淺談王圪堵水庫工作橋的冰凍破壞與防護

張 斌

(陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院,陜西 西安 710001)

1 工程概況

王圪堵水庫位于陜西省榆林市橫山縣城關(guān)鎮(zhèn)西北12 km。多年平均氣溫 8.6℃,極端最低氣溫 -27.8℃。初冰時間一般為 10月中旬到 11月中旬,終冰時間為 3月中旬到4月中旬;封凍時間為 12月上旬到 3月上旬,解凍時間為1月上旬到 3月中旬;流冰開始日期為 10月中旬到 1月上旬,流冰終止日期為 3月中旬到 4月中旬。最大凍土深為1.3m,岸邊最大冰厚 0.9m,河心最大冰厚為 0.67 m。工作橋為樞紐次要建筑物,按 3級建筑物設(shè)計。工作橋上部采用T型簡支梁橋。橋墩采用圓形重力墩,直徑為 1.8m,最大高度為 21m。橋基礎(chǔ)置于弱風(fēng)化巖上,基礎(chǔ)高 2m。

2 冰對橋墩的影響

冬季水庫水面結(jié)冰后,冰對橋墩的主要作用力包括靜冰力和動冰力兩個重要部分。靜冰力指在冰的生長過程中及凍結(jié)后,冰和冰蓋對結(jié)構(gòu)物的靜冰擠壓破壞作用;動冰力指在風(fēng)、流驅(qū)動下運動的冰塊對結(jié)構(gòu)物的沖擊、摩擦作用。

根據(jù)王圪堵水庫工作橋的位置和水庫的特性,在封凍季節(jié)影響橋墩的主要因素是冰對橋墩的靜冰力作用。而作用在橋墩的靜冰荷載有三種。它們分別是：

(1)巨大冰層包圍橋墩,在風(fēng)和潮流作用下,冰層對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生靜壓力,如果結(jié)構(gòu)強度足夠高,則冰層會被建筑物切入或割裂而移動;

(2)冬季晝夜溫差劇烈時,整體冰層膨脹對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擠壓力;

(3)冰層與橋墩凍結(jié)在一起時,冰層因水位下降而產(chǎn)生向下的附加重力,冰層因水位上升而產(chǎn)生的向上的上拔力。

2.1 橋墩冰壓力的計算

根據(jù)王圪堵水庫的工程特性,冰層對結(jié)構(gòu)的影響主要是靜冰壓力,冰層的靜冰壓力作用于冰面以下 1/3冰厚處。根據(jù)王圪堵水庫工作橋橋墩的形式和尺寸,由《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》SL211—2006作用在墩柱上的冰壓力按下式計算：

式中：Fp1為計算冰壓力值(KN);m為墩柱前沿的平面形狀系數(shù),圓形為0.90;fib為冰的抗擠壓強度,流冰初期 0.75 MPa,后期取 0.45MPa;δi為冰厚度,取 0.10 m;B為在冰作用高程處的墩柱前沿寬度,計算為 1.80m;

計算結(jié)果見表 1

表1 冰壓力計算成果表

2.2 橋墩的穩(wěn)定驗算

1)抗傾穩(wěn)定計算公式如下：

式中：∑M穩(wěn)為穩(wěn)定力矩,2519.1 KN?m;∑M傾為傾覆力矩,724.0KN?m;

2)抗滑穩(wěn)定計算公式如下：

式中：f為基礎(chǔ)底面與地基土摩擦系數(shù),按巖石基底,取0.50;∑P豎向力之和,2400 KN;∑T為各水平力之和,47.6 KN;

根據(jù)計算,K0=3.7＞[K0]=1.50,Kc=9.90＞[Kc]=1.50,滿足要求。

3)橋墩基礎(chǔ)承載力驗算

基礎(chǔ)底最大與最小應(yīng)力采用下式計算：

式中：∑P為豎向力之和(KN);W為截面模量;

根據(jù)計算,基礎(chǔ)截面最大應(yīng)力為 218.25 KN/m2,最小應(yīng)力為 12.52 KN/m2。本工程基底位于強風(fēng)化線以下約1.0m,地基承載力為 600 KN/m2,因此,橋墩基礎(chǔ)滿足地基承載力要求,且未出現(xiàn)基底拉應(yīng)力。

2.3 橋墩采取的防護

由于水庫位于寒冷地區(qū),根據(jù)工程水文資料,水庫冬季結(jié)冰厚度為 0.9m,計算橋墩側(cè)向冰推力 1 093.5KN,按水庫設(shè)計水位 1 046.0m計算,冰推力矩為 19 788 KN?m。如考慮冰推力,橋墩采用超常規(guī)的結(jié)構(gòu)尺寸亦難以滿足抗冰推力要求。因此,根據(jù)橋墩的穩(wěn)定性驗算值。筆者根據(jù)不同的冰厚值,得出了不同的穩(wěn)定性驗算值,這里具體計算簡略。得出當(dāng)冰的厚度達到 0.1m時,工作橋的穩(wěn)定達到臨界值。也就是說,當(dāng)冰的厚度大于 0.1 m時,冰層將對工作橋產(chǎn)生較大影響,需要采取措施。因此,設(shè)計項目組結(jié)合陜北地區(qū)水庫的運行經(jīng)驗和王圪堵水庫樞紐的運行管理情況,在王圪堵水庫樞紐冬季運行過程中,設(shè)計要求當(dāng)橋墩周圍的結(jié)冰厚度超過 0.1 m時,管理部門必須采取人工破冰措施,將橋墩周圍的冰蓋層敲碎,以保證橋墩安全避免水庫冬季結(jié)冰對橋墩的破壞。

