堤坝冻胀防护方法研究

杜镇瀚, 钟启明, 董海洲, 单熠博

(1. 河海大学 土木与交通学院, 江苏 南京 210098; 2. 南京水利科学研究院岩土工程研究所, 江苏 南京 210024; 3. 水利部土石坝破坏机理与防控技术重点实验室,江苏 南京 210029)

在寒区地带，水库、河流、湖泊以及沿海区域每年都有很长时间的冰封期，形成的冰盖都与周围水工建筑物产生冻结，而随着温度的升高，冰层内部产生温度膨胀力，膨胀应力释放导致的冰推力会破坏护岸、水库等水工建筑物，甚至还会影响岸上的建筑(如图1和图2)。如沈阳地区的团结水库，边坡被冰压力冲断而崩塌；红旗袍水库[1]受到冰压力影响，发生大规模边坡隆起现象；黄河宁蒙河段[2]严重的冰塞和冰坝现象，对物质运输造成了不可逆的影响；Mistassini河[3]的严重冰塞导致人类基础设施的严重破坏。

图1 河道冰推导致河岸破坏

混凝土坝迎水面常常受到冰推力出现表面开裂、强度降低的现象。如果不及时维护修补，可能会影响建筑物的正常安全运行。影响建筑物破坏程度的因素主要包括河流冻结时间、建筑物受冰影响期长度以及温度变化幅度等，如果对冰荷载的估计不足、重视不够或没有采取充分合理的应对措施，那么冰荷载有可能对水工结构的安全构成威胁，造成严重的冰毁事故[4]。寒区堤坝的冻胀破坏严重影响水利工程的运行、维护以及人民生命财产安全，因此，对寒区堤坝的防冻方法研究有着重要意义。

图2 湖面冰推导致混凝土护岸破坏冻害

1 冰荷载破坏机理和研究现状

1.1 静冰荷载破坏机理

寒冷地区水工建筑物护坡冬季在冰力作用下经常遭受破坏，损失惨重，其中冰压力(即静冰压力)是护坡破坏主要载荷之一[5]。在特殊气候影响下，河流中水凝固成冰，形成冰盖层。冰盖层具有固体性质，并且可以与堤坝、水渠等水工建筑物冻结，当周围环境的温度发生变化时，冰盖层内部温度场发生变化，从而引起冰的膨胀。但由于受到水库护坡等水工建筑物不同程度上的约束，冰层产生了温度应力，反过来冰层对建筑物产生冰推力。随着气温不断回升，当冰推力大于冻结力时，冰盖与护坡的冻结联系产生破坏[6]。即界面间的冰冻结层被剪断，也就是产生了冰盖爬坡运动。事实上，冰爬坡是寒区的水库、河流冰层内部所积蓄能量的一种释放方式，它将冰作用力传递给护坡和其他附属结构物，导致这些结构物发生破坏[1]，而爬坡破坏是堤坝发生冻胀破坏的最主要形式。

1.2 静冰压力模拟研究现状

随着国内外对冰压力研究的不断深入，发现影响静冰压力的因素有很多，包括初始冰温、温升率、冰盖层厚度以及约束的边界条件等。在冰-结构界面形成的静力还可以由水位的变化、冰面以下的水压力和冰面以上的空气阻力变化引起[7]。当冰层处于同一温升率下，初始温度越低，冰的温度膨胀力则越大；当冰层的初始温度相同时，冰层温升率越高，其温度膨胀力则越大；当气温处于一极值时，冰温虽然仍然上升，冰的内部结构发生了变化，此时温度膨胀力反而变小。

关于静冰压力的取值，除了可以参照《水工建筑物抗冰冻设计规范》(GB/T 50662—2011)[8]中的条款，按照静冰压力表取值外，目前国内外主要有四种取值方法：(1)经验公式法[9-11]，主要是根据现场观测到的数据结合冰的物理化学性质以及统计方法归纳总结得到。(2)模型试验法[12]，主要是在比较完善的理论支撑下，再现整个工程的过程，模拟工况发展进度并测值，目前已成为研究的重要辅助方法。(3)数值模拟方法[13]，基于力学理论基础，结合数学方法并借助计算机的帮助解决实际工程中的问题。(4)直接测量[14-15]，以光纤传感器通过测量外界冰压力的时间变化来监测冰压力，这种方法响应速度快且灵敏度高。不同的静冰压力取值方法也使得寒区水工建筑物设计和防护设计存在不同程度的误差，为了减小防护设计中的偏差，国内外学者对静冰压力的取值都在深入研究，因此，精确的静冰压力取值对静冰破坏的防治措施也有着重要意义。本文所涉及的梯形槽式防护方法也依赖于精确的冰压力取值进行设计。

