淺析水工建筑物抗凍設計

【摘 要】水工建筑顧名思義是指那些為了儲備水資源，預防水澇災害而建成的建筑物。由于水工建筑長期接觸到水的特殊因素，在零度以下時，水變成了冰，就不得不考慮到建筑抗凍的能力了。在水工建筑過程中，若能夠提高鋼筋混凝土對冰凍條件的耐受力及施工技術水平，那么對于水工建筑方向的研究將會起到重要的作用，并且將減輕國家水工建筑經費的負擔，利國利民。

【關鍵詞】水工建筑物；抗凍；混凝土

0.前言

以我國北方地區為例，一年四季，冷熱交替。所以由冬季到春季的過渡階段冰融現象十分常見。由于冰雪經一個冬天都會覆蓋水工混凝土建筑物表面，當其融化成水時會滲透到建筑物表層的混凝土中。長此以往會使混凝土表面松懈，俗稱“往下掉渣”，極大的影響了混凝土的力學強度，嚴重的會使水工建筑物大面積損壞甚至崩塌。所以根據相應的抗凍保護措施對水工建筑物加強管理，若是能夠防止混凝土力學強度降低是最好不過的。

1.充分了解水工建筑的外部影響因素

1.1注意溫度對水工建筑的影響

混凝土表面和內部的散熱條件有所不同，溫度外低內高，形成溫差梯度。混凝土內部的溫度控制由內部埋設熱電耦測溫，掌握混凝土內部的溫升變化及內部最高溫度的發生時間，通過蓄熱保溫使混凝土內外溫差控制在25℃以內。混凝土外部直接與空氣接觸，其外部溫度即為天氣氣溫。只有了解了水工建筑物凍結期內的天氣氣溫的變化情況，才能更好的分析其對建筑的影響。其中包括年平均氣溫，最冷月平均氣溫，日平均最低氣溫，結冰期天氣升溫的變化情況。溫度對水工建筑的影響是十分重要的，應該引起研究人員的重視。

1.2注意凍脹土對水工建筑的影響

了解凍結期及凍結前土的物理力學特性，土的類型；凍結前土的含水量，土的極限摩阻力；凍結期凍土的熱學參數，標準凍深，設計凍深基礎下土的凍深，地表凍脹土及土的凍脹性級別。所謂的凍脹土一般指的都是季節性凍脹土，而土層發生凍脹的原因歸結起來是在寒冷的季節，當地的水會凍結成冰而使自身的體積發生膨脹，在水凍結的過程中也加速了當地的土層發生凍結，并且使得凍結土層的含水量越來越多，土地凍結的面積也越來越大。不同土體類型的凍脹程度是不同的，例如，一般來說，細粒土的凍脹程度是比較嚴重的，而粘土、粉質亞粘土、粉質亞砂土以及含較多細顆粒的土體使得凍脹時吸收的水分更加的多，結果導致這幾類土體的凍脹量是最大的。當凍脹量增大時，可想而知，地基變形會直接導致上層建筑的不穩定或破壞。所以研究凍脹土是對水工建筑極為重要的方向之一。

1.3注意水工建筑與投入使用時的運營情況

在混凝土施工過程中，必須根據情況的不同，選擇含有礦物成份不同與性能不同的外加劑、骨料、水泥。從材料方面來保證混凝土耐久性能，打好混凝土凍脹性破壞的預防工作，之后如果發生了混凝土的凍脹性破壞也要做好處理的準備。防止水工建筑周圍結冰是保護水工建筑最直接的方法之一，主要措施有撓動水面防凍法和加熱防凍法。這兩種方法的優點是直接有效，但是缺點則是耗費大量的資源。為了提高水工建筑物的穩定安全系數，強度安全系數，保證建筑物在正常的允許變形量范圍內。監管部門要使水下結構和構件及混凝土抗凍等級及抗凍混凝土等級符合國家標準。現實中存在水利部門對水工建筑出現的凍脹破壞現象重視不足，管理松懈的情況，并且對水工建筑的養護和維修沒有及時進行的現象。為了保證水工建筑的質量，需要水利相關部門加強管理工作，提高對水工建筑的養護。防止水工建筑因混凝土凍脹性被破壞 對于混凝土的凍脹性要做到事先預防、事中治理。

