水工建筑物的冻害及防冻措施

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摘要：对冻胀的形成与发展过程做了详细阐述，并对冻胀形成的主要原因作出分析，提出冻胀性破坏对水工建筑物的影响及其防治措施。

关键词：冻胀；冻胀系数；换填

中图分类号：TV698.2+6文献标识码： A 文章编号：

本排水渠道不畅通及干渠周围地下水位高，每年冬季停灌后，大量的渠水、地下水滞留在渠道内，使渠道内常年有30～60cm积水，部分水工建筑物周围有100cm左右积水。冬季渠道有20cm左右厚冰层，干渠季节性冻土层厚度达60～80cm。在干渠上修建的闸、涵、护坡等水利工程存在着不同程度的冻胀性破坏，

冻胀力作用于水工建筑物的基础，轻者使基础抬起产生不均匀变形，重者使基础产生断裂导致建筑物产生严重破坏，严重影响了建筑物的正常使用和使用寿命。本文就冻害产生的原因和防治措施做一些介绍。

1 冻胀的形成与发展过程

所谓的冻胀指土在冻胀过程中土的水分(包括外界向冻结锋面迁移的水分，及孔隙中原有的部分水分)冻结成冰，形成冰层、冰透镜体、多晶体冰晶等等的冰人侵体，引起土颗粒之间相对位移，因而使土体产生不同程度的膨胀现象，严重形成冻胀，使地表冻胀高包和冰冻裂缝等现象。

从冻土分层观测结果可以看出，土体最大冻胀率出现的地方是从地表至冻层1／3～2／3处，产生的冻胀量约占总冻胀量的70 ～90% ，因而称之为主冻胀带或者强冻胀带。土体的最大冻胀率分布在1／5～4／5最大冻结深度部位。其中冻胀变化过程可划分为三个阶段：

(1)冻胀剧烈增长阶段：冻胀量随冻结深度增加而剧烈地增长，一直可以延续到2／3～4／5的最大冻结深度。

(2)冻胀缓慢一稳定阶段：尽管冻结深度仍然继续增加，但冻胀量增加缓慢，并逐渐相持在已有的冻胀量水平，此阶段一直保持到地表土开始融化。

(3)冻胀量下降阶段：随着气温的回升，土壤开始融化，冻胀量逐渐下降，此阶段一直保持到冻胀量消失。

实践证明，土的冻结是由于土体内水分的迁移或者运动形成的。当地下水位越高，地表的冻胀量越大，土体冻结，水分向冻结锋面迁移或者运动，以薄膜一毛细作用的迁移方式为主，也就是主要通过薄膜水和毛细水(是指处于地下水面以上的某一高度范围内，充满着土壤空隙的水体，其冰点比0℃略低，冻结时土壤的毛细管就成为地下水向冻结锋面运动的主要通道)的联合作用下完成的。例如重庆省某水库泄洪闸铺盖基础，冻结后基础土的含水量比冻前增大了5倍。

2 水工建筑物常见的冻胀破坏现象

2．1 小型水工建筑物冻胀后向上抬升现象

例如重庆某干渠引水闸、某电站退水闸两处闸后边坡、底板，因为混凝土和浆砌石厚度不大，以及基础为粘性土壤，由于冻胀原因，造成闸后边坡、底板不同程度的倾斜断裂和向上抬升。

2．2 大面积现浇混凝土板产生冻胀裂缝或者板缝错位隆起现象

例如水库混凝土防浪护坡，结构形式为混凝土双防，板厚12cm，板后用人工回填砂土，主要以亚砂为主，部分有亚粘土，在水位变动区发生大面积的冻胀现象，混凝土板沿各墙水平隆起，隆起高度一般为3～5cm，最大部分为13cm，并发现有部分板出现水平裂缝。由于冻胀的不均匀性，发现错动高差范围达1～5cm。

