堤壩凍脹防護方法研究

杜鎮瀚, 鐘啟明, 董海洲, 單熠博

(1. 河海大學 土木與交通學院, 江蘇 南京 210098; 2. 南京水利科學研究院巖土工程研究所, 江蘇 南京 210024; 3. 水利部土石壩破壞機理與防控技術重點實驗室,江蘇 南京 210029)

在寒區地帶，水庫、河流、湖泊以及沿海區域每年都有很長時間的冰封期，形成的冰蓋都與周圍水工建筑物產生凍結，而隨著溫度的升高，冰層內部產生溫度膨脹力，膨脹應力釋放導致的冰推力會破壞護岸、水庫等水工建筑物，甚至還會影響岸上的建筑(如圖1和圖2)。如沈陽地區的團結水庫，邊坡被冰壓力沖斷而崩塌；紅旗袍水庫[1]受到冰壓力影響，發生大規模邊坡隆起現象；黃河寧蒙河段[2]嚴重的冰塞和冰壩現象，對物質運輸造成了不可逆的影響；Mistassini河[3]的嚴重冰塞導致人類基礎設施的嚴重破壞。

圖1 河道冰推導致河岸破壞

混凝土壩迎水面常常受到冰推力出現表面開裂、強度降低的現象。如果不及時維護修補，可能會影響建筑物的正常安全運行。影響建筑物破壞程度的因素主要包括河流凍結時間、建筑物受冰影響期長度以及溫度變化幅度等，如果對冰荷載的估計不足、重視不夠或沒有采取充分合理的應對措施，那么冰荷載有可能對水工結構的安全構成威脅，造成嚴重的冰毀事故[4]。寒區堤壩的凍脹破壞嚴重影響水利工程的運行、維護以及人民生命財產安全，因此，對寒區堤壩的防凍方法研究有著重要意義。

圖2 湖面冰推導致混凝土護岸破壞凍害

1 冰荷載破壞機理和研究現狀

1.1 靜冰荷載破壞機理

寒冷地區水工建筑物護坡冬季在冰力作用下經常遭受破壞，損失慘重，其中冰壓力(即靜冰壓力)是護坡破壞主要載荷之一[5]。在特殊氣候影響下，河流中水凝固成冰，形成冰蓋層。冰蓋層具有固體性質，并且可以與堤壩、水渠等水工建筑物凍結，當周圍環境的溫度發生變化時，冰蓋層內部溫度場發生變化，從而引起冰的膨脹。但由于受到水庫護坡等水工建筑物不同程度上的約束，冰層產生了溫度應力，反過來冰層對建筑物產生冰推力。隨著氣溫不斷回升，當冰推力大于凍結力時，冰蓋與護坡的凍結聯系產生破壞[6]。即界面間的冰凍結層被剪斷，也就是產生了冰蓋爬坡運動。事實上，冰爬坡是寒區的水庫、河流冰層內部所積蓄能量的一種釋放方式，它將冰作用力傳遞給護坡和其他附屬結構物，導致這些結構物發生破壞[1]，而爬坡破壞是堤壩發生凍脹破壞的最主要形式。

1.2 靜冰壓力模擬研究現狀

隨著國內外對冰壓力研究的不斷深入，發現影響靜冰壓力的因素有很多，包括初始冰溫、溫升率、冰蓋層厚度以及約束的邊界條件等。在冰-結構界面形成的靜力還可以由水位的變化、冰面以下的水壓力和冰面以上的空氣阻力變化引起[7]。當冰層處于同一溫升率下，初始溫度越低，冰的溫度膨脹力則越大；當冰層的初始溫度相同時，冰層溫升率越高，其溫度膨脹力則越大；當氣溫處于一極值時，冰溫雖然仍然上升，冰的內部結構發生了變化，此時溫度膨脹力反而變小。

關于靜冰壓力的取值，除了可以參照《水工建筑物抗冰凍設計規范》(GB/T 50662—2011)[8]中的條款，按照靜冰壓力表取值外，目前國內外主要有四種取值方法：(1)經驗公式法[9-11]，主要是根據現場觀測到的數據結合冰的物理化學性質以及統計方法歸納總結得到。(2)模型試驗法[12]，主要是在比較完善的理論支撐下，再現整個工程的過程，模擬工況發展進度并測值，目前已成為研究的重要輔助方法。(3)數值模擬方法[13]，基于力學理論基礎，結合數學方法并借助計算機的幫助解決實際工程中的問題。(4)直接測量[14-15]，以光纖傳感器通過測量外界冰壓力的時間變化來監測冰壓力，這種方法響應速度快且靈敏度高。不同的靜冰壓力取值方法也使得寒區水工建筑物設計和防護設計存在不同程度的誤差，為了減小防護設計中的偏差，國內外學者對靜冰壓力的取值都在深入研究，因此，精確的靜冰壓力取值對靜冰破壞的防治措施也有著重要意義。本文所涉及的梯形槽式防護方法也依賴于精確的冰壓力取值進行設計。

