压力的破坏及防护措施

压力的破坏及防护措施

宋卉

宋卉

（吉林省长春市新立城水库管理局，吉林长春130000）

摘要：冰冻对水工建筑物的破坏主要是冰压力造成的，本文介绍了目前已总结出的几种效果良好的防止冰压力破坏的方法及有效经验。

关键词：冰压力；水工建筑物；防护措施

冰压力是冰对水工建筑物表面的作用力，我国北方寒冷地区的大多数水库都存在冰压力对水库水工建筑物的破坏现象。主要部位发生在建筑物与库水面的接触面上，如上游护坡、溢洪道闸门、闸墩及取水塔、隧洞或涵管进口的墩柱等。按《水利水电工程钢闸门设计规范》SDJ13-78的规定，闸门及相关部位不允许承受冰压力，为防止冰压力的破坏，寒冷地区钢闸门应有防冰措施。

1冰压力的产生

冰压力可分为两种：

1.1静冰压力：在寒冷地区冬季水面结冰的厚度自数厘米至1m以上。当温度回升时（仍低于0℃）因冰盖层膨胀对建筑物表面产生的冰压力称为静冰压力，静冰压力的数值与冰厚、开始升温时的气温及气温上升率有关。

1.2动冰压力：冰盖层解冻后，冰块随水流漂移，撞在坝面或闸墩上时产生的撞击力称为动冰压力。

水结冰时，本身体积约增加9%，但是在变成冰的过程中，冰场的压力并不是很大。随着空气温度的降低，冰的温度也下降，并使它的体积变小。与任何固体一样，温度升高冰则膨胀。当阻碍冰场膨胀的时候就产生了作用在水工建筑物上的冰压力。大面积冰层以缓慢的速度接触建筑物后，在闸墩或桥墩前受阻，停滞在其前面，形成冰推现象。墩台受到挤压，冰层破碎前一瞬间将产生最大的冰压力。除此之外，当水位变化时，冻结在水工建筑物上的冰盖可能对建筑物作用着向上或向下的垂直力。正常情况下各种冰压力的合力作用点一般位于一半冰厚处，即位于水面以下0.3倍冰厚处。当水位升降时，使冻结在建筑物上的冰盖对建筑物产生竖向作用力，如水位上升时冰层对土石坝护坡的上拔力、水位下降时冰层对护坡的下拉力等。

2冰压力对土坝的破坏

2.1冰推破坏。冰推破坏是在库水位基本不变或变化不大的情况下，冰层升温膨胀产生的静冰压力将土石坝的护坡推起造成破坏的现象。冰推破坏与坝坡土的冻胀压力大小及护坡的结构形式有关。当坝坡抗冰推强度小于冰层与坝坡间的冻结力和冰推力时，护坡即被破坏；当坝坡的抗冰推强度大于坝坡与冰层的冻结力时，冻结面被剪开，冰层顺坡延伸，形成爬坡，护坡不会产生大面积的破坏。结冰初期，护坡面板较薄及冰面以上护坡较短，护坡未和坝的土体冻结在一起时，冰推作用使护坡沿垫层滑动；当护坡板块不平整和整体性差时，冰推后会出现局部隆起。若为小块混凝土板，则沿水面附近几块被冰推后，因受上部护坡阻挡而出现隆起架空；当冰层较厚，冰压力和冻结力均较大，护坡抗冰推能力较强，这时护坡和冻土一起沿冻融交界而整体上推，有时上部会出现隆起脱空现象。

2.2冰拔破坏。冰层和护坡冻结在一起，库水位上升时，护坡板（块）齿墙等被拔起、旋转或松动。库水位下降时，因冰块与护坡冻结在一起而出现向下弯矩，护坡板翘起齿墙向内倾斜。库水位下降愈快冰拔现象愈严重。特别是当护坡块很小时，表面粗糙及整体性差的预制板、块石护坡等，其冰拔现象更为严重。

