冰压力的温度变化趋势及其对水库的影响

在严寒的冬季,我国北方地区水库封冻、结冰,冰层在受热升温膨胀受到护坡限制的条件下,对护坡产生的压力称冰静压力。

1.影响冰压力的主要因素

关于冰压力的研究,国内外都做过大量的工作,从室内外的观测表明,冰压力大小主要与起始冰温、温升率和升温持续时间、日照和雪覆盖、冰场条件、对冰层的约束条件等有关。

(1)起始冰温的影响。据室内小试件的试验,一般认为,在同一温升率下,起始冰温(开始升温时的冰温)越低,冰压力将越大,但对东北几个水库实际观测的冰压力结果恰好相反,而是在同一冰温增值下,起始冰温越低,冰压力越小。产生这个结果的原因是由于冰层上下存在较大的温差,使冰层出现许多不规则的贯穿和不贯穿裂缝,当冰层升温膨胀时,只有缝隙被冰体膨胀闭合,温度再进一步升高时才产生冰压力。而起始温度越低、冰层厚、上下温差大、裂缝愈多且宽,充填裂陷的冰体膨胀量也越大,因此冰压力就越小。但是,并不是起始温度越高,冰压力总是越大,由于随着冰温升高,应力松弛加快而使得冰压力向减少方面变化,因此,一般当起始冰温升高达到某一值后,冰压力将不再随起始冰温的升高而增大。

(2)温升率和升温持续时间影响。在其他条件相同时,温升率越大,冰压力亦越大。在同一温升率下,冰压力随升温持续的时间延长而增大。但是当平均冰温升高到某一值后,尽管冰温继续升高,冰压力不再增大,反而减少,这一温度约为-2.0～-1.5℃。

在连日降温期间,冰压力相当小,甚至不出现冰压力。最大冰压力发生在起始冰温较高、温升率较大、连日升温的条件下,由于升温时间较长,冰层升温趋于同步,这样在第二天或在冰面覆雪下第三天达到最大值。

(3)日照和雪覆盖的影响。阴天的冰压力比晴天的冰压力小。在冰面覆雪的情况下,由于雪的导热系数远小于冰的导热系数,对冰层的温度状况和过程产生影响。在雪覆盖的影响下,气温对冰温的影响主要在表层30cm 之内,小于无雪覆盖的情况,冰温变化对气温的滞后现象更明显。因此在雪覆盖和冰层较厚的情况下,一般天气的冰压力均很小,只有在连日升温,冰层下温度基本同步升高的情况下才能出现较大的冰压力值。

为此在考虑冰对建筑物作用时,应取日照的情况和雪覆盖影响有无保证来考虑。

(4)冰层的约束条件。库面的形状、大小、岸边形状和坚硬程度等都对冰压力大小有影响。

2.冰压力的计算

关于冰压力的计算公式,最早为罗延公式等,大都以室内试验所得的冰的应力应变关系为依据而建立的计算公式,而室内的小试验也难于代表实际大冰盖层的性质,因此应用于工程实际还有一定的距离。我国有很多单位对水库冰压力进行了现场观测,积累了有关冰温、冰压力和冰层活动的资料,提出了冰压力计算公式,经过实际工程的验证,具有一定的可靠性,下面介绍两个静冰压力计算公式。

(1)原水电部东北院科研所提出的冰层平均静冰压力p 为

式中 p——冰层平均静冰压力,kPa;

K——综合影响系数,一般取K=4～5,大型水库和库面大的取大值,山区水库取小值,小型水库可适当小些;

Ks——覆雪影响系数,一般取无雪情况Ks=1.0;

tα——气温起始值(8时),℃,一般情况下tα不高于-10℃;

Δtα——8～14时气温升高增值,℃,连日升温天气可取第一天8时至第二天 (或第三天)14时的气温增值,最高气温取值不高于摄氏零度;

T——与Δtα相应的升温持续时间,h,一般天气取T=6h,连续升温天气取T=30h,覆雪较厚时可取3天的连日升温T=54h;

Ch——与冰厚有关的变换系数(表8.3)。

表8.3　Ch系数表

由上述公式以tα不高于-10℃,Δtα=10～15℃,可得单位长度总的静冰压力P

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式中 P——单位长度总的静冰压力,kN/m,不考虑雪覆盖影响;

h——冰厚,m;

K——综合影响系数;

Ch——与冰厚有关的系数;

mt——时间系数同上式(T0.26-0.6)一般天气取1.0,两天升温天气取1.82。

本计算方法已列入SD145—85 《混凝土拱坝设计规范》(试行),可供设计参考。

(2)天津市水利科学研究所在鸭淀水库进行多年的冰压力观测,根据观测结果,提出静冰压力计算公式,又经几个水库的观测资料验证,其精度满足要求,该地区历年最低气温-22.9℃,最大冰厚约37cm。其公式应用可供设计参考。

静冰压力p 为

式中 p——静冰压力,kPa;

t——计算时段的时间,h;

ΔT——温升率,℃/h;

T0——初始时刻(8时)气温,℃。

总静冰压力P 是指沿护坡轴线单位长度上的沿冰厚分布的静冰压力总和,静冰压力沿深度分布的图形近似呈三角形分布,同总静冰压力P

式中 h——冰厚,m;

p——单位静冰压力,kPa;

P——总静冰压力,kN/m。

(3)SL211—2006 《水工建筑物抗冰冻设计规范》取值。

原东北水利勘测设计院水利科学研究所根据东北地区9座水库实测资料,提出了上述静冰压力计算公式,即式(8.18),但该公式参数需通过观测、调查等获得,给设计工作带来一定困难,为此根据对实测资料(气温、水温、冰厚、冰压力系数)的进一步分析,《水工建筑物抗冰冻设计规范》提出了静冰压力的取值,供设计时参考见表8.4。

表8.4　静冰压力标准值

注 1.表中冰压力值对小型水库和库面开阔的大型平原水库分别乘0.87和0.125的系数。
2.冰厚取多年平均最大值。
3.表中所列冰压力值为水库结冰期内水位基本不变情况下的冰压力。
4.表中静冰压力值可按冰厚内插。