常温条件下檐涎冰模拟

韩心宇,戴长雷,李 翔,张 颖

(1.黑龙江大学寒区地下水研究所，黑龙江 哈尔滨 150080；2.黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080；3.黑龙江大学中俄寒区水文和水利工程联合试验室，黑龙江 哈尔滨 150080)

檐涎冰是寒冷和严寒地区冬季较常出现的冰情现象，它美丽的外表常作为景观供人们欣赏，但它的危险性也不容忽视。檐涎冰的断裂坠落不仅会危害人们的生命及财产安全，历年都有它坠落导致伤人伤物的新闻报道，而且在桥梁工程、隧道工程和输电工程中也经常受到此影响。目前国内关于常温条件下模拟檐涎冰的研究较少，研究较多的是建筑物、桥梁、道路、隧洞及导线上冰柱的发育或防治。

1 檐涎冰相关研究进展

檐涎冰也叫“冰溜子”“冰挂”“冰锥”，是一种寒冷和严寒地区冬季常见的结冰产物，指在温度变化及重力的作用下，经过溶化、凝固，一般在建筑物边缘、高大灯箱广告牌、桥梁泄水孔、伸缩缝以及梁间渗水处等有平整的承台，能够积攒一定积雪且不能尽快排水的高空构筑物下缘[1]，形成的不规则倒立锥形冰体。

邹德昊等[2]先利用室外试验获取檐涎冰的初步生长发育规律，后在低温室内利用金属载体精准滴定模拟檐涎冰初期生长规律；白旭亮等[1]分析了冬季建筑物滴水冰挂的形成原因，从设计、施工和维护的角度寻求解决问题的方法，提出一些防范冰挂形成、发生坠落风险的措施；张旭等[3]分析了在自重作用及风载作用下的寒区桥梁主梁下部的冰柱外形尺寸，并提出冰柱消除的合理化建议；李友林[4]针对立交桥滴水冰锥坠落风险，指出除加强日常防护外，还应该从设计源头采取可行的技术措施，进行有效防治；张浩[5]在地形地貌与地层岩性勘测、水文地质调研、病害调查、现场监测、室内外试验、理论分析与数值模拟的基础上，分析了涎流冰形成的影响因素及形成机理，评价了工程区涎流冰的危害性，提出了涎流冰的预测技术，针对传统措施的局限性，提出新型防治措施；李隐[6]以合武线某高铁隧道为例，分析了隧道洞口冰挂现象的成因及其对铁路运输的影响，并从设计、运营、维护等方面综合考虑，提出了隧道洞口的防冰设计以及防冰、除冰措施，为今后隧道洞口设计施工及运营维护提供新的思路。

由在冬季的黑龙江大学校园内实际观察发现，檐涎冰常见于屋顶为坡屋顶的建筑。在空气与屋顶的温差作用下，屋檐处形成了檐涎冰。其特点是形状类似于倒立的圆锥体，上部粗，尾部细，颜色大多晶莹剔透，长短不一，粗细不尽相同，多是一处屋檐排列多个檐涎冰。在屋顶和空气温差大的情况下，檐涎冰体积较大，例如浴池等建筑物，由于产生向外排出的水蒸气在排气口聚集，遇冷变成檐涎冰[7]。

2 常温条件下檐涎冰模拟材料的筛选

根据自然条件下檐涎冰的形成过程可知，模拟材料应选择可固液转化的材料，因此选择水、石蜡、硫代硫酸钠为备选材料。

水是檐涎冰本身的材料，纯净水在标准大气压下的冰点是0 ℃，要想利用水来人工模拟檐涎冰的生长，需将创造低温环境，但这一过程不易实现，成本较高。在寒冷和严寒地区的冬季进行试验是一种选择，但存在着试验时间受限的缺点。因此水不是本试验的理想模拟材料。

不考虑创造低温环境的需求，可转为考虑在常温条件下为固体物质，且加热易熔化的物质作为模拟材料。

石蜡在生活中用途广泛，可用于食品、药品等包装、某些纺织品的表面涂层和蜡烛生产上。石蜡又称晶型蜡，通常是白色、无味的蜡状固体，是烃类的混合物。石蜡没有固定的熔点，通常在47～64 ℃熔化。试验中存在对模拟物质加热熔化的需求，但加热石蜡的温度不易控制，且石蜡易燃烧，燃烧可释放一氧化碳、氮氧化物、醛和未燃烧物及碳氢化合物等有毒物质[8]。另外，石蜡不溶于水，试验过程中不好清理。综合以上两种缺点，石蜡不是本试验的理想模拟材料。

