸坡和水工結構物的限制，冰層溫度改變而伴生的熱脹冷縮效應，可對水庫壩體、護坡、水工建筑物等

2、施加擠壓、剪切等荷載，甚至造成破壞。所以，研究冰自身的基本物理性質和熱學、力學參數(shù)對于冰區(qū)環(huán)境和工程都具有重要意義。本文連續(xù)多個冬季對湖冰開展了現(xiàn)場調查和室內試驗，來揭示湖冰生消過程和物理微結構特征，測定湖冰導熱系數(shù)、剪切和彎曲強度，并探索湖冰微結構對冰熱學、力學參數(shù)的影響規(guī)律和機理。
　　首先，湖冰生消過程和微結構觀測結果表明，(1)東北高緯度和青藏高原高海拔熱融湖湖冰過程是當?shù)貧庀筮^程的結果，融化期的東北平原湖冰和整個冰期高原

3、湖冰存在明顯的冰面升華和融化現(xiàn)象。(2)天然湖冰基本由表層顆粒晶體冰（P1或P3型）和中下部柱狀晶體冰（S1或S2型）構成，顆粒冰厚度一般不多于最大冰厚的40％。湖冰內氣泡特征較為復雜，基本形態(tài)可分為圓球型、細圓柱型、線粒型和脊椎型，區(qū)域差異顯著。青藏高原湖冰內氣泡尺寸和含量明顯高于前人報告的關于淡水湖冰氣泡含量。(3)湖冰晶體類型、尺寸不隨凍結時間變化，冰內氣泡隨冰厚的增加先后出現(xiàn)圓球狀氣泡區(qū)、“潔凈的冰”區(qū)、細圓柱氣泡區(qū)，融化期開始

4、后冰內氣泡擴張、貫通，含量和尺寸增大;湖冰晶體構成和氣泡特征存在年差異，主要受當年水文、氣象條件控制。(4)建立了湖冰晶體和氣泡參數(shù)與生長速率的關系。(5)對比分析淡水湖冰、渤海海冰、夏季北極海冰微結構異同，證實冰內孔隙的形成位置與冰晶體邊界分布并不存在明顯關系。
　　其次，開展高緯度和高海拔湖冰導熱系數(shù)測定工作，分析湖冰微結構對導熱系數(shù)的影響規(guī)律。(1)湖冰晶體類型和尺寸對導熱系數(shù)影響較弱，柱狀冰水平向導熱系數(shù)比豎直向略低（約5

5、％）。東北高緯度湖冰氣泡含量低(＜3％)對導熱系數(shù)影響不明顯。(2)對比分析以往多孔介質導熱系數(shù)理論計算模型的優(yōu)劣，提出綜合考慮冰內氣泡含量、尺寸和分布形式的聯(lián)合計算模型來計算湖冰導熱系數(shù)。(3)嘗試測定“高溫”湖冰的導熱系數(shù)，當冰溫接近于融點且隨著冰溫的升高，湖冰導熱系數(shù)迅速減小，并給出估算高溫湖冰導熱系數(shù)的曲線。
　　再次，大量開展高緯度湖冰單剪強度和三點簡支梁抗彎強度試驗，測定天然湖冰剪切和彎曲強度，并探索湖冰微結構對其影響

6、規(guī)律。(1)率先開展天然淡水湖冰剪切強度測試，在不同加載方向下顆粒冰剪切強度呈現(xiàn)各向同性，柱狀冰表現(xiàn)出各向異性;本文從切斷晶體比例、晶體邊界和裂紋擴展機理等方面探討冰晶體對湖冰剪切破壞形式和各向同異性的影響機理。(2)大批次開展湖冰彎曲強度測試工作，其中獨立測定顆粒冰抗彎強度尚屬首次，顆粒、柱狀冰抗彎強度的各向同異性特征與抗剪強度相同，并從拉、壓裂紋形成和擴展機理分析了冰晶體的影響。(3)冰內氣泡含量雖小，但卻造成湖冰抗彎強度約15％的

7、降低，主要歸因子氣泡含量、結構以及其提供了拉伸破壞的原生裂紋。(4)綜合評價了加載應變速率和冰溫對剪切和彎曲強度的影響，隨著溫度降低，湖冰強度增大;湖冰峰值強度（或韌-脆轉換區(qū)）對應的應變速率在2×10-5～5×10-4/s范圍內。
　　本文充分地揭示了湖冰晶體、氣泡結構特征，及其年內、年際變化特征，發(fā)現(xiàn)湖冰生長過程對微結構的影響關系，并從本質上討論了湖冰物理微結構對導熱系數(shù)、剪切和彎曲強度的影響規(guī)律和機理。這些成果可為冬季湖泊、