2 一種梯形槽式防凍脹防護方法

在對于寒冷地區不同類型護坡結構的調研發現：在非寒冷地區廣泛采用的干砌石護坡、漿砌石護坡等型式均不適用于寒區，原因在于這些護坡不能夠抵御地基土的不均勻凍脹、冰層的冰推力以及冰層的彎矩作用。學者們通過研究發現[16]，在寒冷地區，堤壩護坡工程中宜采用埋石混凝土、鋼筋混凝土、混凝土等護坡型式。基于冰膨脹破壞機理和各種防護措施的利弊，本文建議采用鋼筋混凝土的護坡型式，并提出了一種梯形槽式的凍脹防護方法。梯形槽式護坡結構型式示意圖如圖3，其特征在于，包括若干個防護板，每個防護板沿堤壩長度方向依次固連在迎水側，相鄰兩個防護板之間具有間隙，每個防護板長度方向的頂端靠近堤壩頂部設置，底端固定于堤壩斜坡。

圖3 梯形槽式護坡結構型式示意圖

每個防護板上間隔開設有若干個梯形孔，梯形孔沿防護板的長度方向設置；沿過防護板寬度方向中心線的縱截面將防護板沿寬度方向切成兩半，觀察梯形孔的投影為梯形防護板具有兩個工作面，靠近堤壩的一側為第一工作面，相對遠離堤壩的一側為第二工作面，前述梯形的頂邊位于第一工作面上，梯形的底邊位于第二工作面上。相鄰兩個防護板于防護板的寬度方向通過三軸鉸鏈連接，每個防護板長度方向的頂端靠近堤壩頂部設置，每個防護板長度方向的底端位于堤壩底部；每個防護板的底端均可拆卸連接有一個下部支撐板。下部支撐板用于連接防護板的一端為斜面，斜面上具有向外凸起的樞接頭，從下部支撐板的兩側看，樞接頭的投影為直角三角形，防護板的底端開設有向內凹陷的樞接口，沿過防護板寬度方向中心線的縱截面將防護板沿寬度方向切成兩半，觀察樞接口的投影為直角三角形，樞接口與樞接頭對應匹配設置，通過防護板底端的樞接口樞接于下部支撐板的樞接頭上，將防護板與下部支撐板固連在一起。

主要操作步驟有：(1)對現場的堤壩邊坡進行勘察測量參數，包括邊坡的坡度，邊坡的高程，原有護坡裝置的形式，厚度等。收集歷年來的水位高度、冰厚規律以及最大冰厚。(2)根據坡角、防護板厚度確定單個梯形孔的尺寸，再結合冰層厚度來確定每個防護板上開設梯形孔的數量。(3)在河流枯水期首先將底部支撐板結構依次排放，每塊底部支撐板之間間隔成收縮縫，然后等底部支撐板完成后，依次將防護板嵌合入底部支撐板中，每塊防護板之間間隔成收縮縫，待結構穩定后，進行三軸鉸鏈結構的錨固，最終形成完整的抗凍脹防護結構。

本文主要著重于研究梯形凹槽對于靜冰壓力減弱效果，因此，以沿過防護板寬度方向中心線的縱截面作靜冰壓力分析截面(如圖3中的截面1)。

由于在防護結構中設有梯形凹槽，此時冰體的靜冰壓力T在凹槽內轉換為三個方向的力，分別是與未加防護結構方向相同的對堤壩的力T1、對凹槽上梯形面的擠壓力P以及下梯形面的擠壓力F(如圖4)，從而減少作用在堤壩上的力，大大減小了對原有堤壩的擠壓破壞。

圖4 靜冰壓力T在梯形槽內轉化圖示

在未設防護結構時，靜冰壓力T對原有堤壩的橫向分力會造成對堤壩的損傷(如圖5)。靜冰壓力沿冰蓋層厚度方向的分布是非均勻的，根據謝永剛[9]的觀測數據可知，是呈現一種非對稱的曲線分布。由研究數據[17]表明，當冰蓋厚度為0.8 m左右時，最大冰壓力產生在深度為0.25～0.45 m之間，冰壓力極值大致 處在整體冰層的上1/3處。由于冰壓力隨著深度變化而變化，工程技術人員在設計堤壩之初很難進行針對性設計，因此需要特殊的防護措施進行保護。加設防護板后，防護板上相鄰梯形孔之間為外窄內寬的梯形體，可以減少冰體與堤壩結構的接觸面積，使得靜冰壓力的橫向分力不連貫，從而減小對堤壩破壞的可能性。

圖5 原有堤壩受冰壓力圖

為了設計合理的結構型式，需要針對當地的氣候條件確定可能出現的最大冰層厚度。關于冰層厚度取值，可根據當地多年的觀測資料或其他方法確定。本文選擇了基于黑龍江勝利水庫觀測數據建立的冰厚與累計日均氣溫關系式如式(1)[17]：

