海洋工程环境学7(14-15)kj-上海交通大学

海冰概述
渤海和黄海北部海冰分布的卫星图片
5.冰情划分
用于比较和反映海上结冰的轻重及影响程度
一般指结冰范围、海冰厚度、海冰类型及其分布等. 根据我国海区的结冰特点，我国依据冰区范围和海冰厚 度将海域冰情划分为五个等级。 1. 2. 3. 4. 5. 轻冰年 偏轻年 常年 偏重年 重冰年
我国冰情等级(按冰区范围与冰厚cm)
海冰物理力学特性
若干实验结果
1.抗压强度σc: 影响因素： • 海冰类型 • 温度 • 盐度 • 密度 • 加载速率 • 加载方向等
海冰物理力学特性
加载率对抗压强度的影响很大
低加载率时，海冰抗压强度随加载率的增大而增大，呈
现韧性破坏。
加载速率增加到一定值和强度达到最大值后，随加载率
的增大而海冰强度在减小，这时的海冰呈现脆性破坏。
辽东湾(海里) 渤海湾(海里) 轻冰年 <35 <5 莱州湾(海里) <5 黄海北部(海里) <10
偏轻年
常年 偏重年 重冰年
35-65
65-90 90-125 >125
5-15
15-35 35-65 >65
5-15
15-25 25-35 >35
10-15
15-25 25-30 >30
辽东湾 辽东湾 渤海湾 渤海湾 莱州湾 莱州湾 黄海北部 黄海北部 一般 轻冰年 偏轻年 常年 偏重年 重冰年 <15 15-25 25-40 40-50 >50 最大 30 45 60 70 100 一般 <10 10-20 20-30 30-40 >40 最大 20 35 50 60 80 一般 <10 10-15 15-25 25-35 >35 最大 20 30 45 50 70 一般 <10 10-20 20-30 30-40 >40 最大 20 35 50 65 80
海冰的形成过程
1.海冰的盐度与密度
取决于海水盐度、结冰速度等 结冰过程是其中的纯水结成冰晶，而将所含盐分排析出， 未来得及排出部分则形成盐水泡，还含有气体。 盐分离析需花费更多热量 海冰的盐度随冰厚增加而减小，冰龄越长，冻结得越厚 则冰层中的平均盐度越低。密度越小。
海冰的形成过程 3.冰点、最大密度温度与含盐量
海冰概述
1.南极和北极
北极：终年被海冰覆盖，覆冰面积3～4月最大，约占北半 球面积的5%；8～9月最小。多年冰的厚度一般为3～4m。
南极：世界上最大的天然冰库，周围海域终年被冰覆盖， 9月达（18～20）×106km2，3～4月为（2～4）×106km2。
2.海冰灾害
指海洋中出现的严重冰封，对海上交通运输、生产作业、 海上设施及海岸工程等所造成的灾害。
FH =I Kσc D H I：嵌入系数； K：接触系数； D：桩柱直径或与海冰接
触的宽度
海冰作用力
前苏联Korzhavin提出的单层冰挤压破坏冰力计算公式： FH =I m Kσc D H I：局部挤压系数，（=2.5，若冰排宽度>15D）； M：形状系数，分别取值0.86(方柱)和1.0(圆柱)； K：接触系数，取值0.45~0.7。
海冰的形成过程
按运动形态划分
固定冰：与海岸、岛屿或海
底冻结在一起的冰。随潮汐 涨落作升降运动。
流(浮)冰：不与岸域冰结，
自由浮在海面上，随风、流 等漂移。
海冰的形成过程
按外形划分

平整冰 重叠冰 堆积冰 冰丘 冰山
第三节
海冰物理力学特性
海冰物理力学特性
海冰物理力学特性包括冰的晶体 结构、厚度、含盐度、抗压强度、 抗弯强度等 有明显的区域性 作用在结构物上的冰压力主要取 决于海冰自身的强度极限 海冰的破坏强度=海冰作用在结构 的最大静冰力
海水的冰点与最大密度温度是盐度的函数，与含盐量成 反比关系。
海冰的形成过程
4.海冰类型
按结冰过程的发展阶段：
初生冰：最初形成的海冰，针状或薄片状的细小冰晶；大量冰晶凝结， 聚集形成粘糊状或海绵状冰。 尼罗冰：初生冰继续增长，冻结成厚度10cm左右有弹性的薄冰层，易弯 曲，易被折碎成长方形冰块。 饼状冰：破碎的薄冰片，外力作用下互相碰撞、挤压，边缘上升，形成 直径30cm~3m，厚度10cm左右的圆形冰盘。 初期冰：由尼罗冰或冰饼直接冻结形成，厚约10～30cm的冰层。多呈灰 白色。 一年冰：由初期冰发展而成的厚冰，厚度30cm~3m。时间不超过一个冬 季。 老年冰：至少经过一个夏季而未融化的冰，表面比一年冰平滑。
2.
3.
4.
