3.4 海冰
3.4 海冰
在温带和高纬度地区的海洋工程结构物，海冰对结构物的影响将变得非常显著。海冰是海水在寒冷季节气温降至冰点以下后逐步由液态转化为固态的产物，同时伴随着海水中盐分的析出。海冰的破坏作用巨大，在重冰年海冰可封锁海湾和航道、毁坏过往船舶、推垮海洋建筑物，构成严重的海洋灾害。海冰对海洋工程建筑物的作用力是寒冷海域工程设计的主控荷载之一，建筑物所受到的海冰作用力不仅取决于建筑物的尺寸和结构型式，而且与海冰的物理力学特性密切相关。
3.4.1 海冰结构与类型
海冰是海上出现的所有冰的总称，包括由海水直接冻结而成的冰和源于陆地的淡水冰（河冰、湖冰和冰川冰等）。海冰一般由固态的水（纯水）、多种固态盐和浓度大于原生海水浓度而被圈闭在冰结构空隙部分的盐水包组成。在纯冰形成过程中，海水中的盐分被析出并转移至下方。盐水包是造成在相同温度下海冰强度低于淡水冰强度的主要原因。尽管冰是一种晶体材料，但单个冰晶体的外形和尺寸相差很大，形状上可能呈片状、板状或柱状，尺度可由1mm至几厘米不等。当冰晶格有序排列时，冰的变形和强度通常是各向异性的。
就海冰的结构形态而言，海冰的上表层一般由细小的粒状冰晶组成，厚度取决于结冰时的海况。其下为过渡层，厚度由几毫米至2cm左右，冰晶体具有沿生长方向变长的趋势。再下面为冰排的基本结构层，亦即柱状冰层，冰的晶体明显地沿生长方向变长、冰的晶格对称轴位于与水面平行的平面内［11］。
冰是由氢离子（H+）和氧离子（O2-）组成的六方形晶体，晶体与晶体之间的排列随着冰冻过程的发展而变化。海冰在形成过程中经历多种变化阶段，呈现不同的状态特征。处于不同结冰时期的海冰具有不同的结冰特点。根据不同的分类依据和标准，可以将海冰分为各种类型。通常采用的海冰分类依据包括成长过程、表面特征、晶体结构、运动形态、密集程度和融解过程等，不同分类依据下包含的海冰类型如表3-4所示。
表3-4 海冰分类[12]
由于海冰的分类标准和类型较多，为了便于理解，工程中常用的海冰类型和定义有以下方面：
（1）浮冰，指冰体不与海岸、岛屿冻结在一起，随风、流、浪等水温气象因素而漂泊的冰。
（2）固定冰，指不随风、流、浪等水温气象因素而流动，但可以随潮汐的涨落作升降运动的冰。
（3）饼冰，指冰体的直径小于3m，厚度小于5cm的冰。
（4）冰皮，指厚度大于5cm的冰。
（5）板冰，指冰体厚度在5～15cm时的冰。
（6）厚冰，指厚度大于30cm的冰。
（7）重叠冰，指在浮冰中的重叠冰，冰层相互重叠，层次分明，重叠面的倾斜度不大。
（8）堆积冰，指在风、浪、流的作用下，冰块杂乱地重叠堆积在冰面上，呈直立或倾斜状态。
3.4.2 海冰物理力学特性
由于海冰的力学强度比海上结构物的材料强度要小得多，因而海冰作用在结构物上的冰压力主要取决于海冰自身强度。海冰强度除了与其温度、含盐度和结晶构造有关外，还与冰的加载速度等相关［7］。
1.海冰的物理特性参数
海冰的物理特性参数包括海冰密度、温度、盐度和比重等。
海冰密度指单位体积海冰的质量，主要取决于海冰的温度、盐度和冰内气泡的含量。渤海和黄海北部平整冰的密度通常为750～950kg/m3，集中分布在840～900kg/m3。堆积冰的密度减少5%～15%。海冰密度在垂直方向上的变化不明显。
海冰的温度指冰内部的温度。渤海和黄海北部平整冰的表层温度通常为-2～-9℃，多集中于-3～-5℃。有时表层冰温可用海上日平均气温代替。表层20cm以下的海冰温度基本不变，为-1.6～-1.8℃。冰层的温度主要受气温、冰厚和冰的热传导系数等因素控制，工程中常采用等效冰温来确定这些因素的综合影响。