(1)

凹槽部分以觀測或計算得到冰厚D的5/3倍進行設計，上下各多出1/3。本文中靜冰壓力T按照文獻[10]推導的公式取值，凹槽部分設計參數如圖6所示。

圖6 凹槽部分設計參數

各部分尺寸為式(2)與式(3)：

l0=hcotβ

(2)

l3=l1-2hcotβ

(3)

式中：α為堤壩斜坡坡角，(°)；β為梯形孔的上梯形面或下梯形面與堤壩表面的夾角，(°)；h為防護板的厚度，cm；l1為梯形孔底邊長,cm；l2為梯形孔頂邊長,cm；l3為相鄰兩個梯形孔之間的間距,cm。β要小于堤壩或者護坡的坡角α，由于邊界條件的約束，冰體內部對堤壩結構產生橫向冰推力(如圖7)，若此時β大于α，此時橫向冰推力T對下梯形面產生一傾覆力，很可能加快結構的破壞，因此β要小于堤壩或者護坡的坡角α)

圖7 β小于α原因示意圖

靜冰壓力T對原有堤壩的擠壓力T1為式(4)：

(4)

靜冰壓力T對凹槽上梯形面(如圖8)的擠壓力P(如式(5)所示)可分為沿著邊坡的力T2(如式(6)所示)和垂直于邊坡的力P1，其中P1垂直于邊坡，對結構造成的影響不大，在此忽略其對結構的影響。

(5)

(6)

圖8 冰壓力對上梯形面受力分析圖

靜冰壓力T對梯形槽下表面(如圖9)的擠壓力F(如式(7)所示)可分為沿著凹槽的力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)

圖9 冰壓力對下梯形面受力分析圖

(10)

(11)

圖10 F1分力分析圖

(12)

(13)

圖11 F2分力分析圖

(14)

圖12 靜冰壓力T梯形槽內分力示意圖(沿坡向)

靜冰壓力在梯形凹槽內的轉化流程圖如圖13。

圖13 靜冰壓力T在梯形槽內轉化流程圖

裝上防護結構后，靜冰壓力對防護結構沿著邊坡的作用力如式(15)：

(15)

式中：[(l1-2hcotβ)/(l1+l2)]Tcosα為l3部分對應的力，如式(16)：

sin(α-β)sinβ]

(16)

裝上防護結構后，靜冰壓力對堤壩的作用力如式(17)：

(17)

即如式(18)：

(18)

需要滿足的條件為：l1tanβ≥2h，α≥β。通過改變β，h，l1，l2中一項或者幾項參數的大小，使結構達到最佳的防護效果。

3 防護方法效果檢驗

以某地區的參數取值進行效果計算測驗(參數見表1)。

表1 某地區堤壩防護設計參數表

則原有的靜冰壓力大小：F原=Tcosα≈0.766T，加護裝置后對裝置作用力：T′≈0.3035T，對原有堤壩的作用力：T0≈0.4625T。所以在以上的數據下可以將原有的靜冰壓力減少到60.38%

在此以α=40°的邊坡為例，改變其中一項或幾項自變量所減少的靜冰壓力，計算效果見表2。

表2 冰壓力計算效果表

從表格中的結算結果可以發現：

(1)α與β的角度相近時防護所產生的效果更好；

(2)增加防護裝置的厚度h可以減少靜冰壓力對防護裝置的損傷，但是并不能減少對原有堤壩的損傷程度；

(3)由于寒區冰厚有限，一般不超過1.5 m。l1取值在25～35 cm之間，l2取值在15～20 cm之間,具體取值可以根據式(16)和式(17)的結果來判斷；

(4)l2/(l1+l2)的比例增大，對裝置產生的作用力增大，對原有堤壩的作用力也增大，因此可以通過適當減少l2/(l1+l2)的比例來減少靜冰壓力的損傷程度。

4 結 論

基于冰層膨脹破壞機理，提出一種梯形槽式防凍脹防護方法。通過梯形槽將橫向的冰推力分解為若干個不同方向的壓力，作用在不同的結構上，從而減輕建筑物的冰害程度。對該方法進行防護效果檢驗，結果表明防護板梯形槽設計角度α應接近坡角β；防護裝置的厚度h影響防護板的損傷程度，當靜冰壓力較大時可適當加大厚度；l1與l2的取值直接影響防護效果，l1取值在25～35 cm 之間，l2取值在15～20 cm之間，當靜冰壓力較大時，應適當減少l2/(l1+l2)的取值來減少冰壓力帶來的損傷。

由此可見，該方法可大幅緩解寒區堤壩凍害問題，提高堤壩的防凍能力，增長寒區水工建筑物的使用壽命，從而提高經濟效益。