基于冰压力对水库影响与具体应对措施概述

张晓鲁，郭友文，吴 頔

(1. 虎林市水利勘测设计队，黑龙江 虎林158400;2、黑龙江省水利工程建设局，哈尔滨150081)

众所周知，修筑水库，不但可以利用水能这种可持续能源发电蓄能，还可以蓄水供用城镇用水和农业灌溉，并可拦截洪水、调节下游水量。但是对于高纬度地区( 例如我国东北部) ，由于全年温差较大，冬季常为负温，库水体易结冰，而冰压力对水库有着很严重的影响。为了保持水库的稳定性，要尽量减小冰压力对水库的影响。

1 冰压力的产生

冰压力( ice pressure) ，顾名思义，是由于水凝固形成冰体，从而对水工建筑物表面产生的作用力。冰压力可分为静冰压力和动冰压力两种，其中静冰压力是指水库表面结冰后，因气温上升( 仍低于临界点) 冰层膨胀而对建筑物产生的作用力;动冰压力是指当冰块流动时，流冰撞击建筑物而产生的作用力。动冰压力具体计算公式如下

式中: Vb为冰块流速，m/s，按实测资料确定或采用历年冰块运动器内最大风速的3%，但不宜大于0.6 m/s; db为流冰厚度，m，可采用当地最大冰厚的0.7 ～0.8 倍; Ab为冰块面积，m2，由当地或邻近地点的实测或调查资料确定; fic为冰的抗压强度，MPa，对于水库可采用0.3MPa。

水凝固成冰时，其体积增加约9%，随着温度降低，冰体体积也随之变小，当外界温度回升( 未到0°) ，冰体则发生膨胀。冰压力的大小主要与温升速度有关，当温升速度较慢时，冰盖可产生塑性变形，冰压力较小; 另外冰压力还与冰盖周边支承有关，如岸坡较软，则冰盖膨胀会使土壤变形。

由于外界温度不断变化，冰体不断缩小又不断膨胀，冰面也不断上下移动，而水库中的水工建筑物阻碍其膨胀移动，故而水工建筑物的迎水面受到冰压力的作用影响。另外水面上有流动冰体的话，其冰体对建筑物也存在一定的冲击作用力。

2 冰压力对水库的影响

水库中与冰面接触并且产生冰压力的主要建筑物有上游坝面、护坡，溢洪道闸门、闸墩，以及取水管道等。对于单一建筑物，冰压力在不同时期对其产生的作用也不一样。其中大致可分为以下3 种:

2.1 冰拔作用( 冰体的纵向膨胀收缩)

冰拔作用发生的部位主要是坡脚隔墙和护坡的下半部，其作用面的特点是呈水平带。冰拔作用是由于冰与坡面冻结，产生很大的冻结力，冻结力可以表现为剪力或者拉力，这主要由它们间的相互位移的趋势来决定，冻结力与位移的趋势相反，例如水位上升的时候，则产生上拔力。另外冻结力与坝面粗糙程度有很大的关系，冰拔作用在干砌石护坡上表现得尤为突出。由于外界温度变化、冬灌或者上游其他蓄水工程拦蓄造成上游来水量不能正常入库，使得上游水位发生变化，而冰体与建筑物冻结在一起，从而建筑物受到纵向的作用力，当温度上升时，坡脚由于冰压力作用而发生松动、旋转、甚至被拔起; 当温度下降时，护坡会产生压应力，甚至可能会压缩产生弯矩。

2.2 冰推作用( 冰体的横向膨胀收缩)

冰推作用的产生主要是因为水库冰层升温膨胀时产生很大的推力，而这推力作用在与之接触冻结的建筑物上时则发生冰推作用。关于冰推作用所产生的冰压力取值见表1。由此可见，冰推作用产生的冰压力与冰厚是近似成正比的。另外冰推作用对坝体有着很大的影响，当冰压力过大时，坝体可能会发生松动，减小坝体稳定抗滑力。

表1 水库冰层升温膨胀时水平方向作用于坝面的静冰压力

2.3 冻冰撞击作用

当冰层解冻，冰体破碎时，冰块在水流与风力的共同作用下，撞击在护坡上，对护坡产生撞击破坏，易使坝面出现裂痕甚至破碎。

另外对于闸门与管道，冰层与其冻结后，在气温回升时冰层会产生膨胀压力，当水位升降时会产生纵向拉力。由于闸门未考虑冰荷载，这纵向拉力会造成闸门和闸墩超载，对闸门的闸墩均有一定的影响和破坏。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的塑性变形。由于冰压力及闸门水压力联合作用在闸墩两侧而使闸墩产生拉力，当闸墩所受的拉力超过其极限抗拉强度时就会造成闸墩的开裂，并且为垂直裂缝。而管道方面则可能会发生冻结开裂。

