芻議龍頭橋水庫護坡凍害情況對策

李明鎬,王立權(quán),教婷婷

(黑龍江省龍頭橋水庫管理處,黑龍江 寶清 155600)

1 水庫概況

龍頭橋水庫是一座以灌溉、防洪為主,兼顧發(fā)電、養(yǎng)魚、旅游等綜合利用的大型水利樞紐工程。工程等級為Ⅱ等工程,按100 a一遇洪水設(shè)計,2000a一遇洪水校核,水庫校核總庫容為6.15億m3。工程樞紐由大壩、溢洪道、輸水洞和電站4個部分組成。黑龍江省龍頭橋水庫位于黑龍江省東部,屬高緯度地區(qū)。多年平均氣溫 3.5℃,最高氣溫出現(xiàn)在 7月份,月平均氣溫為 21.9℃,極溫為 36.6℃;最低氣溫出現(xiàn)在 1月份,月平均氣溫為-18.1℃,極溫為 -37.2℃。流域形狀成長方形,水系呈羽狀分布。平均凍深179 cm,最大凍深可達253 cm。經(jīng)過幾年的運行觀察,龍頭橋水庫完全封凍的時間在每年的 11月下旬,完全開庫在每年的 4月下旬,封凍時間約 5個月。

2 水庫冰凍破壞情況

2.1 土石壩迎水面護坡

土石壩迎水面護坡為混凝土護坡,混凝土護坡板的尺寸為400 cm×400m,厚度為20 cm,混凝土護坡板下鋪30 cm的碎石墊層。在封凍期的水位變化帶采用的是鋼筋混凝土護坡。經(jīng)過7 a的運行,多年冰層變化帶的鋼筋混凝土護坡沒有發(fā)生結(jié)構(gòu)性的破壞。

2.2 溢洪道引水渠的護坡

溢洪道引水渠護坡為混凝土護坡,尺寸為2m×2m,厚度為15 cm。混凝土護坡板下鋪20 cm的碎石墊層,碎石墊層下鋪20 cm的砂礫石墊層。在多年冰層變化帶及以上部分區(qū)域內(nèi),部分混凝土護坡板產(chǎn)生了凍脹破壞,其中一部分護坡板產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)性的破壞。主要表現(xiàn)在:①混凝土護坡板產(chǎn)生橫向折斷現(xiàn)象;②混凝土護坡板上部被抬起,整體被上移。

2.3 溢洪道翼墻表面混凝土

溢洪道兩側(cè)翼墻在水位變化區(qū)域存在凍融剝蝕,由于微裂縫的存在,引發(fā)了局部的混凝土破壞。

2.4 輸水洞進口等漿砌石護坡

漿砌石護坡受冰凍破壞十分嚴(yán)重。由于受到凍脹、不均勻凍脹和冰壓力作用,使得一部分漿砌石已經(jīng)發(fā)生較大位移,經(jīng)過多次的凍融循環(huán)后不能恢復(fù)原位。在波浪淘刷的作用下,漿砌石下被掏空、塌陷,至使全部漿砌石護坡破壞,一部分漿砌石落到水中。

3 產(chǎn)生原因分析

3.1 冰層彎矩作用

在水庫封凍以后,由于冰層以下庫水位的變化,至使冰層產(chǎn)生下降或上移,護坡板處冰層與護坡板凍結(jié)在一起,冰層的上、下移動對護坡板產(chǎn)生彎矩作用。由于混凝土的抗拉性弱,因此,混凝土護坡板產(chǎn)生橫向斷裂現(xiàn)象。

3.2 不均勻凍脹力

凍脹是引起北方水工建筑物破壞的因素之一,由于不均勻凍脹,使得混凝土護坡板內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力,由于一部分混凝土護坡板的抗力不足而使其破壞。

3.3 凍拔力和水平冰推力共同作用

由于庫水位以下的混凝土護坡板下墊層含水量大,毛細力和風(fēng)浪的共同作用使得庫水位以上護坡板下墊層的含水量增大,在水庫的封凍期產(chǎn)生一定的向上凍拔力。加之由于氣溫的變化,使得冰體產(chǎn)生相應(yīng)的膨脹變化,冰體受到周邊邊坡的約束,使之產(chǎn)生對岸坡的水平冰推力。在這樣幾個冰凍周期的循環(huán)作用下,使得混凝土護坡板與冰層接觸處的上部上抬,并產(chǎn)生向上的位移。

3.4 水的影響

由于處在水位變化區(qū)的溢洪道翼墻表面存在微裂縫和施工存在著一部分缺陷,受到波浪爬高及融雪等的影響,使得冰層及以上部分混凝土表面的含水量超過起始凍脹含水量,產(chǎn)生凍脹破壞。

4 防凍害的方法

①在冰層變化帶的護坡采用鋼筋混凝土護坡;②在設(shè)計合理范圍內(nèi),增加護坡的坡度,減小靜冰壓力在坡面方向上的分力;③澆筑大塊混凝土,增加混凝土的厚度,提高護坡的重量,減小凍拔力的破壞;④結(jié)構(gòu)縫可采用聚氯乙烯膠泥等,能適應(yīng)護坡的伸縮和微變形,在變形時不漏水;⑤可在封庫前期在整個冰層厚度區(qū)內(nèi)鋪設(shè)塑料薄膜,減小冰層與護坡混凝土之間的膠結(jié)力,減小冰層對混凝土護坡的彎矩作用;⑥多年冰層變化帶的混凝土工程要求表面光滑、平整,有條件可在混凝土表面涂上防護漆,提高抗?jié)B能力。

5 結(jié) 論

從龍頭橋水庫的實際凍害情況來看,與水接觸的鋼筋混凝土護坡抗凍害比混凝土的強,漿砌石護坡的抗凍性最差,不易用在與水直接接觸處。水工建筑物在經(jīng)歷幾年的運行后都基本發(fā)生了不同程度的凍害現(xiàn)象,為了更好的提高水庫護坡工程的抗凍效果,結(jié)合實際的經(jīng)濟情況,可在合理的條件和范圍內(nèi)結(jié)合幾種防凍害方法解決護坡凍害問題。如有條件要對護坡鋪設(shè)塑料薄膜等方法進行對比觀測研究,提出減小凍脹破壞的數(shù)據(jù)。

[1] 黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院 .黑龍江省三江平原撓力河龍頭橋水庫工程初步設(shè)計[R].哈爾濱:黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院,1996.

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