基于冰壓力對水庫影響與具體應對措施概述

張曉魯，郭友文，吳 頔

(1. 虎林市水利勘測設計隊，黑龍江 虎林158400;2、黑龍江省水利工程建設局，哈爾濱150081)

眾所周知，修筑水庫，不但可以利用水能這種可持續(xù)能源發(fā)電蓄能，還可以蓄水供用城鎮(zhèn)用水和農業(yè)灌溉，并可攔截洪水、調節(jié)下游水量。但是對于高緯度地區(qū)( 例如我國東北部) ，由于全年溫差較大，冬季常為負溫，庫水體易結冰，而冰壓力對水庫有著很嚴重的影響。為了保持水庫的穩(wěn)定性，要盡量減小冰壓力對水庫的影響。

1 冰壓力的產生

冰壓力( ice pressure) ，顧名思義，是由于水凝固形成冰體，從而對水工建筑物表面產生的作用力。冰壓力可分為靜冰壓力和動冰壓力兩種，其中靜冰壓力是指水庫表面結冰后，因氣溫上升( 仍低于臨界點) 冰層膨脹而對建筑物產生的作用力;動冰壓力是指當冰塊流動時，流冰撞擊建筑物而產生的作用力。動冰壓力具體計算公式如下

式中: Vb為冰塊流速，m/s，按實測資料確定或采用歷年冰塊運動器內最大風速的3%，但不宜大于0.6 m/s; db為流冰厚度，m，可采用當地最大冰厚的0.7 ～0.8 倍; Ab為冰塊面積，m2，由當地或鄰近地點的實測或調查資料確定; fic為冰的抗壓強度，MPa，對于水庫可采用0.3MPa。

水凝固成冰時，其體積增加約9%，隨著溫度降低，冰體體積也隨之變小，當外界溫度回升( 未到0°) ，冰體則發(fā)生膨脹。冰壓力的大小主要與溫升速度有關，當溫升速度較慢時，冰蓋可產生塑性變形，冰壓力較小; 另外冰壓力還與冰蓋周邊支承有關，如岸坡較軟，則冰蓋膨脹會使土壤變形。

由于外界溫度不斷變化，冰體不斷縮小又不斷膨脹，冰面也不斷上下移動，而水庫中的水工建筑物阻礙其膨脹移動，故而水工建筑物的迎水面受到冰壓力的作用影響。另外水面上有流動冰體的話，其冰體對建筑物也存在一定的沖擊作用力。

2 冰壓力對水庫的影響

水庫中與冰面接觸并且產生冰壓力的主要建筑物有上游壩面、護坡，溢洪道閘門、閘墩，以及取水管道等。對于單一建筑物，冰壓力在不同時期對其產生的作用也不一樣。其中大致可分為以下3 種:

2.1 冰拔作用( 冰體的縱向膨脹收縮)

冰拔作用發(fā)生的部位主要是坡腳隔墻和護坡的下半部，其作用面的特點是呈水平帶。冰拔作用是由于冰與坡面凍結，產生很大的凍結力，凍結力可以表現為剪力或者拉力，這主要由它們間的相互位移的趨勢來決定，凍結力與位移的趨勢相反，例如水位上升的時候，則產生上拔力。另外凍結力與壩面粗糙程度有很大的關系，冰拔作用在干砌石護坡上表現得尤為突出。由于外界溫度變化、冬灌或者上游其他蓄水工程攔蓄造成上游來水量不能正常入庫，使得上游水位發(fā)生變化，而冰體與建筑物凍結在一起，從而建筑物受到縱向的作用力，當溫度上升時，坡腳由于冰壓力作用而發(fā)生松動、旋轉、甚至被拔起; 當溫度下降時，護坡會產生壓應力，甚至可能會壓縮產生彎矩。

2.2 冰推作用( 冰體的橫向膨脹收縮)

冰推作用的產生主要是因為水庫冰層升溫膨脹時產生很大的推力，而這推力作用在與之接觸凍結的建筑物上時則發(fā)生冰推作用。關于冰推作用所產生的冰壓力取值見表1。由此可見，冰推作用產生的冰壓力與冰厚是近似成正比的。另外冰推作用對壩體有著很大的影響，當冰壓力過大時，壩體可能會發(fā)生松動，減小壩體穩(wěn)定抗滑力。

表1 水庫冰層升溫膨脹時水平方向作用于壩面的靜冰壓力

2.3 凍冰撞擊作用

當冰層解凍，冰體破碎時，冰塊在水流與風力的共同作用下，撞擊在護坡上，對護坡產生撞擊破壞，易使壩面出現裂痕甚至破碎。

另外對于閘門與管道，冰層與其凍結后，在氣溫回升時冰層會產生膨脹壓力，當水位升降時會產生縱向拉力。由于閘門未考慮冰荷載，這縱向拉力會造成閘門和閘墩超載，對閘門的閘墩均有一定的影響和破壞。閘門和閘墩在超荷載狀態(tài)下運行，使閘門在冰壓力作用下上抬開啟和產生一定的塑性變形。由于冰壓力及閘門水壓力聯合作用在閘墩兩側而使閘墩產生拉力，當閘墩所受的拉力超過其極限抗拉強度時就會造成閘墩的開裂，并且為垂直裂縫。而管道方面則可能會發(fā)生凍結開裂。

