水工建筑物抗冰凍的有效措施

魏希寶

(黑龍江省泥河水庫管理處，黑龍江 蘭西 151500)

1 保溫措施

負(fù)氣溫是產(chǎn)生土體凍脹的主要影響因素之一。保溫措施是利用保溫材料或利用水層改變負(fù)氣溫與土體的熱交換條件，減少土的凍結(jié)深度或改變基土或回填土溫度場的形狀，從而達(dá)到削減或消除土體凍脹的方法。

2 排水、隔水措施

水是引起凍脹的因素之一。土體處于干燥狀態(tài)時，在負(fù)溫作用下地基土不會凍結(jié)，而形成“寒土”。當(dāng)含水量低于起始凍脹含水量時，地基土雖然凍結(jié)，但不會發(fā)生凍脹，甚至出現(xiàn)凍縮現(xiàn)象。若能設(shè)法降低地基土的凍前含水量且能切斷凍結(jié)過程中的外來補(bǔ)給水源，就能削減乃至消除地基土的凍脹。

2.1 襯砌渠道

1)排水措施。當(dāng)凍融層或置換層下不透水或弱透水層較薄，深層地下水埋深大于工程設(shè)計凍深時，可在渠底每隔10～20 m設(shè)一眼盲井，使凍融層或置換層與地下水連通。當(dāng)渠床的凍融層有排水出路時，可在工程設(shè)計凍深底部設(shè)置縱、橫向排水暗管，把渠床凍融層中的重力水或渠道旁滲水排出渠外。對冬季輸水的襯砌渠道，當(dāng)渠側(cè)有旁滲水補(bǔ)給渠床時，可在最低運行水位以上設(shè)置反濾排水體，排水口設(shè)在最低行水位處，將旁滲水排入渠內(nèi)，避免浸濕渠床。

2)隔水措施。當(dāng)?shù)叵滤盥袂覠o旁滲水補(bǔ)給時，可在襯砌體下鋪設(shè)聚乙烯薄膜或土工膜;襯砌體與膜料間可用25號水泥砂漿做過渡層。

2.2 板型基礎(chǔ)

無防滲要求的板型基礎(chǔ)排水措施與襯砌渠道相同。隔水措施主要是土工膜封閉法，這是一種消除地基凍脹的有效方法。是將天然地基進(jìn)行開挖、晾曬、脫水至塑限含水量后回填，回填時利用土工膜進(jìn)行隔層封閉處理而形成的一種人工地基。

封閉平面范圍是沿基礎(chǔ)平面輪廓線向外加大0.5 m?；靥钔亮厦扛魧油梁?.3～0.5 m，含水量宜低于0.8倍塑限含水量，干密度不低于原基土天然干密度的1.05倍。各封閉層必須保證嚴(yán)密、不透水;基礎(chǔ)側(cè)面應(yīng)采取削減切向凍脹力措施。

2.3 擋土墻

2.3.1 排水措施

在滿足滲徑要求的條件下，擋土墻應(yīng)設(shè)置排水孔。

1)一般排水法:排水孔部位應(yīng)設(shè)置反濾層，墻后土為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級和有地下水時，宜在凍前地下水位以下設(shè)置斜臥式或水平式排水體，并與排水孔連通。

2)特殊排水法:當(dāng)回填土的凍脹性屬Ⅲ類以上時，在自墻體前地面工程設(shè)計凍深范圍內(nèi)的墻后回填土中，自墻頂起每隔50～100 cm厚土層下，設(shè)一層20 cm厚的卵石排水層，排水層宜用土工布作反濾并與集水井管連通，集水井直徑≥30 cm。

2.3.2 隔水法

隔水回填要求同板式基礎(chǔ)，隔層封閉范圍同置換法范圍相同。

3 凍脹性地基改良措施

地基土質(zhì)是決定地基凍脹敏感性的內(nèi)部因素;而水分、溫度和壓力條件則是決定地基凍脹敏感程度的外部因素。影響凍脹敏感性土質(zhì)條件主要包括地基土的物理、化學(xué)成分、土的顆粒組成和土的密度。消除地基土凍脹的措施主要有物理學(xué)法、換填法和動力法。

3.1 置換法

對襯砌結(jié)構(gòu)、板型基礎(chǔ)、擋土墻等結(jié)構(gòu)均可采用置換法削弱或消除地基凍脹。當(dāng)?shù)鼗蚋浇休^豐富和適宜的非凍脹性土?xí)r，可采用非凍脹性土置換渠床、基礎(chǔ)下及擋土墻后的凍脹性土。當(dāng)置換層有被淤塞危險時，應(yīng)設(shè)置反濾層;當(dāng)置換層飽水時，要有通暢的排水出路。置換平面范圍應(yīng)沿基礎(chǔ)輪廓線向外加大50 cm。置換的地基在凍結(jié)期內(nèi)必須有通暢有效的排水條件。對擋土墻在滿足滲徑要求的條件下，可采用非凍脹性材料做墻后回填土。

3.2 動力法改良地基

動力法改良地基是利用強(qiáng)大的動力預(yù)先將地基土高度壓密，使地基的孔隙率壓縮到最低限度，極大地降低土的含水量和滲透系數(shù)，并使凍結(jié)時的水分遷移幾乎不可能發(fā)生，從而減小或避免地基凍脹。目前常用的有強(qiáng)夯法和壓實法。

