淺談水工建筑物凍害破壞的原因及表現形式

周效冰

摘要：渠系建筑物一般為中小型，本身自重較小，抗凍脹力弱。因此，受凍害破壞比較普遍，目前已成為我國北方地區水工建筑物設計和管理中較難解決的問題之一。季節性凍土地區水工建筑物凍害原因很多。歸納起來是內因和外因兩部分。內因是地基土的凍脹、融沉、冰凍及冰融循環，這些是不可扭轉的自然規律，屬水工建筑破壞的內因。而設計中未考慮凍脹作用或設計不合理，施工不當及平時工程管理不善等人為因素促進這些建筑物的凍脹破壞。這是水工建筑物凍害的外因。針對內因采用防治措施，避免外因，精心設計及施工，加強工程管理。盡量減小和避免凍害的損失，這是季節性凍土地區水工建筑物凍害防護的任務。

關鍵詞：水工建筑物 凍害 防治措施

中圖分類號：F2 文獻標識碼：A

水工建筑物凍害主要由水、氣、溫、壓四大因素的影響，其中以水和溫度為主要影響因素。土壤顆粒間是由水和氣充滿。而土顆粒表面又有結合水和自由水。在氣溫降至0℃以下時，液態的水將變為固態的冰，體積增大。土的凍脹就是指土中的水因溫降至0℃以下結成冰，使土的體積增大的現象，在建筑物附近表現出土層表面不均勻的升高，待溫升融凍后土體又下沉。土體在凍脹過程中由于建筑物的阻擋，使建筑物表面受到凍脹土的作用力，垂直于表面的為法向凍脹力，平行于建筑物基礎表面的為切向凍脹力。這些力的大小與基礎砌置深度、氣溫高低、基礎形狀、地基土壤性質等多種因素有關，要精確確定凍脹力的大小和分布。下面分別就水庫及渠系建筑物常遇凍脹破壞現象進行概略介紹。

一、水庫凍害現象及原因

水庫凍害主要反應在兩個方面：—是冰凍對水庫建筑物的破壞；二是凍脹對水庫建筑物的破壞。前者主要發生部位是在與水庫接觸面上，例如上游護坡，隧洞或涵洞進口的墩柱及擋土墻等。后者是壩體本身，溢洪道側墻、底板以及排水體，消力池等其他部位。

（一）冰凍對水庫建筑物的破壞形式

1、冰對土壩護坡的破壞通常有冰推破壞、冰拔破壞和動冰撞擊破壞。

（1）冰推破壞是在水庫基本不變或變化不大的條件下，冰層升溫膨脹產生的靜冰壓力將土壩的護坡推起造成破壞現象。在我國東北、西北比較寒冷地區的多數水庫都不同程度地存在這種現象。冰推破壞與壩坡土的凍脹壓力大小及護坡的結構形式有關。冰推作用使護坡板沿墊層滑動，對于護坡板塊不平整和整體性差時，并推后會出現局部隆起。若為小塊混凝土板。則沿水面附近幾塊被冰推后受上部護坡阻擋出現隆起架空。在冰層厚，冰壓力和凍結力均較大，護坡抗冰推能力強。這時產生護坡和凍土一起沿冰融交界面整體上推，有時上部會出現隆起脫空現象。

（2）冰拔破壞，冰層和護坡凍結在一起。庫水位上升時，護坡板、齒墻等被拔起、旋轉或松動，庫水位下降，冰塊與護坡凍結在一起出現向下彎矩，護坡板翹起、齒墻向庫內傾斜。庫水位下降愈陜，冰拔現象愈嚴重。特別對護坡板尺寸很小，表面粗糙及整體性差的預制板、塊石護坡等更為嚴重。

（3）動冰撞擊破壞，主要發生在初春解凍時，庫內冰裂成塊，在水力和風力共同作用下向壩坡涌進。大量冰塊被推上壩坡乃至超過壩頂，導致護坡及防浪墻被撞擊破壞。

2、壩坡土凍脹對護坡的破壞。

對于黏性土或壤土的均質土壩或黏土心墻土壩來說，在迎水坡沒有足夠厚度的防凍保護層時，水面上1-2M范圍土中含水量高，有充分水源補給，凍結過程中將產生大量析冰和厚冰夾層。

3、冰推對進口建筑物的破壞。

冰推作用使進水塔墩柱前后的壓力不平衡，因而造成墩柱斷裂。一般在季節性凍土地區框架結構進水塔破壞較多。鋼筋混凝土墻體結構破壞較少。

（二）凍脹對水庫建筑物的破壞

凍脹作用產生不規則的裂縫，分布和走向無一定規律。逐年在反復凍融作用下，不規則裂縫逐年增多。縫寬也逐年加大，嚴重時使板形基礎呈碎片狀，當板形基礎寬度不大，兩側約束力強。如涵洞進出口的底板，凍脹變形由于受兩側約束，裂縫一般呈縱向位于中間部位出現。

對于水工建筑物的閘底板、消力池底板、護坦等板式基礎，當其底部地基凍脹時，將對板基產生法向凍脹力。這是對工程破壞的主要原因。

二、渠系建筑物凍害原因及破壞形式

在季節性凍土地區興建的水工建筑物，受凍脹和融沉使建筑物破壞現象比較普遍。嚴重影響這些建筑物的正常運用和效益的發揮。

1、板型基礎的凍脹分析。

渠系建筑物中的涵、閘、護坦、跌水及渠道襯砌等都為板形基礎，這類板形基礎都不同程度地受到地基凍脹作用，前面水庫凍害中已經提到，板型基礎主要受法向凍脹力的作用，作用力的大小與板型基礎的約束條件，面積大小砌置深度和凍結深度等有關，基礎面積愈小，法向凍脹力愈大。

2、擋土墻等支擋建筑物凍脹分析。

這類建筑物在冬季常受凍脹力的作用而產生傾斜、裂縫、斷裂和水平位移等現象，這些破壞現象的發生大多由于墻背受到法向凍脹力的作用所致。因此掌握支擋結構物水平凍脹力及其變化規律，對正確進行凍土地區水工建筑物設計及建筑物破壞原因分析是頗為有益的。

3、渠系建筑物凍脹破壞的形式。

渠系建筑物一般為中小型，本身自重較小，抗凍脹力弱。因此，受凍害破壞比較普遍，目前已成為我國北方地區水工建筑物設計和管理中較難解決的問題之一。季節性凍土地區水工建筑物凍害原因很多。歸納起來是內因和外因兩部分。內因是地基土的凍脹、融沉、冰凍及冰融循環，這些是不可扭轉的自然規律，屬水工建筑破壞的內因。而設計中未考慮凍脹作用或設計不合理，施工不當及平時工程管理不善等人為因素促進這些建筑物的凍脹破壞。這是水工建筑物凍害的外因。針對內因采用防治措施，避免外因，精心設計及施工，加強工程管理。盡量減小和避免凍害的損失，這是季節性凍土地區水工建筑物凍害防護的任務。