河北张家口地区水利工程防冻害分析

　　摘要：在一些水工建筑物中，出现冻害是一种比较常见的现象，如果不进行及时有效的防护，会给建筑工程造成严重的破坏，本文结合张家口地区水利工程的防冻害问题展开一系列的分析和探讨。

　　关键词：张家口,水利工程,防冻害

　　张家口市崇礼县地处季节性冻土地区，属寒温带大陆性季风气候，冬季干旱漫长，夏季凉爽短暂，春秋多风。多年平均气温3.3°C，多年极端低温-34.1°C，早霜始于9月中旬，晚霜终于5月下旬，无霜期平均103天，最大冻土深度1.47m。本文主要以张家口崇礼县水利工程为研究对象，分析水利工程冻害的成因及防护措施。

　　在修建闸、涵、桥、跌水、渡槽、渠道衬砌等水工建筑物时，设计原则仍是继承和借鉴常规的设计理论，但在使用中，工程冻害现象和破坏的程度及规模相当普遍，有些还很严重。破坏状况有冻结时引起的冻胀、冻技和融化时引起的不均匀下沉及渗透破坏。随着国民经济的发展，研究和探讨对冻土的利用、改造和对冻害的防治，要求在冻土地区修建的水工建筑物，结构安全可靠，技术可行，经济合理，有着特殊的意义。为防止冻害，目前建筑物设计除满足基础承压要求之外，广泛采用冻层以下深基防冻害破坏，无论建筑物大小与等级，一律将基础置于冻深以下。有的工程基础深达2m，60%的工程量埋于地下，这就大大增加了工程量和工程造价，尽管如此，有时也不能完全避免冻害。深基，当然是一种抗冻措施，但不是唯一的措施，应当根据不同的工程性质、等级和地质条件，因地制宜。实践证明，按暖土建筑理论来指导冻土地区工程设计，不但达不到经济合理，而且也保证不了工程的坚固耐用。

　　一、冻害的成因分析

　　水利工程冻害成因有很多，主要分为内因和外因,其中地基土的冻胀、融沉、冰冻及长期冻融循环等是自然规律所产生的破坏作用属冻害的内因;而设计不合理、施工技术不正确和工程管理不好等原因是人为因素,属造成水利工程冻害的外因。

　　(一)水利工程因为地基冻涨、融沉引起的破坏 。地基土中的水冻结成冰时体积膨胀,当这种膨胀足以引起土颗 粒间的相对位移时,就形成冻结时土体积的膨胀,即称之为土的冻胀。 受水利工程基础和侧壁的约束膨胀的冻土会对相应的位置产生较大的法向压应力。另外，由于冰冻作用水利工程基础、侧壁与冻土 产生胶结力,对土的冻胀产生了切向约束作用,在不均匀冻胀的作用 下,对水利工程基础、侧壁产生较大的切向剪应力。这些法向压应力和切向剪应力统称冻胀力。 当冻胀力足以造成水利工程产生不允 许变形或者丧失稳定性时,构筑物则产生冻胀破坏。

　　(二)低温引起的水工混凝土冻融破坏。混凝土的冻融破坏是指水工混凝土建筑物已硬化的混凝土在浸 水饱和及潮湿的条件下,由于环境温度的变化,使混凝土内部的孔隙 水冻结膨胀、 融解松驰产生的疲劳应力而造成的混凝土由表及里逐渐 剥蚀的破坏现象,它是寒冷地区水工混凝土建筑物破坏的主要类型。特别是中小型建筑物,混凝土因冻融作用而产生的剥蚀几乎占100%。冻融破坏主要发生在建筑物的水位变化区、溢流处、取水口及挡土墙 等处。混凝土的冻融破坏从发生原因来看，主要是有以下两个原因引起的：(1)在低温浸水条件下混凝土冻融循环破坏。这种破坏的基本特征是：已硬化的混凝土在低温——常温的循环条件下，混凝土内部的微孔、微裂隙和毛细孔内的水从液态到固态往复循环,经过多次冻结和 融解产生微变形,使混凝土内部逐渐受到损伤。(2)早龄期受冻融破坏。这种破坏的主要特征是：混凝土内部在受 冻之前,没有足够的抗压强度，微孔内和毛细孔内的游离水(105℃可 蒸发掉)冻结,表现为强度的降低以及引起外形的变化。另外，一些工程在秋季停水以后施工，由于混凝土龄期较短气温达到零下而产生冰冻，春季融化后混凝土疏松发生了破坏。还有在冬期施工中掺用一些含盐的防冻剂，这类防冻剂对混凝土的抗冻耐久性能也有不良的影响。

