水工建筑物抗冰冻的有效措施

魏希宝

(黑龙江省泥河水库管理处，黑龙江 兰西 151500)

1 保温措施

负气温是产生土体冻胀的主要影响因素之一。保温措施是利用保温材料或利用水层改变负气温与土体的热交换条件，减少土的冻结深度或改变基土或回填土温度场的形状，从而达到削减或消除土体冻胀的方法。

2 排水、隔水措施

水是引起冻胀的因素之一。土体处于干燥状态时，在负温作用下地基土不会冻结，而形成“寒土”。当含水量低于起始冻胀含水量时，地基土虽然冻结，但不会发生冻胀，甚至出现冻缩现象。若能设法降低地基土的冻前含水量且能切断冻结过程中的外来补给水源，就能削减乃至消除地基土的冻胀。

2.1 衬砌渠道

1)排水措施。当冻融层或置换层下不透水或弱透水层较薄，深层地下水埋深大于工程设计冻深时，可在渠底每隔10～20 m设一眼盲井，使冻融层或置换层与地下水连通。当渠床的冻融层有排水出路时，可在工程设计冻深底部设置纵、横向排水暗管，把渠床冻融层中的重力水或渠道旁渗水排出渠外。对冬季输水的衬砌渠道，当渠侧有旁渗水补给渠床时，可在最低运行水位以上设置反滤排水体，排水口设在最低行水位处，将旁渗水排入渠内，避免浸湿渠床。

2)隔水措施。当地下水深埋且无旁渗水补给时，可在衬砌体下铺设聚乙烯薄膜或土工膜;衬砌体与膜料间可用25号水泥砂浆做过渡层。

2.2 板型基础

无防渗要求的板型基础排水措施与衬砌渠道相同。隔水措施主要是土工膜封闭法，这是一种消除地基冻胀的有效方法。是将天然地基进行开挖、晾晒、脱水至塑限含水量后回填，回填时利用土工膜进行隔层封闭处理而形成的一种人工地基。

封闭平面范围是沿基础平面轮廓线向外加大0.5 m。回填土料每隔层土厚0.3～0.5 m，含水量宜低于0.8倍塑限含水量，干密度不低于原基土天然干密度的1.05倍。各封闭层必须保证严密、不透水;基础侧面应采取削减切向冻胀力措施。

2.3 挡土墙

2.3.1 排水措施

在满足渗径要求的条件下，挡土墙应设置排水孔。

1)一般排水法:排水孔部位应设置反滤层，墙后土为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级和有地下水时，宜在冻前地下水位以下设置斜卧式或水平式排水体，并与排水孔连通。

2)特殊排水法:当回填土的冻胀性属Ⅲ类以上时，在自墙体前地面工程设计冻深范围内的墙后回填土中，自墙顶起每隔50～100 cm厚土层下，设一层20 cm厚的卵石排水层，排水层宜用土工布作反滤并与集水井管连通，集水井直径≥30 cm。

2.3.2 隔水法

隔水回填要求同板式基础，隔层封闭范围同置换法范围相同。

3 冻胀性地基改良措施

地基土质是决定地基冻胀敏感性的内部因素;而水分、温度和压力条件则是决定地基冻胀敏感程度的外部因素。影响冻胀敏感性土质条件主要包括地基土的物理、化学成分、土的颗粒组成和土的密度。消除地基土冻胀的措施主要有物理学法、换填法和动力法。

3.1 置换法

对衬砌结构、板型基础、挡土墙等结构均可采用置换法削弱或消除地基冻胀。当地或附近有较丰富和适宜的非冻胀性土时，可采用非冻胀性土置换渠床、基础下及挡土墙后的冻胀性土。当置换层有被淤塞危险时，应设置反滤层;当置换层饱水时，要有通畅的排水出路。置换平面范围应沿基础轮廓线向外加大50 cm。置换的地基在冻结期内必须有通畅有效的排水条件。对挡土墙在满足渗径要求的条件下，可采用非冻胀性材料做墙后回填土。

3.2 动力法改良地基

动力法改良地基是利用强大的动力预先将地基土高度压密，使地基的孔隙率压缩到最低限度，极大地降低土的含水量和渗透系数，并使冻结时的水分迁移几乎不可能发生，从而减小或避免地基冻胀。目前常用的有强夯法和压实法。

