浅谈王圪堵水库工作桥的冰冻破坏与防护

张 斌

(陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 710001)

1 工程概况

王圪堵水库位于陕西省榆林市横山县城关镇西北12 km。多年平均气温 8.6℃,极端最低气温 -27.8℃。初冰时间一般为 10月中旬到 11月中旬,终冰时间为 3月中旬到4月中旬;封冻时间为 12月上旬到 3月上旬,解冻时间为1月上旬到 3月中旬;流冰开始日期为 10月中旬到 1月上旬,流冰终止日期为 3月中旬到 4月中旬。最大冻土深为1.3m,岸边最大冰厚 0.9m,河心最大冰厚为 0.67 m。工作桥为枢纽次要建筑物,按 3级建筑物设计。工作桥上部采用T型简支梁桥。桥墩采用圆形重力墩,直径为 1.8m,最大高度为 21m。桥基础置于弱风化岩上,基础高 2m。

2 冰对桥墩的影响

冬季水库水面结冰后,冰对桥墩的主要作用力包括静冰力和动冰力两个重要部分。静冰力指在冰的生长过程中及冻结后,冰和冰盖对结构物的静冰挤压破坏作用;动冰力指在风、流驱动下运动的冰块对结构物的冲击、摩擦作用。

根据王圪堵水库工作桥的位置和水库的特性,在封冻季节影响桥墩的主要因素是冰对桥墩的静冰力作用。而作用在桥墩的静冰荷载有三种。它们分别是：

(1)巨大冰层包围桥墩,在风和潮流作用下,冰层对结构产生静压力,如果结构强度足够高,则冰层会被建筑物切入或割裂而移动;

(2)冬季昼夜温差剧烈时,整体冰层膨胀对结构产生挤压力;

(3)冰层与桥墩冻结在一起时,冰层因水位下降而产生向下的附加重力,冰层因水位上升而产生的向上的上拔力。

2.1 桥墩冰压力的计算

根据王圪堵水库的工程特性,冰层对结构的影响主要是静冰压力,冰层的静冰压力作用于冰面以下 1/3冰厚处。根据王圪堵水库工作桥桥墩的形式和尺寸,由《水工建筑物抗冰冻设计规范》SL211—2006作用在墩柱上的冰压力按下式计算：

式中：Fp1为计算冰压力值(KN);m为墩柱前沿的平面形状系数,圆形为0.90;fib为冰的抗挤压强度,流冰初期 0.75 MPa,后期取 0.45MPa;δi为冰厚度,取 0.10 m;B为在冰作用高程处的墩柱前沿宽度,计算为 1.80m;

计算结果见表 1

表1 冰压力计算成果表

2.2 桥墩的稳定验算

1)抗倾稳定计算公式如下：

式中：∑M稳为稳定力矩,2519.1 KN◦m;∑M倾为倾覆力矩,724.0KN◦m;

2)抗滑稳定计算公式如下：

式中：f为基础底面与地基土摩擦系数,按岩石基底,取0.50;∑P竖向力之和,2400 KN;∑T为各水平力之和,47.6 KN;

根据计算,K0=3.7＞[K0]=1.50,Kc=9.90＞[Kc]=1.50,满足要求。

3)桥墩基础承载力验算

基础底最大与最小应力采用下式计算：

式中：∑P为竖向力之和(KN);W为截面模量;

根据计算,基础截面最大应力为 218.25 KN/m2,最小应力为 12.52 KN/m2。本工程基底位于强风化线以下约1.0m,地基承载力为 600 KN/m2,因此,桥墩基础满足地基承载力要求,且未出现基底拉应力。