　　(三)水利工程由于冰荷载所引起的破坏。在寒冷地区,冬季河流、水库、湖泊等水域、以及露天水池、输 水渠等都有不同程度的结冰、封冻、解冻的过程,冰层厚度自0.3～ 1.5m不等。在封冻、解冻期间,水工建筑物因受静冰压力或动冰压力 作用而造成破坏,特别是水库、大型蓄水池工程更为严重。4、大型水利工程低温变形引起的破坏大型的水利工程或体形较细长的水利工程(如输水涵洞、渡槽等)在低温的影响下一般会发生较大的线性变形。受地基或其它相连构筑物的约束，并将产生较大的内部应力，从而发生破坏。

　　二、冻害的防护分析

　　水利施工中的防护工程主要为三种，一是地基冻胀防护，二是土工建筑物冻害防护，三是混凝土建筑物冻害防护。

　　水利工程产生冻害的外界条件是负气温和水。细粒土和混凝土孔隙中的水分以及水库水面在负气温下会结冰，产生冻胀和静冰压力;地基土的冻胀使水闸、溢洪道底板隆起裂开，桥梁、渡槽桩基冻拔;混凝土孔隙中的水分冻结融化交替作用可使混凝土严重剥蚀。水库的静冰压力和解冻时碎冰块的撞击会破坏坝体护坡和使水塔等水工建筑物的墩、柱发生歪斜、断裂。

　　三、冻害具体防护措施

　　地基冻胀防护：对建筑物的冻胀性地基，可采取隔断外水补给来源，排除地表水，降低地下水，冬季放干渠道、涵管、渡槽积水等措施;也可在建筑物表面用稻草、炉渣、泡沫混凝土、玻璃纤维、聚苯乙烯泡沫等保温材料覆盖，使土层不致冻结或减少冰冻深度;桩基和挡土墙在冻深范围内的部位涂刷厚2～5mm渣油、低温沥青、润滑油等憎水材料，以减少切向冻胀力。

　　土工建筑物冻害防护：主要表现为临水坝坡、堤坡冻胀隆起和受冰推破坏，以土坝护坡为最。防护冻胀可按反滤原理采用足够厚度的砂砾石料,做好护坡垫层,并用大石块护砌紧密。防止冰推的措施有：①用人工机械破冰，即沿坝线前缘开凿0.5～1.5m宽的不冻水槽,隔断冰压力的传递;②在水下坝坡表面铺塑料薄膜引滑，在冰层内人为造成滑动斜面，使冰层膨胀时沿塑料布所在的斜面滑动，以消减冰压力;③调节水位，根据中国新疆、黑龙江几座水库的经验，控制水库水位一定的升降速度，可消除冰压力破坏。

　　混凝土建筑物冻害防护：在混凝土建筑物水位变化带，易因反复冻融而剥蚀。建设和修补时，可采取提高混凝土抗冻性能的措施，如选用抗冻性较好的水泥和高标号混凝土、降低水灰比、在混凝土中掺塑化剂和加气剂及硅粉等。施工中,要提高混凝土表面的光滑度,如模板涂蜡、铺塑料布或用钢模板等。为防止混凝土建筑物遭受静冰压力、动冰压力的破坏，可采用的方法为：①用机械或人工破冰，使建筑物与水面接触处形成不冻水槽;②用压缩空气吹冰，即通过吹入压缩空气使上下层水强制对流或用潜水泵将温度较高的深层水抽上来，向建筑物正面喷射，维持建筑物周围水面不结冰;③电热法，即用电热管等加热器直接或间接使物体加热，此法效果好，但费用较高，只适用于小面积的门槽边侧和底部。有些国家试验用有机硅和氟化液及其他聚合物涂层减少防护面与冰的冻结力，或用防冻剂使水的冻结温度降至冬季气温以下，达到防冻目的。对于大冰块对建筑物墩、柱、闸孔的撞击破坏，可采取破冰措施减小冰块尺寸，防止大面积碰撞和人工导引冰块过闸等办法减少破坏。

　　结束语：分析地区水利工程的冻害成因，制定相对应的防护措施，积极防护，可有效的延长水利工程的使用寿命，不公节省工程投资，同时能省去大量工程修复的人力物力的浪费。

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