2.3动冰撞击破坏。当春季冰盖层解冻时，库内冰裂成块，在水力和风力共同作用下向坝坡涌进，大量冰块被推上坝坡乃至坝顶，导致护坡及防浪墙被撞击破坏。

3冰压力对闸门、取水口的破坏

冬季冰层与闸门牢固冻结后，在天气升温时冰层会产生膨胀压力，当水位升降时会产生上抬或下拉力，由于闸门未考虑冰荷载，这两种力会造成闸门和闸墩超载，对闸门和闸墩均有一定的影响和破坏作用。特别是两种力同时发生时，大大增加了对闸门和闸墩的破坏可能性。闸门和闸墩在超荷载状态下运行，使闸门在冰压力作用下上抬开启和产生一定塑性变形。由于冰压力及弧形闸门水推力联合作用在闸墩两侧牛腿上使闸墩产生拉力，当闸墩所受的拉力大于闸墩所能承受的极限抗拉强度时就会造成闸墩的开裂，并且为垂直裂缝。如果边墩开裂贯穿后会增加绕闸渗流，加大下游排水孔出流量，给下游渠道破冰增加更大的工作量。因此，在冬季必须采取防冰措施，尽量避免或减少闸门和闸墩附近的冰压力，并对闸门和闸墩进行监视，以保证其安全运行。取水塔及通气孔由于受冰压力作用易造成周围压力不平衡，造成取水塔本身及通气孔裂缝或断裂，严重时影响正常供水。

4冰压力的防护措施

水库受冰压力的主要部位有上游护坡、溢洪道闸门、闸墩、输水洞进水口、通气孔等。除在结构上采取防冰加强措施外，对已建工程必须采用防冰冻措施，防止建筑物周边结冰形成冰压力。搅动建筑物周边水面，使周边水流上下层不断交替以形成不结冰带。主要方法有压力充气法、压力充水法、机械式防冰。

4.1压力充气法，是通过压缩空气使水表层和下层强制对流，防止建筑物前的水冻结。官厅水库水电站进口的拦污栅、大伙房水库溢洪道的弧形闸门都采用这种防冰措施并取得良好效果。

4.2压力充水法，用潜水泵把库区内底层温度较高的水抽到水面附近，用上面穿有小孔布设在水面附近的管道进行喷射，搅动和加热建筑物周边的表层水防止结冰。长春市新立城水库正常溢洪道与非常溢洪道弧形闸门、取水塔和内蒙古红山水库溢洪道弧形闸门、辽宁太平哨水电站溢洪道弧形闸门、清河水库溢洪道弧形闸门，多年使用压力充水法防止结冰。

以上两种处理方法设备简单、易安装、维修方便、投资小、效果好，使用较广泛。最优工作状态是允许水工建筑物周边有一层薄冰，避免多余热量向水面以上散失。

4.3机械式防冰，主要以人工或机械进行破冰。在建筑物前开凿0.5～1.5m宽的不冻水槽，隔断冰压力的传递，以减小冰压力。若用人工破冰时要定期定时进行。破冰机械有立铣式和锯盘式两种，都能开凿一定宽度的冰槽和较厚的冰层，破冰速度可达150～200m/h。破冰应选择冰压力对坝坡或溢洪道、闸门破坏最大的时间，由观测资料统计分析，主要是在温度变化剧烈、冰层活动频繁、冰层较薄的冻结初期和温度回升转暖的冻结后期。例如吉林省一般在11月下旬和2月中旬两个时期进行破冰较为适宜。破坏应全线进行，不能破一段留一段，否则易造成压力集中在未破处造成严重的破坏作用。

4.4在结构及管理上采用防护措施。冰冻地区的护破，应有足够的重量，砌筑整体性要好，有较好的表面平整度。在选料时应选抗冻性强的石料，施工时石料应相互咬紧。护坡厚度及块径大小应由抗冻计算确定或参考当地成功经验。混凝土板块的整体性差和重量较轻，厚度大小由冰情及风浪条件确定，在寒冷地区一般应大于20cm。现浇板比预制板抗冰害能力强，板块大小除满足冰情及风浪要求外，还应考虑温度应力。一般坝坡冻胀不均匀性在顺坡方向，常见水平方向裂缝，故现浇板在水平方向可以大些达4～5m；顺坡方向小些，采用1～2m。长春市新立城水库在前坡面冰冻作用区用干砌石水泥浆灌缝和预制混凝土石，运用20年来情况较好。