3 減小冰壓力的具體應對措施

工程上為減小冰壓力，通常在建筑物上游采取防冰、破冰措施。例如在建筑物上游面附近的冰蓋上鑿槽或在建筑物附近的水中通以壓縮空氣等，使建筑物附近水面不能結冰，使冰壓力減小或者去掉。

3.1 對于水庫整體建筑要求

1) 在充分掌握工程所在地的自然條件和運行情況等基本資料的前提下，合理確定冰荷載;

2) 選擇適宜的材料和確定混凝土抗凍等級;

3) 在選擇工程站址、總體布置和結構型式時，應充分考慮冰凍作用;

4) 進行冰壓力和凍脹力作用下的穩(wěn)定和強度驗算，確定必要的抗凍脹工程措施。

3.2 閘門位置

根據《水利水電工程閘門設計規(guī)范》的規(guī)定，閘門以及相關部位不允許承受冰壓力，為防止冰壓力的破壞，寒冷地區(qū)鋼閘門應有防冰措施。

1) 在距閘門2 m左右，用錘、冰鏟等工具經常打開冰層，防止凍結。

2) 為了保護閘門的正常作用，在冰層打開后，應及時清除閘門上的冰塊，并且經?；顒娱l門，一般可在提閘前采用熱水淋澆或輕輕敲打閘門的辦法，使冰塊脫落。

3) 當流冰過閘時，在可能的情況下，應將閘門全部打開，以減輕壅冰及冰塊對閘門沖擊磨損作用。

4) 較大閘門可采用空氣壓縮機，將壓縮空氣打入冰層以下，使水表層與下層強制對流，防止建筑物前的水凍結。

5) 用潛水泵把庫區(qū)內底層溫度較高的水抽到水面附近，用上面穿有小孔布設在水面附近的管道進行噴射，攪動和加熱建筑物周邊的表層水防止結冰。

6) 當氣候嚴寒、流冰嚴重時，應停止引水，以免渠道壅冰決口。

3.3 對于迎水面建筑物

迎水面建筑物減小冰壓力的方式主要是以人工除冰或者機械破冰。在建筑物前開鑿0.5 ～1.5 m寬的不凍水槽，隔斷冰壓力的傳遞。破冰周期則根據冰壓力對壩坡破壞最大的時間，由觀測資料統(tǒng)計分析，主要是在溫度變化劇烈、冰層活動頻繁、冰層較薄的凍結初期和溫度回升轉暖的凍結后期綜合指定。

對于土壩護坡，防治冰壓力破壞的技術主要有破冰開槽、加長緩坡、放緩坡比法、干砌塊石護坡法、卵石護坡法、預制混凝土板塊法、在護坡臨水處鋪放塑料薄膜法以及調節(jié)水庫水位法等，下面將詳細介紹下干砌石護坡技術。

干砌石護坡技術是通過微弱的柔性變形，削減塊石與冰面之間產生的剪切力。塊石不但具有抗風浪淘刷的能力，而且對冰壓力的破壞更有抗整體變形的能力。干砌塊石護坡分為3 層，分別是護面塊石層、碎石墊層和無紡布隔離反濾層。護坡石料應選用石質良好、質地堅硬、不易風化的新鮮石料，不得選用質地脆弱的頁巖作護坡塊石，石料幾何尺寸應根據大壩所在地區(qū)的風浪大小和冰凍程度來確定。砌石應以原坡面為基準，在縱、橫方向掛線控制，自下而上，錯縫豎砌，緊靠密實，塞墊穩(wěn)固，大塊封邊，表面平整，注意美觀。墊層材料應選用具有良好的抗水性、抗凍性、耐風化和不易被水溶解的砂礫石、卵石或碎石，墊層厚度必須根據反濾層的原則設計，根據堤防設計規(guī)范一般厚度為0.15m。反濾層應滿足保土性、透水性和防堵性要求。

在結構及管理上采用防護措施。冰凍地區(qū)的護坡，應有足夠的重量，砌筑整體性要好，有較好的表面平整度。在選擇施工材料時應選擇抗凍性能強的石料，施工時應互相咬緊。護坡厚度及塊徑大小應由抗凍計算或者以往經驗確定。

4 結 語

在我國東北地區(qū)，冬季氣溫寒冷，冰壓力在水庫大壩設計中一定予以充分考慮，冰壓力的產生和其對水庫大壩整體的影響也給水庫的維修養(yǎng)護帶來了困難，更增加了運行成本。因此，在寒冷地區(qū)水庫大壩的設計修筑中，不但要嚴格按照國家制定的修筑標準來執(zhí)行，更要充分發(fā)揮我們的頭腦，研究出性價比更高的減小冰壓力的方案，使得水庫可以更加穩(wěn)定安全的運行。

［1］梅孝威. 水利工程管理［M］. 北京:中國水利水電出版社，2009.

［2］水利部國際合作與科技司，水利部水利水電規(guī)劃設計總院，中水北方勘測設計研究有限責任公司，長江勘測規(guī)劃設計研究院. 工程建設標準強制性條文:( 水利工程部分) ［S］. 北京:中國水利水電出版社，2012.

［3］鐘登華，袁光裕，胡志根. 水利工程施工［M］. 北京: 中國水利水電出版社.2009.

［4］徐紹忠. 冰壓力對月亮湖水庫二號壩的危害及防治技術的應用［J］. 吉林水利，2008(05) :47－48.