浅谈水工建筑物冻害破坏的原因及表现形式

周效冰

摘要：渠系建筑物一般为中小型，本身自重较小，抗冻胀力弱。因此，受冻害破坏比较普遍，目前已成为我国北方地区水工建筑物设计和管理中较难解决的问题之一。季节性冻土地区水工建筑物冻害原因很多。归纳起来是内因和外因两部分。内因是地基土的冻胀、融沉、冰冻及冰融循环，这些是不可扭转的自然规律，属水工建筑破坏的内因。而设计中未考虑冻胀作用或设计不合理，施工不当及平时工程管理不善等人为因素促进这些建筑物的冻胀破坏。这是水工建筑物冻害的外因。针对内因采用防治措施，避免外因，精心设计及施工，加强工程管理。尽量减小和避免冻害的损失，这是季节性冻土地区水工建筑物冻害防护的任务。

关键词：水工建筑物 冻害 防治措施

中图分类号：F2 文献标识码：A

水工建筑物冻害主要由水、气、温、压四大因素的影响，其中以水和温度为主要影响因素。土壤颗粒间是由水和气充满。而土颗粒表面又有结合水和自由水。在气温降至0℃以下时，液态的水将变为固态的冰，体积增大。土的冻胀就是指土中的水因温降至0℃以下结成冰，使土的体积增大的现象，在建筑物附近表现出土层表面不均匀的升高，待温升融冻后土体又下沉。土体在冻胀过程中由于建筑物的阻挡，使建筑物表面受到冻胀土的作用力，垂直于表面的为法向冻胀力，平行于建筑物基础表面的为切向冻胀力。这些力的大小与基础砌置深度、气温高低、基础形状、地基土壤性质等多种因素有关，要精确确定冻胀力的大小和分布。下面分别就水库及渠系建筑物常遇冻胀破坏现象进行概略介绍。

一、水库冻害现象及原因

水库冻害主要反应在两个方面：—是冰冻对水库建筑物的破坏；二是冻胀对水库建筑物的破坏。前者主要发生部位是在与水库接触面上，例如上游护坡，隧洞或涵洞进口的墩柱及挡土墙等。后者是坝体本身，溢洪道侧墙、底板以及排水体，消力池等其他部位。

（一）冰冻对水库建筑物的破坏形式

1、冰对土坝护坡的破坏通常有冰推破坏、冰拔破坏和动冰撞击破坏。

（1）冰推破坏是在水库基本不变或变化不大的条件下，冰层升温膨胀产生的静冰压力将土坝的护坡推起造成破坏现象。在我国东北、西北比较寒冷地区的多数水库都不同程度地存在这种现象。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。冰推作用使护坡板沿垫层滑动，对于护坡板块不平整和整体性差时，并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受上部护坡阻挡出现隆起架空。在冰层厚，冰压力和冻结力均较大，护坡抗冰推能力强。这时产生护坡和冻土一起沿冰融交界面整体上推，有时上部会出现隆起脱空现象。

（2）冰拔破坏，冰层和护坡冻结在一起。库水位上升时，护坡板、齿墙等被拔起、旋转或松动，库水位下降，冰块与护坡冻结在一起出现向下弯矩，护坡板翘起、齿墙向库内倾斜。库水位下降愈陕，冰拔现象愈严重。特别对护坡板尺寸很小，表面粗糙及整体性差的预制板、块石护坡等更为严重。

（3）动冰撞击破坏，主要发生在初春解冻时，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超过坝顶，导致护坡及防浪墙被撞击破坏。

2、坝坡土冻胀对护坡的破坏。

对于黏性土或壤土的均质土坝或黏土心墙土坝来说，在迎水坡没有足够厚度的防冻保护层时，水面上1-2M范围土中含水量高，有充分水源补给，冻结过程中将产生大量析冰和厚冰夹层。

3、冰推对进口建筑物的破坏。

冰推作用使进水塔墩柱前后的压力不平衡，因而造成墩柱断裂。一般在季节性冻土地区框架结构进水塔破坏较多。钢筋混凝土墙体结构破坏较少。

（二）冻胀对水库建筑物的破坏

冻胀作用产生不规则的裂缝，分布和走向无一定规律。逐年在反复冻融作用下，不规则裂缝逐年增多。缝宽也逐年加大，严重时使板形基础呈碎片状，当板形基础宽度不大，两侧约束力强。如涵洞进出口的底板，冻胀变形由于受两侧约束，裂缝一般呈纵向位于中间部位出现。

对于水工建筑物的闸底板、消力池底板、护坦等板式基础，当其底部地基冻胀时，将对板基产生法向冻胀力。这是对工程破坏的主要原因。

二、渠系建筑物冻害原因及破坏形式

在季节性冻土地区兴建的水工建筑物，受冻胀和融沉使建筑物破坏现象比较普遍。严重影响这些建筑物的正常运用和效益的发挥。

1、板型基础的冻胀分析。

渠系建筑物中的涵、闸、护坦、跌水及渠道衬砌等都为板形基础，这类板形基础都不同程度地受到地基冻胀作用，前面水库冻害中已经提到，板型基础主要受法向冻胀力的作用，作用力的大小与板型基础的约束条件，面积大小砌置深度和冻结深度等有关，基础面积愈小，法向冻胀力愈大。

2、挡土墙等支挡建筑物冻胀分析。

这类建筑物在冬季常受冻胀力的作用而产生倾斜、裂缝、断裂和水平位移等现象，这些破坏现象的发生大多由于墙背受到法向冻胀力的作用所致。因此掌握支挡结构物水平冻胀力及其变化规律，对正确进行冻土地区水工建筑物设计及建筑物破坏原因分析是颇为有益的。

3、渠系建筑物冻胀破坏的形式。

渠系建筑物一般为中小型，本身自重较小，抗冻胀力弱。因此，受冻害破坏比较普遍，目前已成为我国北方地区水工建筑物设计和管理中较难解决的问题之一。季节性冻土地区水工建筑物冻害原因很多。归纳起来是内因和外因两部分。内因是地基土的冻胀、融沉、冰冻及冰融循环，这些是不可扭转的自然规律，属水工建筑破坏的内因。而设计中未考虑冻胀作用或设计不合理，施工不当及平时工程管理不善等人为因素促进这些建筑物的冻胀破坏。这是水工建筑物冻害的外因。针对内因采用防治措施，避免外因，精心设计及施工，加强工程管理。尽量减小和避免冻害的损失，这是季节性冻土地区水工建筑物冻害防护的任务。