強(qiáng)夯法是使數(shù)十噸的重錘，從幾十米的高處自由落下，對土體進(jìn)行強(qiáng)力夯實。一般采用50～800t·m的沖擊能使土中出現(xiàn)沖擊波和很大的應(yīng)力，造成土中孔隙壓縮或土體局部液化，夯擊點周圍產(chǎn)生裂隙，順利地逸出孔隙水，使土體迅速固結(jié)。

壓實法是用碾壓機(jī)械壓實土體，提高地基黏性土的密度。

3.3 物理化學(xué)法改良地基

1)人工鹽漬化改良地基。在地基土中加入適量的可溶性無機(jī)鹽，提高孔隙水鹽分濃度，使土壤鹽漬化，從而降低土的凍結(jié)溫度，抑制水分遷移，把凍脹性土改良為非凍脹性土。

2)摻入增水劑改良地基土。在土中加入增水性物質(zhì)，使土顆表面活性收斂，凍結(jié)時就可以避免水分遷移，從而減少或消除地基凍脹，達(dá)到改良地基凍脹的目的。

3)凝固加固法改良地基土。采用膠凝材料或聚合劑將高度分散狀態(tài)的地基土膠結(jié)成固狀態(tài)或聚合成大的團(tuán)粒狀態(tài)的堅實地基，不僅可以提高地基承載力，而且能從根本上消除地基的凍脹性。

4 削弱或消除樁、墩切向凍脹力的措施

樁、墩切向凍脹力是由水平凍脹力隨地基土凍脹向上位移，凍土地基與樁、墩產(chǎn)生的摩擦力和地基土與樁、墩凍結(jié)在一起產(chǎn)生的凍結(jié)力兩部分組成。

4.1 削弱樁、墩切向凍脹力的措施

凍深范圍內(nèi)樁、墩表面盡可能光滑平整，減小樁、墩表面與凍土的摩擦系數(shù)，以削弱切向凍脹力;凍深范圍內(nèi)樁、墩表面采用油氈紙或塑料布包裹消除樁、墩與凍土的凍結(jié)力及減小摩擦系數(shù)，以削弱切向凍脹力。同時應(yīng)考慮非凍脹期按常規(guī)設(shè)計時樁基摩擦承載力的削弱。

4.2 消除樁切向凍脹力的措施

雙層套管把地基土與樁徹底隔離，消除了樁的切向凍脹力。同時在被隔離的樁基段內(nèi)，其樁基摩擦承載力也不復(fù)存在。

雙層油套管由上層套管、下層套管、復(fù)位盤、法蘭盤組成。上層套管隨地基凍脹而上拔，隨地基融沉依靠復(fù)位盤逐步復(fù)位;下層套管位于凍層下，上層套管在下層套管內(nèi)上下移動;上、中、下3個法蘭盤固定住的橡膠圈封住樁與套管之間和上下套管之間空隙中的鈣基黃油。雙層油套管適用于已凍拔樁基礎(chǔ)的治理，也可作為新建樁基礎(chǔ)的抗凍拔措施之一。

5 抗冰措施

有些建筑物利用抗冰結(jié)構(gòu)不經(jīng)濟(jì)或無法實現(xiàn)時可采用人工破冰法、機(jī)械破冰法、機(jī)械排冰法、塑料布引滑法、加溫法、保溫法等。

1)破冰法。當(dāng)建筑物前水面結(jié)冰達(dá)到一定厚度時，在建筑物前的冰面上開鑿一定寬度的水槽，每當(dāng)水槽內(nèi)水面上結(jié)冰達(dá)到一定厚度時就破冰取出冰塊，使冰層在水槽內(nèi)自由伸縮，消除冰層的冰推力對建筑物的危害。水槽內(nèi)水面允許結(jié)冰厚度應(yīng)根據(jù)建筑物承受推力大小而定。

2)塑料布引滑法。在土石壩上游壩坡上鋪塑料布使冰與壩坡不能凍結(jié)在一起，當(dāng)冰體熱脹變形時冰體就沿著塑料布上爬，這樣就削弱了冰推力對土石壩上游壩坡的危害。削弱冰推力程度取決于護(hù)坡型式、光滑度、穩(wěn)定性。

3)加溫、保溫法。阻止建筑物與水面結(jié)冰，消除冰壓力。常用的方法有熱空氣法、熱水法、熱油法、壓力水射流法、壓縮空氣吹泡法、聚苯乙烯泡沫塑料板保溫法。

綜上所述，應(yīng)根據(jù)工程地點的氣象、冰情、工程地質(zhì)和凍土基本資料，并結(jié)合建筑物規(guī)模、建筑材料以及同類建筑物抗冰凍經(jīng)驗，靈活運用抗冰凍機(jī)理，選擇一種或幾種抗冰凍措施。即保證水工建筑物在冰凍環(huán)境下安全運行，又要經(jīng)濟(jì)合理。

[1] 沈長松，等.水工建筑物[M].北京:中國水利水電出版社，2008.