2 一种梯形槽式防冻胀防护方法

在对于寒冷地区不同类型护坡结构的调研发现：在非寒冷地区广泛采用的干砌石护坡、浆砌石护坡等型式均不适用于寒区，原因在于这些护坡不能够抵御地基土的不均匀冻胀、冰层的冰推力以及冰层的弯矩作用。学者们通过研究发现[16]，在寒冷地区，堤坝护坡工程中宜采用埋石混凝土、钢筋混凝土、混凝土等护坡型式。基于冰膨胀破坏机理和各种防护措施的利弊，本文建议采用钢筋混凝土的护坡型式，并提出了一种梯形槽式的冻胀防护方法。梯形槽式护坡结构型式示意图如图3，其特征在于，包括若干个防护板，每个防护板沿堤坝长度方向依次固连在迎水侧，相邻两个防护板之间具有间隙，每个防护板长度方向的顶端靠近堤坝顶部设置，底端固定于堤坝斜坡。

图3 梯形槽式护坡结构型式示意图

每个防护板上间隔开设有若干个梯形孔，梯形孔沿防护板的长度方向设置；沿过防护板宽度方向中心线的纵截面将防护板沿宽度方向切成两半，观察梯形孔的投影为梯形防护板具有两个工作面，靠近堤坝的一侧为第一工作面，相对远离堤坝的一侧为第二工作面，前述梯形的顶边位于第一工作面上，梯形的底边位于第二工作面上。相邻两个防护板于防护板的宽度方向通过三轴铰链连接，每个防护板长度方向的顶端靠近堤坝顶部设置，每个防护板长度方向的底端位于堤坝底部；每个防护板的底端均可拆卸连接有一个下部支撑板。下部支撑板用于连接防护板的一端为斜面，斜面上具有向外凸起的枢接头，从下部支撑板的两侧看，枢接头的投影为直角三角形，防护板的底端开设有向内凹陷的枢接口，沿过防护板宽度方向中心线的纵截面将防护板沿宽度方向切成两半，观察枢接口的投影为直角三角形，枢接口与枢接头对应匹配设置，通过防护板底端的枢接口枢接于下部支撑板的枢接头上，将防护板与下部支撑板固连在一起。

主要操作步骤有：(1)对现场的堤坝边坡进行勘察测量参数，包括边坡的坡度，边坡的高程，原有护坡装置的形式，厚度等。收集历年来的水位高度、冰厚规律以及最大冰厚。(2)根据坡角、防护板厚度确定单个梯形孔的尺寸，再结合冰层厚度来确定每个防护板上开设梯形孔的数量。(3)在河流枯水期首先将底部支撑板结构依次排放，每块底部支撑板之间间隔成收缩缝，然后等底部支撑板完成后，依次将防护板嵌合入底部支撑板中，每块防护板之间间隔成收缩缝，待结构稳定后，进行三轴铰链结构的锚固，最终形成完整的抗冻胀防护结构。

本文主要着重于研究梯形凹槽对于静冰压力减弱效果，因此，以沿过防护板宽度方向中心线的纵截面作静冰压力分析截面(如图3中的截面1)。

由于在防护结构中设有梯形凹槽，此时冰体的静冰压力T在凹槽内转换为三个方向的力，分别是与未加防护结构方向相同的对堤坝的力T1、对凹槽上梯形面的挤压力P以及下梯形面的挤压力F(如图4)，从而减少作用在堤坝上的力，大大减小了对原有堤坝的挤压破坏。

图4 静冰压力T在梯形槽内转化图示

在未设防护结构时，静冰压力T对原有堤坝的横向分力会造成对堤坝的损伤(如图5)。静冰压力沿冰盖层厚度方向的分布是非均匀的，根据谢永刚[9]的观测数据可知，是呈现一种非对称的曲线分布。由研究数据[17]表明，当冰盖厚度为0.8 m左右时，最大冰压力产生在深度为0.25～0.45 m之间，冰压力极值大致 处在整体冰层的上1/3处。由于冰压力随着深度变化而变化，工程技术人员在设计堤坝之初很难进行针对性设计，因此需要特殊的防护措施进行保护。加设防护板后，防护板上相邻梯形孔之间为外窄内宽的梯形体，可以减少冰体与堤坝结构的接触面积，使得静冰压力的横向分力不连贯，从而减小对堤坝破坏的可能性。

图5 原有堤坝受冰压力图

为了设计合理的结构型式，需要针对当地的气候条件确定可能出现的最大冰层厚度。关于冰层厚度取值，可根据当地多年的观测资料或其他方法确定。本文选择了基于黑龙江胜利水库观测数据建立的冰厚与累计日均气温关系式如式(1)[17]：