海冰的盐度指海冰融化成海水所含的盐度，其高低取决于形成海冰的海水盐度、结冰速度和海冰在海中生存的时间等。渤海和黄海北部平整冰的盐度通常为3.0～12.0，集中分布于4.0～7.0，河口浅滩附近海冰的盐度集中于1.0～4.0。
冰的比重比较稳定，典型值在0.88～0.92之间。
2.海冰的力学特性参数
当进行海冰对结构物作用力计算时，对于具有垂直外表面的结构物冰压力计算，需要掌握冰的抗压强度参数，而一些有锥形外缘的结构物，则需要了解海冰的抗弯强度参数。海冰的力学特性参数包括海冰的抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、弹性模量和摩擦系数等。
海冰的抗压强度是最重要的海冰力学特性参数，其大小与众多变量有关。海冰抗压强度与海冰的密度相关，海冰密度增大时其冰质愈坚硬，抗压强度愈大。抗压强度还与海冰温度有关，当冰的温度降低时，冰质坚硬，冰的抗压强度就相应增大。随着冰温下降，海冰内盐水滴中的一部分水离析出来而冻化，盐水滴尺寸变小，冰的强度和弹性刚度提高。冰温的变化对冰极限抗压强度的影响比较明显，大体上从0℃开始每下降10℃，冰的极限抗压强度增加一倍。抗压强度还与海冰的盐度有关，海水中含盐量越高，强度和弹性刚度参数越低。冰的盐度愈大，其抗压强度越低。
海冰的抗压强度还与加载速度有关系。所谓加载速度是指冰层对建筑物产生挤压作用的速度，在自然条件下作用于建筑物上行进的冰速范围较大。实验表明，当加荷速率增快时，抗压极限强度明显降低。加荷速率快、慢不同，抗压强度可相差2～3倍。当海冰在风和潮流的携带下，随着潮流的变化，冰层对建筑物的挤压力也在变化。
海冰抗压强度沿着冰厚在竖向分布上并不均匀，冰体上部的强度大于冰体下部的强度，工程中采用冰体强度垂直分布的平均值。除此之外，建筑物形状对抗压强度也有影响，建筑物（墩柱）形状的不同，可使冰块接触应力状态发生变化，从而直接影响着极限抗压强度，尤其是尖角形建筑物，会降低冰极限抗压强度。
与海冰的抗压强度不同，海冰的抗拉强度与加载速率、冰的孔隙度和海冰温度等没有很强的依赖关系。对于淡水冰抗拉强度可达2MPa，对于海水冰抗拉强度可达1MPa。对于柱状冰，其抗拉强度与其加载方向有关，沿柱状方向的强度是沿垂直于该方向强度的4倍。
海冰的抗弯强度是在弯矩作用下，海冰因受拉而破坏的强度。海冰受弯时将引起中和轴的偏移，海冰的弹性性能取决于中和轴沿冰厚的位置，因此当采用冰的弯曲试验来推算海冰的抗拉强度时应慎重。一般情况下，海冰的弯曲强度约为抗压强度的0.23～0.40倍。在缺乏实测资料时，平整冰的弯曲强度可近似计算为［13］
式中 σf——平整冰的弯曲强度；
V b——平整冰盐水体积；
S t——平整冰盐度；
T 1——平整冰温度，且适用范围为-22.9～-0.5℃。
当冰的变形过程不是纯弹性时，冰的弹性模量取决于其加载速率，通常使用有效弹性模量来描述冰的这一特性。在准静力速度下，海冰有效弹性模量在3～5GPa之间，当加载速率很慢时，有效弹性模量可低至1GPa。除非在设计中考虑冰的弯曲和屈曲，否则冰的弹性模量对海洋结构物的设计影响不大。
冰的泊松比在声速时为0.25，在准静力工程荷载时为0.3，在长期蠕变荷载作用下约为0.5。很多作用对海冰的泊松比并不敏感，对于准静力弯曲和屈曲，泊松比约为0.3［11］。
3.4.3 我国冰情与分布
