杜鎮(zhèn)瀚, 鐘啟明, 董海洲, 單熠博

(1. 河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院, 江蘇 南京 210098; 2. 南京水利科學(xué)研究院巖土工程研究所, 江蘇 南京 210024; 3. 水利部土石壩破壞機理與防控技術(shù)重點實驗室,江蘇 南京 210029)

在寒區(qū)地帶，水庫、河流、湖泊以及沿海區(qū)域每年都有很長時間的冰封期，形成的冰蓋都與周圍水工建筑物產(chǎn)生凍結(jié)，而隨著溫度的升高，冰層內(nèi)部產(chǎn)生溫度膨脹力，膨脹應(yīng)力釋放導(dǎo)致的冰推力會破壞護岸、水庫等水工建筑物，甚至還會影響岸上的建筑(如圖1和圖2)。如沈陽地區(qū)的團結(jié)水庫，邊坡被冰壓力沖斷而崩塌；紅旗袍水庫[1]受到冰壓力影響，發(fā)生大規(guī)模邊坡隆起現(xiàn)象；黃河寧蒙河段[2]嚴(yán)重的冰塞和冰壩現(xiàn)象，對物質(zhì)運輸造成了不可逆的影響；Mistassini河[3]的嚴(yán)重冰塞導(dǎo)致人類基礎(chǔ)設(shè)施的嚴(yán)重破壞。

圖1 河道冰推導(dǎo)致河岸破壞

混凝土壩迎水面常常受到冰推力出現(xiàn)表面開裂、強度降低的現(xiàn)象。如果不及時維護修補，可能會影響建筑物的正常安全運行。影響建筑物破壞程度的因素主要包括河流凍結(jié)時間、建筑物受冰影響期長度以及溫度變化幅度等，如果對冰荷載的估計不足、重視不夠或沒有采取充分合理的應(yīng)對措施，那么冰荷載有可能對水工結(jié)構(gòu)的安全構(gòu)成威脅，造成嚴(yán)重的冰毀事故[4]。寒區(qū)堤壩的凍脹破壞嚴(yán)重影響水利工程的運行、維護以及人民生命財產(chǎn)安全，因此，對寒區(qū)堤壩的防凍方法研究有著重要意義。

圖2 湖面冰推導(dǎo)致混凝土護岸破壞凍害

1 冰荷載破壞機理和研究現(xiàn)狀

1.1 靜冰荷載破壞機理

寒冷地區(qū)水工建筑物護坡冬季在冰力作用下經(jīng)常遭受破壞，損失慘重，其中冰壓力(即靜冰壓力)是護坡破壞主要載荷之一[5]。在特殊氣候影響下，河流中水凝固成冰，形成冰蓋層。冰蓋層具有固體性質(zhì)，并且可以與堤壩、水渠等水工建筑物凍結(jié)，當(dāng)周圍環(huán)境的溫度發(fā)生變化時，冰蓋層內(nèi)部溫度場發(fā)生變化，從而引起冰的膨脹。但由于受到水庫護坡等水工建筑物不同程度上的約束，冰層產(chǎn)生了溫度應(yīng)力，反過來冰層對建筑物產(chǎn)生冰推力。隨著氣溫不斷回升，當(dāng)冰推力大于凍結(jié)力時，冰蓋與護坡的凍結(jié)聯(lián)系產(chǎn)生破壞[6]。即界面間的冰凍結(jié)層被剪斷，也就是產(chǎn)生了冰蓋爬坡運動。事實上，冰爬坡是寒區(qū)的水庫、河流冰層內(nèi)部所積蓄能量的一種釋放方式，它將冰作用力傳遞給護坡和其他附屬結(jié)構(gòu)物，導(dǎo)致這些結(jié)構(gòu)物發(fā)生破壞[1]，而爬坡破壞是堤壩發(fā)生凍脹破壞的最主要形式。

1.2 靜冰壓力模擬研究現(xiàn)狀

隨著國內(nèi)外對冰壓力研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)影響靜冰壓力的因素有很多，包括初始冰溫、溫升率、冰蓋層厚度以及約束的邊界條件等。在冰-結(jié)構(gòu)界面形成的靜力還可以由水位的變化、冰面以下的水壓力和冰面以上的空氣阻力變化引起[7]。當(dāng)冰層處于同一溫升率下，初始溫度越低，冰的溫度膨脹力則越大；當(dāng)冰層的初始溫度相同時，冰層溫升率越高，其溫度膨脹力則越大；當(dāng)氣溫處于一極值時，冰溫雖然仍然上升，冰的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，此時溫度膨脹力反而變小。

關(guān)于靜冰壓力的取值，除了可以參照《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》(GB/T 50662—2011)[8]中的條款，按照靜冰壓力表取值外，目前國內(nèi)外主要有四種取值方法：(1)經(jīng)驗公式法[9-11]，主要是根據(jù)現(xiàn)場觀測到的數(shù)據(jù)結(jié)合冰的物理化學(xué)性質(zhì)以及統(tǒng)計方法歸納總結(jié)得到。(2)模型試驗法[12]，主要是在比較完善的理論支撐下，再現(xiàn)整個工程的過程，模擬工況發(fā)展進度并測值，目前已成為研究的重要輔助方法。(3)數(shù)值模擬方法[13]，基于力學(xué)理論基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)學(xué)方法并借助計算機的幫助解決實際工程中的問題。(4)直接測量[14-15]，以光纖傳感器通過測量外界冰壓力的時間變化來監(jiān)測冰壓力，這種方法響應(yīng)速度快且靈敏度高。不同的靜冰壓力取值方法也使得寒區(qū)水工建筑物設(shè)計和防護設(shè)計存在不同程度的誤差，為了減小防護設(shè)計中的偏差，國內(nèi)外學(xué)者對靜冰壓力的取值都在深入研究，因此，精確的靜冰壓力取值對靜冰破壞的防治措施也有著重要意義。本文所涉及的梯形槽式防護方法也依賴于精確的冰壓力取值進行設(shè)計。

