分析冻害破坏的原因和措施

土坝、堤防、渠道坡面的冻害主要是土的冻胀和冰推力综合作用的结果。

8.1.2.1　坡面或渠床的冻胀对衬砌结构的破坏

坡面或堤床的冻胀量最大可达几十厘米,而坡面上的衬砌较薄、重量轻、不可能抵抗作用于衬砌上的冻胀力,从而衬砌被抬起,衬砌间接缝张开、错位,融化后又不能复位,在风浪作用下,垫层淘空以致坝坡坍滑破坏。

坡面或堤床的冻胀条件不同,一般产生的冻胀不均匀。衬砌在不均匀冻胀力的作用下,产生弯矩和剪力,由此在薄弱环节处产生裂缝。

衬砌是否由于土的冻胀而破坏,主要决定于产生冻胀的土质、水分、温度等条件。堤底及堤坡下部含水量较大,冻胀性就强,因此裂缝多出现在此部位。而对于在冬季库水位以上的土坝坡面,土体在冻结过程中,由于毛细水的作用,仍可不断地上升补给冻结锋面,使坝体不断形成冰晶体,从而使库水位以上的坝体成为强冻胀区,使该区冻胀量很大。例如黑龙江的三道镇水库在越冬水位线以上2.0m 的范围内冻胀量达10～20cm,形成一条顺坝隆起的冻胀条带。

8.1.2.2　冰压力对坝坡的破坏

所谓冰压力对坝坡的破坏,包括动冰压力和静冰压力对坝坡的破坏。动冰压力对坝坡的破坏是指初春冰层解冻、冰裂成块时,在水力或风力作用下的“武开”库和坝坡迎风情况下,大量的冰块撞击坝坡和防浪墙而造成的。

静冰压力对坝坡的破坏是指冰层在受热升温冰体膨胀受到约束的条件下,产生的作用于坝体上的力,即静冰压力作用的结果。

静冰压力P 对坝面的作用表现为静冰压力沿坝面方向向上的分力PH和垂直坝坡面方向上的分力PV(图8.2、图8.3)。

图8.2　受力分析简图

图8.3　冰盖爬坡条件

根据受力情况不同可分以下几种情况。

(1)当PH＞冻结力P0+ 摩擦力PVf 时。

如果护坡面抗冰推强度较大,而且大于冰与护坡间的冻结力时,在PH的作用下,冰与护坡间剪断,冰盖板上爬,冰压力释放随即消失。此种情况一般不对坝坡产生大面积的破坏,仅对个别的质量不佳护坡产生局部破坏。若护坡的抗冰推强度小于冻结力,此时应首先在护坡垫层间滑动,发生冰推破坏坝坡的现象,而不产生冰爬坡的现象。上述两种情况一般在冻结初期产生。

(2)PH＜冻结力P0+摩擦力PVf 时。

冰压力和冻结力都大于坝坡抗冰推强度时,此时冰层不爬,冰压力通过冻结力施加给护坡,产生冰推坝坡的破坏现象。(www.xing528.com)

若坝坡整体性好,冰推坝坡的破坏面有两个。

(1)护坡沿垫层间整体向上推移,一般发生在冻结初期。

(2)护坡与冻土层一起沿冻融界面整体向上推移,此时常发生在冻结后期,护坡与坝体冻结在一起。

若坝护坡整体性差、不平整、个体质量小,彼此之间联系差、传力不均匀、承受拉力小,常产生冰推破坏局部隆起、滚动、挤出,上下断裂脱开现象。

坝坡抗冰推强度:对于护坡沿垫层推移时,主要为冰层以上护坡的重量和沿坝坡方向阻止上滑的护坡重量形成的摩擦力,即Wsinα+(Psinα+Wcosα)f。

根据力的平衡,护坡沿坝坡方向滑动的抗滑安全系数K 为

式中 W——冰层以上护坡的重量,kN,见图8.4,为计入冰层bcd 重量和扣除abcde 水浮力后的重量;

γs——护坡材料密度,kN/m3;

m——坝坡边坡系数;

H——冰层以上护坡高度(包括冰层厚),m;

h——冰厚,m;

t——护坡厚度,m;

f——护坡材料与垫层间摩擦系数;

α——坡面与水平线交角。

图8.4　冰压力对坝坡衬砌作用示意图

要满足上式要求,显然护坡要有足够的厚度和冰层以上有足够的高度,但在小型及平原水库中很难达到。因此平原水库护坡破坏较多。但是在有的水库护坡,即使有足够的抗冰推强度,由于护坡下为强冻胀土,而造成了冻胀破坏,反之有的水库护坡下为非冻胀土、垫石层很厚或者为黏土心墙砂壳坝,护坡一直运用良好。这就说明护坡的冻害破坏是综合因素的结果,坝坡的土体冻胀是破坏的主要原因,施工质量不符合要求是护坡破坏的客观因素,冰推力的作用加重了破坏的力量。因此根据具体情况要采取综合措施来防治坝坡的破坏。