3 减小冰压力的具体应对措施

工程上为减小冰压力，通常在建筑物上游采取防冰、破冰措施。例如在建筑物上游面附近的冰盖上凿槽或在建筑物附近的水中通以压缩空气等，使建筑物附近水面不能结冰，使冰压力减小或者去掉。

3.1 对于水库整体建筑要求

1) 在充分掌握工程所在地的自然条件和运行情况等基本资料的前提下，合理确定冰荷载;

2) 选择适宜的材料和确定混凝土抗冻等级;

3) 在选择工程站址、总体布置和结构型式时，应充分考虑冰冻作用;

4) 进行冰压力和冻胀力作用下的稳定和强度验算，确定必要的抗冻胀工程措施。

3.2 闸门位置

根据《水利水电工程闸门设计规范》的规定，闸门以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) 在距闸门2 m左右，用锤、冰铲等工具经常打开冰层，防止冻结。

2) 为了保护闸门的正常作用，在冰层打开后，应及时清除闸门上的冰块，并且经常活动闸门，一般可在提闸前采用热水淋浇或轻轻敲打闸门的办法，使冰块脱落。

3) 当流冰过闸时，在可能的情况下，应将闸门全部打开，以减轻壅冰及冰块对闸门冲击磨损作用。

4) 较大闸门可采用空气压缩机，将压缩空气打入冰层以下，使水表层与下层强制对流，防止建筑物前的水冻结。

5) 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。

6) 当气候严寒、流冰严重时，应停止引水，以免渠道壅冰决口。

3.3 对于迎水面建筑物

迎水面建筑物减小冰压力的方式主要是以人工除冰或者机械破冰。在建筑物前开凿0.5 ～1.5 m宽的不冻水槽，隔断冰压力的传递。破冰周期则根据冰压力对坝坡破坏最大的时间，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综合指定。

对于土坝护坡，防治冰压力破坏的技术主要有破冰开槽、加长缓坡、放缓坡比法、干砌块石护坡法、卵石护坡法、预制混凝土板块法、在护坡临水处铺放塑料薄膜法以及调节水库水位法等，下面将详细介绍下干砌石护坡技术。

干砌石护坡技术是通过微弱的柔性变形，削减块石与冰面之间产生的剪切力。块石不但具有抗风浪淘刷的能力，而且对冰压力的破坏更有抗整体变形的能力。干砌块石护坡分为3 层，分别是护面块石层、碎石垫层和无纺布隔离反滤层。护坡石料应选用石质良好、质地坚硬、不易风化的新鲜石料，不得选用质地脆弱的页岩作护坡块石，石料几何尺寸应根据大坝所在地区的风浪大小和冰冻程度来确定。砌石应以原坡面为基准，在纵、横方向挂线控制，自下而上，错缝竖砌，紧靠密实，塞垫稳固，大块封边，表面平整，注意美观。垫层材料应选用具有良好的抗水性、抗冻性、耐风化和不易被水溶解的砂砾石、卵石或碎石，垫层厚度必须根据反滤层的原则设计，根据堤防设计规范一般厚度为0.15m。反滤层应满足保土性、透水性和防堵性要求。

在结构及管理上采用防护措施。冰冻地区的护坡，应有足够的重量，砌筑整体性要好，有较好的表面平整度。在选择施工材料时应选择抗冻性能强的石料，施工时应互相咬紧。护坡厚度及块径大小应由抗冻计算或者以往经验确定。

4 结 语

在我国东北地区，冬季气温寒冷，冰压力在水库大坝设计中一定予以充分考虑，冰压力的产生和其对水库大坝整体的影响也给水库的维修养护带来了困难，更增加了运行成本。因此，在寒冷地区水库大坝的设计修筑中，不但要严格按照国家制定的修筑标准来执行，更要充分发挥我们的头脑，研究出性价比更高的减小冰压力的方案，使得水库可以更加稳定安全的运行。

［1］梅孝威. 水利工程管理［M］. 北京:中国水利水电出版社，2009.

［2］水利部国际合作与科技司，水利部水利水电规划设计总院，中水北方勘测设计研究有限责任公司，长江勘测规划设计研究院. 工程建设标准强制性条文:( 水利工程部分) ［S］. 北京:中国水利水电出版社，2012.

［3］钟登华，袁光裕，胡志根. 水利工程施工［M］. 北京: 中国水利水电出版社.2009.

［4］徐绍忠. 冰压力对月亮湖水库二号坝的危害及防治技术的应用［J］. 吉林水利，2008(05) :47－48.