(1)

凹槽部分以观测或计算得到冰厚D的5/3倍进行设计，上下各多出1/3。本文中静冰压力T按照文献[10]推导的公式取值，凹槽部分设计参数如图6所示。

图6 凹槽部分设计参数

各部分尺寸为式(2)与式(3)：

l0=hcotβ

(2)

l3=l1-2hcotβ

(3)

式中：α为堤坝斜坡坡角，(°)；β为梯形孔的上梯形面或下梯形面与堤坝表面的夹角，(°)；h为防护板的厚度，cm；l1为梯形孔底边长,cm；l2为梯形孔顶边长,cm；l3为相邻两个梯形孔之间的间距,cm。β要小于堤坝或者护坡的坡角α，由于边界条件的约束，冰体内部对堤坝结构产生横向冰推力(如图7)，若此时β大于α，此时横向冰推力T对下梯形面产生一倾覆力，很可能加快结构的破坏，因此β要小于堤坝或者护坡的坡角α)

图7 β小于α原因示意图

静冰压力T对原有堤坝的挤压力T1为式(4)：

(4)

静冰压力T对凹槽上梯形面(如图8)的挤压力P(如式(5)所示)可分为沿着边坡的力T2(如式(6)所示)和垂直于边坡的力P1，其中P1垂直于边坡，对结构造成的影响不大，在此忽略其对结构的影响。

(5)

(6)

图8 冰压力对上梯形面受力分析图

静冰压力T对梯形槽下表面(如图9)的挤压力F(如式(7)所示)可分为沿着凹槽的力F1(如式(8)所示)和垂直于凹槽的力F2(如式(9)所示)：

(7)

F1=Fcos(α-β)

(8)

F2=Fsin(α-β)

(9)

图9 冰压力对下梯形面受力分析图

(10)

(11)

图10 F1分力分析图

(12)

(13)

图11 F2分力分析图

(14)

图12 静冰压力T梯形槽内分力示意图(沿坡向)

静冰压力在梯形凹槽内的转化流程图如图13。

图13 静冰压力T在梯形槽内转化流程图

装上防护结构后，静冰压力对防护结构沿着边坡的作用力如式(15)：

(15)

式中：[(l1-2hcotβ)/(l1+l2)]Tcosα为l3部分对应的力，如式(16)：

sin(α-β)sinβ]

(16)

装上防护结构后，静冰压力对堤坝的作用力如式(17)：

(17)

即如式(18)：

(18)

需要满足的条件为：l1tanβ≥2h，α≥β。通过改变β，h，l1，l2中一项或者几项参数的大小，使结构达到最佳的防护效果。

3 防护方法效果检验

以某地区的参数取值进行效果计算测验(参数见表1)。

表1 某地区堤坝防护设计参数表

则原有的静冰压力大小：F原=Tcosα≈0.766T，加护装置后对装置作用力：T′≈0.3035T，对原有堤坝的作用力：T0≈0.4625T。所以在以上的数据下可以将原有的静冰压力减少到60.38%

在此以α=40°的边坡为例，改变其中一项或几项自变量所减少的静冰压力，计算效果见表2。

表2 冰压力计算效果表

从表格中的结算结果可以发现：

(1)α与β的角度相近时防护所产生的效果更好；

(2)增加防护装置的厚度h可以减少静冰压力对防护装置的损伤，但是并不能减少对原有堤坝的损伤程度；

(3)由于寒区冰厚有限，一般不超过1.5 m。l1取值在25～35 cm之间，l2取值在15～20 cm之间,具体取值可以根据式(16)和式(17)的结果来判断；

(4)l2/(l1+l2)的比例增大，对装置产生的作用力增大，对原有堤坝的作用力也增大，因此可以通过适当减少l2/(l1+l2)的比例来减少静冰压力的损伤程度。

4 结 论

基于冰层膨胀破坏机理，提出一种梯形槽式防冻胀防护方法。通过梯形槽将横向的冰推力分解为若干个不同方向的压力，作用在不同的结构上，从而减轻建筑物的冰害程度。对该方法进行防护效果检验，结果表明防护板梯形槽设计角度α应接近坡角β；防护装置的厚度h影响防护板的损伤程度，当静冰压力较大时可适当加大厚度；l1与l2的取值直接影响防护效果，l1取值在25～35 cm 之间，l2取值在15～20 cm之间，当静冰压力较大时，应适当减少l2/(l1+l2)的取值来减少冰压力带来的损伤。

由此可见，该方法可大幅缓解寒区堤坝冻害问题，提高堤坝的防冻能力，增长寒区水工建筑物的使用寿命，从而提高经济效益。