限抗压强度小于结构物的应力而被破坏。 海冰弯曲破坏：当海冰沿结构物的倾斜面作用时，海冰 抗弯强度小而受弯破坏。 海冰屈曲破坏：当厚度较小的薄冰与结构物发生挤压时， 海冰丧失稳定性而被破坏。 剪切破坏、劈裂破坏、剥落破坏、蠕变破坏
海冰作用力
2.直立桩柱上的海冰作用力
海冰的水平挤压力FH：风或海流等作用下的危险受 力，对平台的直接作用最大。
桩柱截面形状 半圆形 450(夹角为2α) 形状系数m 0.9 0.6
600
750
900
1200
1800 1.0
0.65 0.69 0.73 0.81
海冰作用力
4.海冰对锥形结构物的作用力
海冰作用于倾斜结构时，冰排将沿斜面上移而弯曲， 海冰将以受弯形式先发生破坏。
在海冰作用区采用锥形形式有利于减小海冰作用力
4.弹性模量E: 是温度、盐度等的函数. • 随温度降低而增大，随盐水体积的增大而减小。 • E =0.8～2.6 GPa(压缩)， E =0.2～0.8 GPa(弯曲) 。 • Vaudrey经验公式： E=5.32(1-0.077 VB1/2)
第四节
海冰作用力
海冰作用力
1.海冰的破坏形式 1. 海冰挤压破坏：当海冰垂直作用于桩柱时，因海冰的极
6.我国海冰特点
一年冰
有初冰期、盛冰期、终冰期三个时期
海区 辽东湾北部 渤海湾北部 莱州湾 黄海北部 初冰期 11月中旬 11月下旬 12月上、中旬 12月上旬 终冰期 冰期(月) 冰区范围(n mile) 3月底 3月中旬 3月中旬 3月中旬 4 3 3 3 10~30 5~20 3~15 10 冰厚(cm) 15~40 最大100 20~40 10~30 10~30
7.渤海海冰灾害
1968~1969年冬季，渤海发生特大冰封，损失巨大。“海 二井”石油平台被摧毁，“海一井”平台支座拉筋全部 被海冰割断。
1977年2月，“海七井”烽火台在渤海湾被海冰推倒。
8.加强海冰研究的重要性
对于结冰区的海岸和近海工程，海冰作用力是结构物设 计的控制载荷之一。
海冰作用力大小不仅取决于结构物的尺度和结构形式， 还与海冰的类型、几何尺度、冰速、冰向、冰的物理力 学性质等密切相关，并与海冰的破坏形式有关。 应加强对海冰力学性能研究
封锁港口和航道，破坏运输船舶和海洋工程设施，影响 海上运输安全和工业、渔业生产。
海冰灾害
海冰的破坏事件时有发生
加强监测，及时预警，减轻灾害。
海冰灾害
寒冷海域须考虑海冰载荷
美国两座采油平台受海冰作用而倒塌 航道灯标被海冰推到 “海二井”石油平台被海冰摧毁，“海一井”平台支座
拉筋全部被海冰割断。
“海七井”烽火台在渤海湾被海冰推倒
海冰灾害
海冰预报国家海洋预报台 2005年02月27日18时发布
预计: 2005年3月上旬渤海及黄海北部冰情接近常年 辽东湾浮冰范围50-60海里，平整冰一般冰厚5-15厘米， 最大30厘米，海冰类型以冰皮、尼罗冰和灰冰为主； 渤海湾浮冰范围小于5海里，海冰类型以冰皮为主； 黄海北部浮冰范围5-10海里，平整冰一般冰厚5厘米左右， 海冰类型以冰皮为主； 莱州湾基本无冰
海冰物理力学特性
2.抗弯强度σ f:
与σc类似，但缺乏完整的试验资料。 主要因素表现为随温度降低而增强，随盐水体积的增大 而减弱。 Vaudrey（1975）建议： Dykin（1971）使用：
海冰物理力学特性
3.剪切强度:=0.5 σ c
9.海冰的研究手段
现场观测
实验研究 理论研究
10.海冰热量收支
海水的反射率平均只有0.07
海冰可高达0.5~0.7
第二节
海冰的形成过程
海冰的形成过程
海水冻结而成的冰称为海冰
形成条件：海水温度降至冰点并继续失热，相对冰点稍 有过冷却现象并有凝结核存在。
海冰内部是六方型晶体排列组成 冰不与其它物质混杂结晶
海冰的撞击力FI
海冰的垂向附着力FU 海冰的重力FG 还有气温剧变时整个冰层膨胀挤压的膨胀力及与结 构物间的摩擦力等
海冰作用力
3.几种计算海冰水平挤压力的公式
美国(API.1979)：
FH =Cσc H B
系数C=0.3～0.7；σc：海冰抗压强度； H：冰厚；B：构件在海冰上的投影宽度 美国(API.RP2N)：
正倒锥组合体形式
海冰作用力
5.冰振现象
冰振普遍存在，会引起强度与疲劳问题。 对冰速十分敏感，冰速是影响结构产生自激振动的重要 因素。 与结构的变形密切相关，柔性结构更易发生自激振动。 桩腿直径越小越易发生自激振动，冰越厚也越易发生。
谢 谢！
3.海冰对我国的影响
渤海及黄海北部，我国纬度最高的海区。 每年11月底，冬季寒潮开始侵袭渤海和黄海北部，由北 向南沿岸开始结冰，次年2~3月由南向北逐渐消失。 辽东湾是我国冰情最严重的海区，结冰时间最长，结冰 厚度最大。
吉林市今冬第一场大雪 2007.11.19
4.海冰预警启动标准
辽东湾单层冰厚达到30厘米；浮冰外缘线达到70海里， 且在未来5天内海冰预计将增长15海里以上时。 黄海北部单层冰厚达到25厘米；浮冰外缘线达到25海里， 且在未来5天内海冰预计将增长10海里以上时。 渤海湾单层冰厚达到20厘米；浮冰外缘线达到30海里， 且在未来5天内海冰预计将增长10海里以上时。 莱州湾单层冰厚达到20厘米；浮冰外缘线达到20海里， 且在未来5天内海冰预计将增长10海里以上时。 达到以上条件之一，启动海冰应急预案，发布海冰警报。