常溫條件下檐涎冰模擬

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)合試驗室，黑龍江 哈爾濱 150080)

檐涎冰是寒冷和嚴寒地區(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，但它的危險性也不容忽視。檐涎冰的斷裂墜落不僅會危害人們的生命及財產(chǎn)安全，歷年都有它墜落導(dǎo)致傷人傷物的新聞報道，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)研究進展

檐涎冰也叫“冰溜子”“冰掛”“冰錐”，是一種寒冷和嚴寒地區(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，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、施工和維護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]針對立交橋滴水冰錐墜落風(fēng)險，指出除加強日常防護外，還應(yīng)該從設(shè)計源頭采取可行的技術(shù)措施，進行有效防治；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、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理，評價了工程區(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)象的成因及其對鐵路運輸?shù)挠绊懀脑O(shè)計、運營、維護等方面綜合考慮，提出了隧道洞口的防冰設(shè)計以及防冰、除冰措施，為今后隧道洞口設(shè)計施工及運營維護提供新的思路。

由在冬季的黑龍江大學(xué)校園內(nèi)實際觀察發(fā)現(xiàn)，檐涎冰常見于屋頂為坡屋頂?shù)慕ㄖ?。在空氣與屋頂?shù)臏夭钭饔孟拢蓍芴幮纬闪碎芟驯?。其特點是形狀類似于倒立的圓錐體，上部粗，尾部細，顏色大多晶瑩剔透，長短不一，粗細不盡相同，多是一處屋檐排列多個檐涎冰。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，純凈水在標準大氣壓下的冰點是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，但這一過程不易實現(xiàn)，成本較高。在寒冷和嚴寒地區(qū)的冬季進行試驗是一種選擇，但存在著試驗時間受限的缺點。因此水不是本試驗的理想模擬材料。

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，通常在47～64 ℃熔化。試驗中存在對模擬物質(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、醛和未燃燒物及碳氫化合物等有毒物質(zhì)[8]。另外，石蠟不溶于水，試驗過程中不好清理。綜合以上兩種缺點，石蠟不是本試驗的理想模擬材料。

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，熔點為48 ℃，對其簡單加熱即可熔化，在常溫下冷卻就可慢慢凝固，易于對其固液轉(zhuǎn)化進行控制，對環(huán)境溫度變化的控制要求較低。同時，硫代硫酸鈉可溶于水，易清理，且易獲取，價格低廉，是本試驗的理想材料。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

常溫條件下檐涎冰模擬模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計從發(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；承臺與置物槽開孔面相連，模擬實際情況下積攢積雪的承臺。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)試驗設(shè)置對照組奠定基礎(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，對硫代硫酸鈉進行加熱，使硫代硫酸鈉達到熔點熔化，固定于置物槽背面底端位置。

(3)試驗裝置材料的選擇

考慮到試驗中涉及加熱過程，試驗裝置需具備耐高溫的屬性，因此選取鐵質(zhì)材料制作試驗裝置。為防止鐵生銹，在試驗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?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)育過程模擬試驗設(shè)計

試驗選取承臺材質(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、b號、c號。試驗后清洗臺面上的硫代硫酸鈉，保證承臺為初始狀態(tài)。

(1)承臺材質(zhì)對檐涎冰的影響試驗

將a號裝置設(shè)為無風(fēng)狀態(tài)，調(diào)整承臺傾斜角度為15°，將臺面劃分為3個等寬區(qū)域，分別無鋪設(shè)、鋪設(shè)細砂礫、鋪設(shè)粗砂礫，將這3個區(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面流出，觀察a-1、a-2、a-3區(qū)域承臺下緣檐涎冰形成情況。

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

(2)傾斜角度對檐涎冰的影響試驗

保持a號裝置不變，上下旋轉(zhuǎn)無風(fēng)狀態(tài)下且無鋪設(shè)的b號裝置、c號裝置至互不相同的傾斜角度。同時加熱三組裝置，觀察a、b、c號裝置承臺下緣檐涎冰形成情況。多次改變b、c號裝置承臺傾斜角度，每組試驗間需清洗臺面，重新加熱硫代硫酸鈉，以期減小誤差。 試驗發(fā)現(xiàn)傾斜角度越大，液體流速越大，使液體帶有較大的動能，阻礙液體的凝固以及凝固時的附著，進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)力對檐涎冰的影響試驗

保持a號裝置不變，將b號裝置設(shè)為有風(fēng)狀態(tài)，調(diào)整承臺傾斜角度為15°，且為無鋪設(shè)。同時加熱a號裝置、b號裝置，觀察a、b號裝置承臺下緣檐涎冰形成情況。詳見圖1。 試驗發(fā)現(xiàn)風(fēng)力越大，檐涎冰生長越緩慢，但是相應(yīng)的臺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)計為發(fā)生裝置和加熱裝置兩部分。

(3)通過試驗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。