湖冰微結(jié)構(gòu)及其對(duì)熱、力學(xué)參數(shù)影響的研究.pdf

1、季節(jié)性冰蓋的生消是我國(guó)北方地表水體的重要現(xiàn)象之一，如江河、湖泊、水庫(kù)等。靜態(tài)水體生長(zhǎng)的湖泊冰蓋對(duì)水體環(huán)境和工程設(shè)施可產(chǎn)生以下影響:一是冰蓋幾乎切斷了大氣-水體物質(zhì)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(zhì)和熱傳導(dǎo)性質(zhì)控制著冰下水體的光、熱結(jié)構(gòu)，影響到水生生物和微生物的活動(dòng)強(qiáng)度。二是受岸坡和水工結(jié)構(gòu)物的限制，冰層溫度改變而伴生的熱脹冷縮效應(yīng)，可對(duì)水庫(kù)壩體、護(hù)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(zhì)和熱學(xué)、力學(xué)參數(shù)對(duì)于冰區(qū)環(huán)境和工程都具有重要意義。本文連續(xù)多個(gè)冬季對(duì)湖冰開展了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和室內(nèi)試驗(yàn)，來(lái)揭示湖冰生消過(guò)程和物理微結(jié)構(gòu)特征，測(cè)定湖冰導(dǎo)熱系數(shù)、剪切和彎曲強(qiáng)度，并探索湖冰微結(jié)構(gòu)對(duì)冰熱學(xué)、力學(xué)參數(shù)的影響規(guī)律和機(jī)理。
　　首先，湖冰生消過(guò)程和微結(jié)構(gòu)觀測(cè)結(jié)果表明，(1)東北高緯度和青藏高原高海拔熱融湖湖冰過(guò)程是當(dāng)?shù)貧庀筮^(guò)程的結(jié)果，融化期的東北平原湖冰和整個(gè)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(gòu)成，顆粒冰厚度一般不多于最大冰厚的40％。湖冰內(nèi)氣泡特征較為復(fù)雜，基本形態(tài)可分為圓球型、細(xì)圓柱型、線粒型和脊椎型，區(qū)域差異顯著。青藏高原湖冰內(nèi)氣泡尺寸和含量明顯高于前人報(bào)告的關(guān)于淡水湖冰氣泡含量。(3)湖冰晶體類型、尺寸不隨凍結(jié)時(shí)間變化，冰內(nèi)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(xì)圓柱氣泡區(qū)，融化期開始

4、后冰內(nèi)氣泡擴(kuò)張、貫通，含量和尺寸增大;湖冰晶體構(gòu)成和氣泡特征存在年差異，主要受當(dāng)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(zhǎng)速率的關(guān)系。(5)對(duì)比分析淡水湖冰、渤海海冰、夏季北極海冰微結(jié)構(gòu)異同，證實(shí)冰內(nèi)孔隙的形成位置與冰晶體邊界分布并不存在明顯關(guān)系。
　　其次，開展高緯度和高海拔湖冰導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定工作，分析湖冰微結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響規(guī)律。(1)湖冰晶體類型和尺寸對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)影響較弱，柱狀冰水平向?qū)嵯禂?shù)比豎直向略低（約5

5、％）。東北高緯度湖冰氣泡含量低(＜3％)對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)影響不明顯。(2)對(duì)比分析以往多孔介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)理論計(jì)算模型的優(yōu)劣，提出綜合考慮冰內(nèi)氣泡含量、尺寸和分布形式的聯(lián)合計(jì)算模型來(lái)計(jì)算湖冰導(dǎo)熱系數(shù)。(3)嘗試測(cè)定“高溫”湖冰的導(dǎo)熱系數(shù)，當(dāng)冰溫接近于融點(diǎn)且隨著冰溫的升高，湖冰導(dǎo)熱系數(shù)迅速減小，并給出估算高溫湖冰導(dǎo)熱系數(shù)的曲線。
　　再次，大量開展高緯度湖冰單剪強(qiáng)度和三點(diǎn)簡(jiǎn)支梁抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)定天然湖冰剪切和彎曲強(qiáng)度，并探索湖冰微結(jié)構(gòu)對(duì)其影響

6、規(guī)律。(1)率先開展天然淡水湖冰剪切強(qiáng)度測(cè)試，在不同加載方向下顆粒冰剪切強(qiáng)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(kuò)展機(jī)理等方面探討冰晶體對(duì)湖冰剪切破壞形式和各向同異性的影響機(jī)理。(2)大批次開展湖冰彎曲強(qiáng)度測(cè)試工作，其中獨(dú)立測(cè)定顆粒冰抗彎強(qiáng)度尚屬首次，顆粒、柱狀冰抗彎強(qiáng)度的各向同異性特征與抗剪強(qiáng)度相同，并從拉、壓裂紋形成和擴(kuò)展機(jī)理分析了冰晶體的影響。(3)冰內(nèi)氣泡含量雖小，但卻造成湖冰抗彎強(qiáng)度約15％的

7、降低，主要?dú)w因子氣泡含量、結(jié)構(gòu)以及其提供了拉伸破壞的原生裂紋。(4)綜合評(píng)價(jià)了加載應(yīng)變速率和冰溫對(duì)剪切和彎曲強(qiáng)度的影響，隨著溫度降低，湖冰強(qiáng)度增大;湖冰峰值強(qiáng)度（或韌-脆轉(zhuǎn)換區(qū)）對(duì)應(yīng)的應(yīng)變速率在2×10-5～5×10-4/s范圍內(nèi)。
　　本文充分地揭示了湖冰晶體、氣泡結(jié)構(gòu)特征，及其年內(nèi)、年際變化特征，發(fā)現(xiàn)湖冰生長(zhǎng)過(guò)程對(duì)微結(jié)構(gòu)的影響關(guān)系，并從本質(zhì)上討論了湖冰物理微結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)、剪切和彎曲強(qiáng)度的影響規(guī)律和機(jī)理。這些成果可為冬季湖泊、