漳澤水庫上游護坡的凍害與防冶對策

劉建軍

（山西省漳澤水庫管理局 山西長治 046021）

上游護坡是土壩外部結(jié)構(gòu)的重要組成，它對土壩的安全具有重要作用?？杀Ｗo土壩上游壩體免受風(fēng)浪的淘刷和冰凍的破壞。但對于嚴(yán)寒地區(qū)的水庫，由于冰面大，上游護坡受到的冰凍破壞極為嚴(yán)重，每年需投入大量人力物力進(jìn)行修理，既浪費又影響水庫的正常運行。如不及時修理或修理不符合要求，就會形成惡性循環(huán)，即凍害——風(fēng)浪掏刷——再凍害，直至壩體大面積破壞，使險情惡化或擴大。因此，嚴(yán)寒地區(qū)防治土壩上游壩體凍害是一項重要任務(wù)。本文就以漳澤水庫為例介紹一下凍害的防治對策。

1 漳澤水庫概況

漳澤水庫位于長治市北郊，是濁漳南源干流上的一座控制性工程，屬海河流域漳衛(wèi)南運河水系。壩址以上干流72.3 km，控制流域面積3176 km2。水庫樞紐包括攔河壩、溢洪道、泄水洞和引水口。攔河壩為均質(zhì)土壩，長2514 m，改建后壩高22.5 m。

水庫于1959年11月動工修建，1960年4月竣工。由于原建工程質(zhì)量差，防洪標(biāo)準(zhǔn)低，存在諸多問題，運用中曾多次進(jìn)行局部和單位工程的改建、擴建、加固。1989年10月投資5509萬元又實施了全面的加固改建工作，于1995年完工。水庫庫容4.273億m3，防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)100年設(shè)計，2000年校核。

2 冰與冰壓力

寒冷地區(qū)的水庫中，庫面在冬季將凍結(jié)一層冰晶體，有些地區(qū)冰層可達(dá)1 m以上，漳澤水庫在冬季冰層最厚可達(dá)40 cm以上。當(dāng)氣溫回升時，冰層膨脹，隨即對岸邊和壩體產(chǎn)生靜冰壓力，靜冰壓力作用在溢洪道和泄水洞上，可使閘門變形。冰塊破碎后，又會產(chǎn)生撞擊在壩面的動冰壓力。

3 冰凍對土壩上游護坡和溢洪道閘門的破壞

在寒冷地區(qū)，特別是嚴(yán)寒冷地區(qū)，土壩上游護坡在冰凍作用下易產(chǎn)生下列破壞情況。

3.1 壩體土體凍脹

當(dāng)壩坡土體表層未設(shè)砂殼保護層或保護層厚度不足、不均勻且護坡下壩體土質(zhì)為粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)壤土或粉土?xí)r，壩體浸水后，冰凍期壩坡上易產(chǎn)生不均勻凍脹，這種現(xiàn)象在距冰面1.5 m左右范圍內(nèi)的壩體最為明顯。土體的不均勻凍脹使護坡塊石隆起，再加上冰蓋推力的作用，護坡就遭到破壞。待冰體和凍土融化后，護坡不可能再恢復(fù)原狀，形成一堆一堆的架空亂石，這就使壩體土料失去保護，大風(fēng)浪時，對壩體淘刷極為嚴(yán)重。

3.2 冰蓋的破壞作用

在寒冷地區(qū)，特別是嚴(yán)寒冷地區(qū)，水庫冰蓋產(chǎn)生沿壩坡向上爬升的現(xiàn)象，這種爬升有時一天幾厘米，嚴(yán)重時一天幾十厘米，一個冬季爬升可達(dá)4～5 m。