我国近海的海冰，仅在冬季出现于渤海和北黄海沿岸。山东半岛的黄海沿岸，除个别深入陆地的海湾外，一般都不结冰。由于地理位置不同和气象条件等的影响，我国海冰的冰期、冰情等有明显的区域差异和时间变化。海冰有与岸冰冻结在一起的固定冰，也有随着风和流漂移的流冰，还有重叠冰、堆积冰等。我国海冰属于一冬生消的“一年冰”。
辽东湾的初冰日最早，一般在11月中旬；终冰日最晚，一般在3月下旬；冰期最长。辽东湾内部也有区域差异，在北部东岸年平均冰期（鲅鱼圈127天）比西岸（葫芦岛98天）长，而在该海域南部却是西岸（秦皇岛105天）比东岸（长兴岛67天）长。莱州湾冰期最短，如龙口年平均仅62天，最长纪录97天。渤海湾冰期居于二者之间。黄海北部的冰期各地差异较大，如大鹿岛平均长达124天，而小长山岛平均只有32天。
固定冰主要出现于辽东湾，冰期一般在60～70天，其北部区域可能更长，如营口年平均为119天，最长曾达127天。固定冰宽度可达2～8km。
根据渤海、北黄海常冰年的冰情分布情况，盛冰期中渤海和黄海北部沿岸固定冰的宽度多在0.2～2km之间。冰厚在北部多为20～40cm，最大约60cm；南部约10～30cm，最大约40cm。渤海流冰外缘线，除辽东湾大致沿10～15m等深线分布外，辽东湾流冰外缘线离湾顶约120～150km。流冰漂流方向与岸平行，或与最大潮流方向接近。
冰期内，由于天气转暖或因潮、流、风作用下，海冰漂移他处，使能见海域内观测不到冰，从而出现冰期内的“无冰日”。冰期内无冰日最多的海域是渤海湾，可占52%；其次是莱州湾，约为33%；再次为黄海北部，约占13%；最少的是辽东湾，仅为12%。这说明某些海区容易出现流冰。
以上为常年冰情分布，而冰情的年际变化不容忽视，我国将渤海和北黄海的冰情分为5个等级，即轻冰年、偏轻冰年、常冰年、偏重冰年和重冰年。表3-5和表3-6分别给出了我国冰情等级的一般范围和一般最大冰厚。
表3-5 我国海冰冰情等级（冰界）［14］
表3-6 我国海冰冰情等级（冰厚）［14］
就我国海冰的整体空间分布而言，存在以下特点：渤海北部冰情重于南部；海岸附近冰情重于海中；辽东湾东岸附近冰情重于辽东湾西岸附近；莱州湾西岸附近冰情重于莱州湾东岸附近；黄海北部鸭绿江口附近的冰情较重，沿辽东半岛南岸往西，冰情逐渐减轻；深水区以及渤海中部海区，冰主要是由岸边漂移来的，重冰年时可以生成尼罗冰。
就我国海冰的整体时间变化而言，渤海和黄海北部海冰随时间变化的特点为：
（1）日变化明显。由于受气温、风和潮流的影响，一日内常常出现早晨有冰，下午无冰，涨潮时有冰，退潮时无冰，以及向岸风时有冰，离岸风时无冰的情况。这种情况在初冰期和终冰期内尤为明显。
（2）日际变化明显。冷空气过境，特别是寒潮侵袭期间，海冰会突然增多、加厚，冷空气或寒潮过后，随着气温的回升，海冰又会融化或流往别处，从而出现几天冰重，几天冰轻的情况。
（3）年变化明显。海冰经历生成→发展→相对稳定→融化消失的过程，即通常所称的初冰期、盛冰期和终冰期。初冰期较长，可达50天；盛冰期长短随年际而变化，是一年中冰情最严重的时期；终冰期很短，仅5～7天。
（4）年际变化（多年变化）明显。由于冬季气候的变化，渤海和黄海北部的冰情各年不同；在极暖的冬季，渤海的结冰面积在15%以下；而在严寒的冬季，结冰面积占渤海总面积的80%以上。
就我国海冰的整体类型分布而言，盛冰期间各海区海冰的类型分布为：辽东湾以灰白冰、灰冰和白冰为主；黄海北部以灰白冰、灰冰和初生冰为主；渤海湾以灰冰、灰白冰和尼罗冰为主；莱州湾以灰冰、灰白冰和初生冰为主。除此之外，辽东湾北部和东北部以及渤海湾西部和南部容易出现重叠冰和堆积冰。