强夯法是使数十吨的重锤，从几十米的高处自由落下，对土体进行强力夯实。一般采用50～800t·m的冲击能使土中出现冲击波和很大的应力，造成土中孔隙压缩或土体局部液化，夯击点周围产生裂隙，顺利地逸出孔隙水，使土体迅速固结。

压实法是用碾压机械压实土体，提高地基黏性土的密度。

3.3 物理化学法改良地基

1)人工盐渍化改良地基。在地基土中加入适量的可溶性无机盐，提高孔隙水盐分浓度，使土壤盐渍化，从而降低土的冻结温度，抑制水分迁移，把冻胀性土改良为非冻胀性土。

2)掺入增水剂改良地基土。在土中加入增水性物质，使土颗表面活性收敛，冻结时就可以避免水分迁移，从而减少或消除地基冻胀，达到改良地基冻胀的目的。

3)凝固加固法改良地基土。采用胶凝材料或聚合剂将高度分散状态的地基土胶结成固状态或聚合成大的团粒状态的坚实地基，不仅可以提高地基承载力，而且能从根本上消除地基的冻胀性。

4 削弱或消除桩、墩切向冻胀力的措施

桩、墩切向冻胀力是由水平冻胀力随地基土冻胀向上位移，冻土地基与桩、墩产生的摩擦力和地基土与桩、墩冻结在一起产生的冻结力两部分组成。

4.1 削弱桩、墩切向冻胀力的措施

冻深范围内桩、墩表面尽可能光滑平整，减小桩、墩表面与冻土的摩擦系数，以削弱切向冻胀力;冻深范围内桩、墩表面采用油毡纸或塑料布包裹消除桩、墩与冻土的冻结力及减小摩擦系数，以削弱切向冻胀力。同时应考虑非冻胀期按常规设计时桩基摩擦承载力的削弱。

4.2 消除桩切向冻胀力的措施

双层套管把地基土与桩彻底隔离，消除了桩的切向冻胀力。同时在被隔离的桩基段内，其桩基摩擦承载力也不复存在。

双层油套管由上层套管、下层套管、复位盘、法兰盘组成。上层套管随地基冻胀而上拔，随地基融沉依靠复位盘逐步复位;下层套管位于冻层下，上层套管在下层套管内上下移动;上、中、下3个法兰盘固定住的橡胶圈封住桩与套管之间和上下套管之间空隙中的钙基黄油。双层油套管适用于已冻拔桩基础的治理，也可作为新建桩基础的抗冻拔措施之一。

5 抗冰措施

有些建筑物利用抗冰结构不经济或无法实现时可采用人工破冰法、机械破冰法、机械排冰法、塑料布引滑法、加温法、保温法等。

1)破冰法。当建筑物前水面结冰达到一定厚度时，在建筑物前的冰面上开凿一定宽度的水槽，每当水槽内水面上结冰达到一定厚度时就破冰取出冰块，使冰层在水槽内自由伸缩，消除冰层的冰推力对建筑物的危害。水槽内水面允许结冰厚度应根据建筑物承受推力大小而定。

2)塑料布引滑法。在土石坝上游坝坡上铺塑料布使冰与坝坡不能冻结在一起，当冰体热胀变形时冰体就沿着塑料布上爬，这样就削弱了冰推力对土石坝上游坝坡的危害。削弱冰推力程度取决于护坡型式、光滑度、稳定性。

3)加温、保温法。阻止建筑物与水面结冰，消除冰压力。常用的方法有热空气法、热水法、热油法、压力水射流法、压缩空气吹泡法、聚苯乙烯泡沫塑料板保温法。

综上所述，应根据工程地点的气象、冰情、工程地质和冻土基本资料，并结合建筑物规模、建筑材料以及同类建筑物抗冰冻经验，灵活运用抗冰冻机理，选择一种或几种抗冰冻措施。即保证水工建筑物在冰冻环境下安全运行，又要经济合理。

[1] 沈长松，等.水工建筑物[M].北京:中国水利水电出版社，2008.