芻議龍頭橋水庫護坡凍害情況對策

李明鎬,王立權,教婷婷

(黑龍江省龍頭橋水庫管理處,黑龍江 寶清 155600)

1 水庫概況

龍頭橋水庫是一座以灌溉、防洪為主,兼顧發電、養魚、旅游等綜合利用的大型水利樞紐工程。工程等級為Ⅱ等工程,按100 a一遇洪水設計,2000a一遇洪水校核,水庫校核總庫容為6.15億m3。工程樞紐由大壩、溢洪道、輸水洞和電站4個部分組成。黑龍江省龍頭橋水庫位于黑龍江省東部,屬高緯度地區。多年平均氣溫 3.5℃,最高氣溫出現在 7月份,月平均氣溫為 21.9℃,極溫為 36.6℃;最低氣溫出現在 1月份,月平均氣溫為-18.1℃,極溫為 -37.2℃。流域形狀成長方形,水系呈羽狀分布。平均凍深179 cm,最大凍深可達253 cm。經過幾年的運行觀察,龍頭橋水庫完全封凍的時間在每年的 11月下旬,完全開庫在每年的 4月下旬,封凍時間約 5個月。

2 水庫冰凍破壞情況

2.1 土石壩迎水面護坡

土石壩迎水面護坡為混凝土護坡,混凝土護坡板的尺寸為400 cm×400m,厚度為20 cm,混凝土護坡板下鋪30 cm的碎石墊層。在封凍期的水位變化帶采用的是鋼筋混凝土護坡。經過7 a的運行,多年冰層變化帶的鋼筋混凝土護坡沒有發生結構性的破壞。

2.2 溢洪道引水渠的護坡

溢洪道引水渠護坡為混凝土護坡,尺寸為2m×2m,厚度為15 cm。混凝土護坡板下鋪20 cm的碎石墊層,碎石墊層下鋪20 cm的砂礫石墊層。在多年冰層變化帶及以上部分區域內,部分混凝土護坡板產生了凍脹破壞,其中一部分護坡板產生了結構性的破壞。主要表現在:①混凝土護坡板產生橫向折斷現象;②混凝土護坡板上部被抬起,整體被上移。

2.3 溢洪道翼墻表面混凝土

溢洪道兩側翼墻在水位變化區域存在凍融剝蝕,由于微裂縫的存在,引發了局部的混凝土破壞。

2.4 輸水洞進口等漿砌石護坡

漿砌石護坡受冰凍破壞十分嚴重。由于受到凍脹、不均勻凍脹和冰壓力作用,使得一部分漿砌石已經發生較大位移,經過多次的凍融循環后不能恢復原位。在波浪淘刷的作用下,漿砌石下被掏空、塌陷,至使全部漿砌石護坡破壞,一部分漿砌石落到水中。

3 產生原因分析

3.1 冰層彎矩作用

在水庫封凍以后,由于冰層以下庫水位的變化,至使冰層產生下降或上移,護坡板處冰層與護坡板凍結在一起,冰層的上、下移動對護坡板產生彎矩作用。由于混凝土的抗拉性弱,因此,混凝土護坡板產生橫向斷裂現象。

3.2 不均勻凍脹力

凍脹是引起北方水工建筑物破壞的因素之一,由于不均勻凍脹,使得混凝土護坡板內部產生應力,由于一部分混凝土護坡板的抗力不足而使其破壞。

3.3 凍拔力和水平冰推力共同作用

由于庫水位以下的混凝土護坡板下墊層含水量大,毛細力和風浪的共同作用使得庫水位以上護坡板下墊層的含水量增大,在水庫的封凍期產生一定的向上凍拔力。加之由于氣溫的變化,使得冰體產生相應的膨脹變化,冰體受到周邊邊坡的約束,使之產生對岸坡的水平冰推力。在這樣幾個冰凍周期的循環作用下,使得混凝土護坡板與冰層接觸處的上部上抬,并產生向上的位移。

3.4 水的影響

由于處在水位變化區的溢洪道翼墻表面存在微裂縫和施工存在著一部分缺陷,受到波浪爬高及融雪等的影響,使得冰層及以上部分混凝土表面的含水量超過起始凍脹含水量,產生凍脹破壞。

4 防凍害的方法

①在冰層變化帶的護坡采用鋼筋混凝土護坡;②在設計合理范圍內,增加護坡的坡度,減小靜冰壓力在坡面方向上的分力;③澆筑大塊混凝土,增加混凝土的厚度,提高護坡的重量,減小凍拔力的破壞;④結構縫可采用聚氯乙烯膠泥等,能適應護坡的伸縮和微變形,在變形時不漏水;⑤可在封庫前期在整個冰層厚度區內鋪設塑料薄膜,減小冰層與護坡混凝土之間的膠結力,減小冰層對混凝土護坡的彎矩作用;⑥多年冰層變化帶的混凝土工程要求表面光滑、平整,有條件可在混凝土表面涂上防護漆,提高抗滲能力。

5 結 論

從龍頭橋水庫的實際凍害情況來看,與水接觸的鋼筋混凝土護坡抗凍害比混凝土的強,漿砌石護坡的抗凍性最差,不易用在與水直接接觸處。水工建筑物在經歷幾年的運行后都基本發生了不同程度的凍害現象,為了更好的提高水庫護坡工程的抗凍效果,結合實際的經濟情況,可在合理的條件和范圍內結合幾種防凍害方法解決護坡凍害問題。如有條件要對護坡鋪設塑料薄膜等方法進行對比觀測研究,提出減小凍脹破壞的數據。

[1] 黑龍江省水利水電勘測設計研究院 .黑龍江省三江平原撓力河龍頭橋水庫工程初步設計[R].哈爾濱:黑龍江省水利水電勘測設計研究院,1996.

[2] 張儒生,孫福德.水工建筑物凍害防治技術[M].哈爾濱:哈爾濱地圖出版社,1998.

[3] 孫穎娜,付強,姜寧,張一丁.寒區凍土水文模擬模型研究若干進展[J].水文,2008,28(4):1-4.

[4] 孫江岷,汪恩良,于雪梅 .寒區水庫土石壩護坡防冰凍破壞技術及應用[J].冰川凍土,2002,24(5):624-645.