硫代硫酸钠又名大苏打、海波，是无色透明的单斜晶体，常温条件下为固体，有固定的熔点，熔点为48 ℃，对其简单加热即可熔化，在常温下冷却就可慢慢凝固，易于对其固液转化进行控制，对环境温度变化的控制要求较低。同时，硫代硫酸钠可溶于水，易清理，且易获取，价格低廉，是本试验的理想材料。详见表1。

表1 常温条件下檐涎冰模拟材料的筛选

3 常温条件下檐涎冰模拟装置的设计

常温条件下檐涎冰模拟模型的结构设计从发生装置、加热装置两方面展开。

(1)发生装置

发生装置由置物槽、溢流孔及承台组成。置物槽为顶端开口的中空长方体，用于盛放硫代硫酸钠；溢流孔开在置物槽底端，使熔化的硫代硫酸钠流出；承台与置物槽开孔面相连，模拟实际情况下积攒积雪的承台。设置3组大小、材质相同的发生装置，分别固定在横轴上，使3组发生装置能够独立上下旋转，互不干扰，且能固定在某一特定角度，为后续试验设置对照组奠定基础。

(2)加热装置

加热装置采用电热管，利用其升温速度快且温度可控的特点，对硫代硫酸钠进行加热，使硫代硫酸钠达到熔点熔化，固定于置物槽背面底端位置。

(3)试验装置材料的选择

考虑到试验中涉及加热过程，试验装置需具备耐高温的属性，因此选取铁质材料制作试验装置。为防止铁生锈，在试验装置表面需喷涂耐高温耐腐蚀材料。

4 常温条件下檐涎冰发育过程模拟

4.1 常温条件下檐涎冰发育过程试验模拟

由檐涎冰的形成过程可知，积雪在温度变化及重力的作用下，经过溶化、凝固，会在构筑物下缘形成不规则倒立锥体。这一形成过程主要是固态到液态再到固态的二态相互转化的过程。加热硫代硫酸钠至熔化，模拟环境升温导致积雪融化的过程；熔化的硫代硫酸钠经溢流孔流出至承台边缘滴落，在常温条件下硫代硫酸钠慢慢地冷却凝固，在承台下缘形成不规则倒立锥体，模拟寒冷环境中檐涎冰的生长过程。

4.2 常温条件下檐涎冰发育过程模拟试验设计

试验选取承台材质、倾斜角度及风力3种变量。为方便说明，将3组发生装置依次命名为a号、b号、c号。试验后清洗台面上的硫代硫酸钠，保证承台为初始状态。

(1)承台材质对檐涎冰的影响试验

将a号装置设为无风状态，调整承台倾斜角度为15°，将台面划分为3个等宽区域，分别无铺设、铺设细砂砾、铺设粗砂砾，将这3个区域分别命名为a-1、a-2、a-3。加热硫代硫酸钠使其熔化并通过溢流孔沿台面流出，观察a-1、a-2、a-3区域承台下缘檐涎冰形成情况。

试验发现在形成檐涎冰之前，a-1、a-2、a-3区域均会形成一层硫代硫酸钠晶体附着在台面，使台面形成较为光滑的表面，承台材质对檐涎冰的影响非常小。

(2)倾斜角度对檐涎冰的影响试验

保持a号装置不变，上下旋转无风状态下且无铺设的b号装置、c号装置至互不相同的倾斜角度。同时加热三组装置，观察a、b、c号装置承台下缘檐涎冰形成情况。多次改变b、c号装置承台倾斜角度，每组试验间需清洗台面，重新加热硫代硫酸钠，以期减小误差。 试验发现倾斜角度越大，液体流速越大，使液体带有较大的动能，阻碍液体的凝固以及凝固时的附着，进一步影响到檐涎冰的形成。随着倾斜角度的增大，形成的檐涎冰越长。

(3)风力对檐涎冰的影响试验

保持a号装置不变，将b号装置设为有风状态，调整承台倾斜角度为15°，且为无铺设。同时加热a号装置、b号装置，观察a、b号装置承台下缘檐涎冰形成情况。详见图1。 试验发现风力越大，檐涎冰生长越缓慢，但是相应的台面上的固体覆盖量增大。

图1 檐涎冰模拟效果

5 结 论

(1)比较选定硫代硫酸钠为常温条件下檐涎冰模拟材料。

(2)常温条件下檐涎冰模拟装置可以设计为发生装置和加热装置两部分。

(3)通过试验证明利用该装置在常温条件下模拟檐涎冰的生长过程是可行的。