2．3 混凝土衬砌预制六楞块渠道冻胀后。不规则隆起下滑破坏现象

例如某段渠道，2O世纪7O年代对该段渠道进行铺设预制块防渗，运行3年后，全线预制板和现浇底板出现隆起、错位、下滑以及断裂等等冻胀现象，以至最终报废。

3 水利工程冻胀破坏的防治

水利工程冻胀破坏的防治，要从合理设计、精心施工、加强管理等方面考虑。

3．1 合理的设计砌体的结构形式

在水利工程冻胀破坏部位上，坡角处是最易被破坏的位置，也是解决冻胀破坏的关键所在。结合这些年工程建设的施工经验，具体的措施是：①在原有的护坡基础上布置护脚平台，平台宽80cm，高出结冰面20cm，坡面采用块石混凝土护面，混凝土厚6～10cm。块石混凝土护坡的特点是整体性强，其抗冻性、透水性都优于其它护坡的结构形式，近几年在干渠上建设的水利工程迎水面常采用这种护面形式，这种护面形式对有效的预防冻胀破坏有一定的作用。② 已建成的水利工程(挡土墙、护坡、翼墙)，首先进行破面以下60cm的土质替换，用抗冻性较强的砂砾石替代原来的土壤，砂砾石下面铺设土工布，砌体内布置排水管，排水管分上下二层布置，下面一层排水管布置在结冰面30cm处，管内用砂砾石填塞，排水管后面用土工布绑扎捆好，其目的是排出砌体内部的渗水。其次基础部位留够20cm的护脚平台，坡面亦采用块石混凝土护面，阻挡渠道积水向砌体内渗入，预防冻胀破坏对水利工程的危害。

3．2 精心施工提高工程质量

水利工程冻胀破坏与浆砌石及混凝土的强度有密切的关系。

当砌体自身强度高，其抵抗因冻胀而破坏的内部给构力越大。冻结后浆砌石及混凝土强度的降低值便小，这是由于砌建筑材料各骨料之间已具有一定的粘结力的缘故。因此，提高工程质量主要包括①建筑材料强度要满足抗冻性、抗渗性、耐久性、透水性等强度要求。②浆砌石体内砂浆饱满密实，回填土方一定要夯实。③控制好水灰比，尽量减少人为因素。

3．3 换填法

我国混凝土预制板、现浇混凝土及浆砌石渠道的换填率(即垫层厚度加上衬砌厚度占最大冻土深度的百分比)，当地下水位较低，渠道或基础为亚粘土、亚砂土时，换填率一般在5O%～7O% ；当地下水位较高，不仅换填层本身发生冻胀，而且下部残留的冻土层冻胀系数较大，渠道或基础为粘性土时，换填率要在100%以上，才能防止水工建筑物和渠道冻胀问题。

3．4 保温法

采用聚苯乙烯泡沫塑料作为保温隔热层，铺在渠道混凝土衬砌板以下，经过近几年在我区工程上的应用证实，对工程的防冻胀效果比较明显，据国外工程部门的验证，铺设lcm的聚苯乙烯泡沫塑料保温隔热层，约相当于14cm换填土的保温效果。

3．5 排水隔水法

通过排水或者隔水措施，降低渠道或者水工建筑物基础地下水位，以达到削减和消除冻胀现象的发生。采用在其顺水流方向左侧挖设了一条排水渠，以达到截断水源和降低渠道和水工建筑物周边地下水位的作用，渠道经过近几年的运行，发现抗冻胀效果较好。

3．6 加强水利工程管理

要加强水利工程管理工作，提高养护质量，预防冻胀破坏现象的发生。对已发生冻胀破坏的水利工程要尽快地对其进行维修处理，以免冻胀破坏面进一步扩大，影响渠道的正常使用。干渠全线傍山，且地处寒冷地区。为减少冻胀破坏对水工建筑物造成的影响，在冬季停灌后，应尽快排出渠道内剩余的积水，以减小冻胀性破坏对水工建筑物的影响。

4 结束语

今后的工程建设中，水工建筑物的冻胀问题仍然是水利工程工作者的研究课题。随着科学技术的发展，防止水工建筑物冻胀的方法和措施将会更为先进。通过对已建没有遭到冻胀破坏水利工程的调查，认真总结经验，在今后的施工中杜绝类似事故的发生。