3 冰凍破壞的機理分析

冰凍對建筑物的破壞主要有兩方面原因組成：一方面是當(dāng)晝夜氣溫變化較大時時,建筑物外部的水凝結(jié)成冰,冰層膨脹受到冰層與橋墩間的凍結(jié)約束,此時橋墩周圍受到冰層的擠壓與剪切,冰層的擠壓與剪切對橋墩產(chǎn)生破壞。另一方面是建筑物內(nèi)部吸水飽和的混凝土在其凍融的過程中,遭受的破壞應(yīng)力主要由兩部分組成。其一是當(dāng)混凝土內(nèi)部存在滲水孔隙,孔隙中又有水,當(dāng)水凝結(jié)成冰時體積膨脹 9%,產(chǎn)生膨脹壓力,作用在孔隙或毛細管壁上;其二是混凝土在凍結(jié)過程中,還可能出現(xiàn)過冷水在孔隙中遷出。在混凝土中形成滲透壓力,也作用在管壁上。這兩種壓力會損傷混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu),當(dāng)經(jīng)過反復(fù)多次的凍融循環(huán)以后,損傷逐步積累不斷擴大,發(fā)展成互相連通的裂縫,使混凝土的強度逐步降低,最后甚至完全喪失。從實際中不難看出,處在干燥條件的混凝土顯然不存在凍融破壞的問題,所以飽水狀態(tài)是混凝土發(fā)生凍融破壞的必要條件之一,另一必要條件是外界氣溫正負變化,使混凝土孔隙中的水反復(fù)發(fā)生凍融循環(huán),這兩個必要條件,決定了混凝土凍融破壞是從混凝土表面開始的層層剝蝕破壞。

4 冰凍破壞的防凍措施

通過幾年的工作經(jīng)驗積累和針對冰凍破壞的機理分析,總結(jié)了主要從兩個方面進行建筑物的防凍措施：一方面是嚴格混凝土制作配合比,一定要根據(jù)結(jié)構(gòu)類型和所處的環(huán)境條件,試驗確定關(guān)鍵參數(shù),主要是降低混凝土的水灰比,水泥水化所需水分僅為其重量的 25%左右,若水量加多,則多余的水就游離析出,產(chǎn)出孔隙,飽和后易受凍脹破壞;另外摻入引氣型外加劑是提高混凝土抗凍性最有效的途徑之一。另一方面主要通過干擾動靜止水面的方法進行防凍破壞,可采用以下幾種方法：

①人工敲冰方法：冬季當(dāng)冰的厚度達到一定程度時,采用人為的方法在橋墩周圍進行敲冰碎冰,以減小冰層對橋墩的推力和彎矩。

②撓動水面防凍法：通過在橋墩周圍水面以下安裝穿有小孔管道,再將管道接到潛水泵上進行噴射,使橋墩周圍形成撓動的水面以防止橋墩周圍結(jié)冰。此法可以也可以選用充氣或者溫度較高的水進行操作。

③加熱防凍法：有熱風(fēng)法、電熱法和熱水法熱風(fēng)法,是通過噴風(fēng)管上的大量小孔,將熱風(fēng)送到加熱部位,此法防凍效果好,維修容易,但設(shè)備費用高,用電量大。

5 結(jié)語

對于水工建筑物混凝土凍融破壞,應(yīng)堅持防重于治,首先根據(jù)混凝土所處的環(huán)境,合理進行配合比設(shè)計(水泥品種的選擇、外加劑的選用等等);其次是嚴把施工質(zhì)量關(guān),加強工程運行中的養(yǎng)護管理,發(fā)現(xiàn)凍融破壞及時采取防范保護和修補措施,以延長工程的使用壽命。目前水庫建筑物的防冰防凍害問題在寒冷地區(qū)越來越受到重視,有許多科研單位都在進行研究與探索,隨著工程管理工作的深入,將會有更多更好的經(jīng)驗得到運用和推廣。

[1]中華人民共和國水利行業(yè)標準 水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范(SL211-2006)中華人民共和國水利部.

[2]林繼鏞,王光綸.水工建筑物(第 5版).中國水利水電出版社,2009.5.

[3]孫江岷,李桂蘭,錢希仁等,高寒地區(qū)湖泊水庫冰蓋板對護坡工程的破壞作用與對策.