這是因為冰體與其他物體一樣有熱脹冷縮的屬性，受陽光照射時膨脹，夜間溫度降低就收縮，所以冬季夜間在水庫能聽到清脆的撕裂聲，即為冰蓋收縮產(chǎn)生裂縫時發(fā)出的聲音。冰蓋裂縫內(nèi)進(jìn)水凍結(jié)后，又增加了冰蓋的膨脹量，如此交替循環(huán)，膨脹量就逐漸增大，冰蓋便沿壩坡不斷上爬，特別是冰蓋與護坡凍結(jié)在一起時，其破壞作用更加嚴(yán)重，冰蓋能產(chǎn)生很大的靜冰壓力，瞬間靜冰壓力可達(dá)40～50 N/cm2所以冰蓋的推力能嚴(yán)重破壞護坡。

漳澤水庫在對電廠供水前冬季冰蓋最高爬高可達(dá)2m，在對電廠供水后，由于電廠循環(huán)使用冷卻回水在冬季可達(dá)10℃左右，使水庫水溫升高，冰凍有所減輕，現(xiàn)在冬季冰蓋最高爬升有0.5m左右。

3.3 冰蓋對溢洪道閘門的破壞

漳澤水庫溢洪道位于大壩右端，全長304m，閘室為胸墻式，設(shè)4孔，為9.2m×6.6m的弧形鋼閘門，冰蓋的推動力使弧形鋼閘門變形，出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，漏水在閘門后結(jié)冰，形成大大的冰柱掛在閘門后，冰柱的膨脹收縮又加大了閘門的變形，如此交替循環(huán)，使閘門變形更加嚴(yán)重，最終可使閘門變形影響泄洪。

4 土壩護坡凍害的防治

多年來，土壩護坡的凍害防治始終是一個難以解決的問題，目前尚未找到特別有效而經(jīng)濟的辦法，下面介紹幾種措施：

4.1 梢捆方法

這是一種地方性辦法，在盛產(chǎn)梢柴的地方可使用。使用時，將梢柴用鐵絲綁成圓柱形，當(dāng)庫面剛結(jié)成薄冰時，沿壩坡與冰面的交線將薄冰刨碎，再將梢捆放入，當(dāng)冰蓋開始融化時，靜冰壓力作用在梢捆上。使冰蓋與護坡脫離接觸，這樣梢捆對冰壓力起緩沖作用，使護坡免受破壞。

4.2 吸氣防凍

壩體不長時，對有條件的樞紐工程，可沿壩坡與冰面交線附近設(shè)供氣管道，每隔一定的距離設(shè)出氣管口，并插入到防凍部位的水下，用風(fēng)泵或空氣壓縮機供氣，通過定時在水下吹氣攪到水面，保持水面不結(jié)冰。吹氣次數(shù)根據(jù)當(dāng)?shù)貧鉁刈兓`活掌握。

4.3 破冰防凍

沿壩坡與冰面的交線，每隔一定時間就將冰蓋刨碎一次，使壩面與冰蓋交線處的水永不凍結(jié)，形成不凍槽，這樣可使護坡免受靜冰壓力的破壞。漳澤水庫溢洪道和泄水洞采用此法，在冬季時派專人負(fù)責(zé)，按一定時間和結(jié)冰情況進(jìn)行。

5 結(jié)語

目前，土壩護壩多采用塊石或混凝土板塊砌筑，其下鋪以墊層。實踐證明，這兩種護坡對抵御風(fēng)浪的作用有一定效果，但不能抵御靜冰壓力的撞擊。因為塊石護坡單層厚僅0.3～0.35m，雙層厚約為0.4～0.6m，混凝土護坡的混凝土板一般為50cm×50cm的方形板塊，以上尺寸都是考慮風(fēng)浪作用設(shè)計的，一般不考慮冰壓力的作用，故不能抵御冰凍的破壞，若考慮冰壓力的作用，則塊石和混凝土板的體積將會太大，這樣既不經(jīng)濟，又給施工造成困難。目前，多數(shù)采取消極辦法，即破壞了再修理，實際上是以治為主的被動措施，這個問題有待進(jìn)一步研究解決。