2.準確預計水工建筑物抗凍性能

2.1采取多次實驗分析混凝土抗凍融性能

在混凝土施工進程中摻加減水劑或者是引氣劑可以讓混凝土的內部結發生改變，進而對混凝土凍脹的作用產生改變。這種一般都用來提高混凝土的抗凍性，以便大大降低混凝土的凍脹應力。現經試驗證明，在混合骨料混凝土凍融25次后，浮石吸水增加的質量大于混凝土由于凍融作用減少的質量，混凝土的質量損失為負值。在相同的凍融次數下，隨著輕骨料的含量減少質量損失逐漸增大。同樣實驗情況下，采用碎石粉末凍融循環25次后強度損失增加幅度明顯上升，曲線出現折點表示該種未添加混合骨料的混凝土強度損失較大，這說明輕骨料對混凝土凍融現象有所抑制。此外，在混凝土的施工時要注意施工工藝的選擇與土層凍脹性的關系，配合比、硬化條件、混凝土的施工等都會與凍脹性的影響產生關系。

2.2了解冰凍期和非冰凍期水工建筑物的荷載能力

抗冰凍設計的荷載是指在凍結期內作用在建筑物上的荷載。荷載使建筑物產生的內力、變形稱為荷載效應。它包括正常荷載和冰凍荷載，均為基本設計荷載。正常荷載是指建筑物結構，其上部填料，永久設備自重和冰層下水壓力，揚壓力，泥沙壓力，暖土壓力；冰凍荷載是指切向凍脹力，法向凍脹力，水平向凍脹力，凍脹反力和冰壓力。在非冰凍期還包括滲透水荷載。滲透水荷載：滲入建筑物和地基中的水在流動過程中對建筑物的作用，有水流滲過的物體，處處受到滲流靜水壓力和動水壓力的作用。在冰凍時期主要包括冰壓力，冰壓力的作用對于低壩、閘墩、胸墻及閘門等結構影響很大。

2.3估計水工建筑物不同結構的荷載能力

考慮水工建筑物不同結構的荷載能力的特點分述如下：以樁，柱，墩為基礎的橋渡建筑物，荷載有自貢及上部結構重力，切向凍脹力，暖土摩檫阻力。當底部為擴大式基礎時還應計入凍脹反力。除此之外，還有斜坡建筑。對于斜坡上的樁，柱，墩基礎，應同時考慮水平凍脹力對樁，柱，墩的水平推力和切向凍脹力的作用。對于水工建筑物復雜的結構而言，還需考慮到荷載組合問題。正常運用情況下的基本荷載組合，要求在各種可能的基本荷載組合作用下，建筑物保持正常功能，另一類為非常運用情況下的特殊荷載組合，在遭遇到特殊荷載組合作用時，建筑物即使不能發揮效用，也應控制建筑物損害限度。

3.科學確定水工建筑物施工結構布局

3.1根據當地地理位置確定水工建筑物方位

當滿足了溫度，土地，施工環境等等這些條件外，設計者對于當地的地理情況對水工建筑的抗凍能力作以統計。設計方案應充分考慮到建筑物所在的經緯度及當天氣或季節變化時氣候的特征。地理位置的選擇就顯得尤為重要，地理與土地相關聯就應考慮凍土凍脹級別，應該如何去消弱凍脹情況等。地理位置也和水資源密不可分，例如，地下水的水位，流水量，水速和結冰后的膨脹率等等，諸如此類都需要仔細斟酌。其中最為重要的是凍脹性較弱的地方應重點關注冰清和冰壓力的情況。所以選擇施工條件合適的地理方位是施工的先決條件，應考慮許多的因素。

3.2考慮多種因素設計水工建筑物結構

在建造水工建筑物時外部結構是最易引起人關注的，因為人們最直接的便是從外部去談論并且評價一個建筑。水工建筑的外部構造應兼具實用和美觀的性能。雖然建筑的外部結構容易被人們所議論，但是最主要的還是建筑內部的穩定性能。建筑的結構應按常規設置和抗冰凍要求進行工程布置和結構型式的選擇。考慮的因素主要從以下方面考慮進行工程布置：應滿足常規設計的水流，防滲，穩定，結構強度，地基穩定和構造要求等。

4.結語

水工建筑物與我們的生活息息相關。雖然，平日只是感覺水工建筑是那樣的龐大，與我們日常生活又相距甚遠。但是，如今靜下來想一想：每天喝的水，用的電。當下暴雨時，為何自己生活的地方可以安然無恙，為何炎炎烈日下還會有新鮮的蔬菜和水果。這一切，看似平淡無奇的事情，卻都多虧了有水工建筑物的保護與祖國的大力投入，高瞻遠矚。

【參考文獻】

[1]李鐵玲.水工抗凍設計方法.渠系水工抗凍知識講座[J].水利天地，2012.

[2]陳然.季節性凍土地抗凍拔性分析[D].哈爾濱工業大學，2013.