2.3 桥墩采取的防护

由于水库位于寒冷地区,根据工程水文资料,水库冬季结冰厚度为 0.9m,计算桥墩侧向冰推力 1 093.5KN,按水库设计水位 1 046.0m计算,冰推力矩为 19 788 KN◦m。如考虑冰推力,桥墩采用超常规的结构尺寸亦难以满足抗冰推力要求。因此,根据桥墩的稳定性验算值。笔者根据不同的冰厚值,得出了不同的稳定性验算值,这里具体计算简略。得出当冰的厚度达到 0.1m时,工作桥的稳定达到临界值。也就是说,当冰的厚度大于 0.1 m时,冰层将对工作桥产生较大影响,需要采取措施。因此,设计项目组结合陕北地区水库的运行经验和王圪堵水库枢纽的运行管理情况,在王圪堵水库枢纽冬季运行过程中,设计要求当桥墩周围的结冰厚度超过 0.1 m时,管理部门必须采取人工破冰措施,将桥墩周围的冰盖层敲碎,以保证桥墩安全避免水库冬季结冰对桥墩的破坏。

3 冰冻破坏的机理分析

冰冻对建筑物的破坏主要有两方面原因组成：一方面是当昼夜气温变化较大时时,建筑物外部的水凝结成冰,冰层膨胀受到冰层与桥墩间的冻结约束,此时桥墩周围受到冰层的挤压与剪切,冰层的挤压与剪切对桥墩产生破坏。另一方面是建筑物内部吸水饱和的混凝土在其冻融的过程中,遭受的破坏应力主要由两部分组成。其一是当混凝土内部存在渗水孔隙,孔隙中又有水,当水凝结成冰时体积膨胀 9%,产生膨胀压力,作用在孔隙或毛细管壁上;其二是混凝土在冻结过程中,还可能出现过冷水在孔隙中迁出。在混凝土中形成渗透压力,也作用在管壁上。这两种压力会损伤混凝土内部微观结构,当经过反复多次的冻融循环以后,损伤逐步积累不断扩大,发展成互相连通的裂缝,使混凝土的强度逐步降低,最后甚至完全丧失。从实际中不难看出,处在干燥条件的混凝土显然不存在冻融破坏的问题,所以饱水状态是混凝土发生冻融破坏的必要条件之一,另一必要条件是外界气温正负变化,使混凝土孔隙中的水反复发生冻融循环,这两个必要条件,决定了混凝土冻融破坏是从混凝土表面开始的层层剥蚀破坏。

4 冰冻破坏的防冻措施

通过几年的工作经验积累和针对冰冻破坏的机理分析,总结了主要从两个方面进行建筑物的防冻措施：一方面是严格混凝土制作配合比,一定要根据结构类型和所处的环境条件,试验确定关键参数,主要是降低混凝土的水灰比,水泥水化所需水分仅为其重量的 25%左右,若水量加多,则多余的水就游离析出,产出孔隙,饱和后易受冻胀破坏;另外掺入引气型外加剂是提高混凝土抗冻性最有效的途径之一。另一方面主要通过干扰动静止水面的方法进行防冻破坏,可采用以下几种方法：

①人工敲冰方法：冬季当冰的厚度达到一定程度时,采用人为的方法在桥墩周围进行敲冰碎冰,以减小冰层对桥墩的推力和弯矩。

②挠动水面防冻法：通过在桥墩周围水面以下安装穿有小孔管道,再将管道接到潜水泵上进行喷射,使桥墩周围形成挠动的水面以防止桥墩周围结冰。此法可以也可以选用充气或者温度较高的水进行操作。

③加热防冻法：有热风法、电热法和热水法热风法,是通过喷风管上的大量小孔,将热风送到加热部位,此法防冻效果好,维修容易,但设备费用高,用电量大。

5 结语

对于水工建筑物混凝土冻融破坏,应坚持防重于治,首先根据混凝土所处的环境,合理进行配合比设计(水泥品种的选择、外加剂的选用等等);其次是严把施工质量关,加强工程运行中的养护管理,发现冻融破坏及时采取防范保护和修补措施,以延长工程的使用寿命。目前水库建筑物的防冰防冻害问题在寒冷地区越来越受到重视,有许多科研单位都在进行研究与探索,随着工程管理工作的深入,将会有更多更好的经验得到运用和推广。

[1]中华人民共和国水利行业标准 水工建筑物抗冰冻设计规范(SL211-2006)中华人民共和国水利部.

[2]林继镛,王光纶.水工建筑物(第 5版).中国水利水电出版社,2009.5.

[3]孙江岷,李桂兰,钱希仁等,高寒地区湖泊水库冰盖板对护坡工程的破坏作用与对策.