2 一種梯形槽式防凍脹防護方法

在對于寒冷地區(qū)不同類型護坡結(jié)構(gòu)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)：在非寒冷地區(qū)廣泛采用的干砌石護坡、漿砌石護坡等型式均不適用于寒區(qū)，原因在于這些護坡不能夠抵御地基土的不均勻凍脹、冰層的冰推力以及冰層的彎矩作用。學(xué)者們通過研究發(fā)現(xiàn)[16]，在寒冷地區(qū)，堤壩護坡工程中宜采用埋石混凝土、鋼筋混凝土、混凝土等護坡型式?；诒蛎浧茐臋C理和各種防護措施的利弊，本文建議采用鋼筋混凝土的護坡型式，并提出了一種梯形槽式的凍脹防護方法。梯形槽式護坡結(jié)構(gòu)型式示意圖如圖3，其特征在于，包括若干個防護板，每個防護板沿堤壩長度方向依次固連在迎水側(cè)，相鄰兩個防護板之間具有間隙，每個防護板長度方向的頂端靠近堤壩頂部設(shè)置，底端固定于堤壩斜坡。

圖3 梯形槽式護坡結(jié)構(gòu)型式示意圖

每個防護板上間隔開設(shè)有若干個梯形孔，梯形孔沿防護板的長度方向設(shè)置；沿過防護板寬度方向中心線的縱截面將防護板沿寬度方向切成兩半，觀察梯形孔的投影為梯形防護板具有兩個工作面，靠近堤壩的一側(cè)為第一工作面，相對遠(yuǎn)離堤壩的一側(cè)為第二工作面，前述梯形的頂邊位于第一工作面上，梯形的底邊位于第二工作面上。相鄰兩個防護板于防護板的寬度方向通過三軸鉸鏈連接，每個防護板長度方向的頂端靠近堤壩頂部設(shè)置，每個防護板長度方向的底端位于堤壩底部；每個防護板的底端均可拆卸連接有一個下部支撐板。下部支撐板用于連接防護板的一端為斜面，斜面上具有向外凸起的樞接頭，從下部支撐板的兩側(cè)看，樞接頭的投影為直角三角形，防護板的底端開設(shè)有向內(nèi)凹陷的樞接口，沿過防護板寬度方向中心線的縱截面將防護板沿寬度方向切成兩半，觀察樞接口的投影為直角三角形，樞接口與樞接頭對應(yīng)匹配設(shè)置，通過防護板底端的樞接口樞接于下部支撐板的樞接頭上，將防護板與下部支撐板固連在一起。

主要操作步驟有：(1)對現(xiàn)場的堤壩邊坡進行勘察測量參數(shù)，包括邊坡的坡度，邊坡的高程，原有護坡裝置的形式，厚度等。收集歷年來的水位高度、冰厚規(guī)律以及最大冰厚。(2)根據(jù)坡角、防護板厚度確定單個梯形孔的尺寸，再結(jié)合冰層厚度來確定每個防護板上開設(shè)梯形孔的數(shù)量。(3)在河流枯水期首先將底部支撐板結(jié)構(gòu)依次排放，每塊底部支撐板之間間隔成收縮縫，然后等底部支撐板完成后，依次將防護板嵌合入底部支撐板中，每塊防護板之間間隔成收縮縫，待結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后，進行三軸鉸鏈結(jié)構(gòu)的錨固，最終形成完整的抗凍脹防護結(jié)構(gòu)。

本文主要著重于研究梯形凹槽對于靜冰壓力減弱效果，因此，以沿過防護板寬度方向中心線的縱截面作靜冰壓力分析截面(如圖3中的截面1)。

由于在防護結(jié)構(gòu)中設(shè)有梯形凹槽，此時冰體的靜冰壓力T在凹槽內(nèi)轉(zhuǎn)換為三個方向的力，分別是與未加防護結(jié)構(gòu)方向相同的對堤壩的力T1、對凹槽上梯形面的擠壓力P以及下梯形面的擠壓力F(如圖4)，從而減少作用在堤壩上的力，大大減小了對原有堤壩的擠壓破壞。

圖4 靜冰壓力T在梯形槽內(nèi)轉(zhuǎn)化圖示

在未設(shè)防護結(jié)構(gòu)時，靜冰壓力T對原有堤壩的橫向分力會造成對堤壩的損傷(如圖5)。靜冰壓力沿冰蓋層厚度方向的分布是非均勻的，根據(jù)謝永剛[9]的觀測數(shù)據(jù)可知，是呈現(xiàn)一種非對稱的曲線分布。由研究數(shù)據(jù)[17]表明，當(dāng)冰蓋厚度為0.8 m左右時，最大冰壓力產(chǎn)生在深度為0.25～0.45 m之間，冰壓力極值大致 處在整體冰層的上1/3處。由于冰壓力隨著深度變化而變化，工程技術(shù)人員在設(shè)計堤壩之初很難進行針對性設(shè)計，因此需要特殊的防護措施進行保護。加設(shè)防護板后，防護板上相鄰梯形孔之間為外窄內(nèi)寬的梯形體，可以減少冰體與堤壩結(jié)構(gòu)的接觸面積，使得靜冰壓力的橫向分力不連貫，從而減小對堤壩破壞的可能性。

圖5 原有堤壩受冰壓力圖

為了設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)型式，需要針對當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件確定可能出現(xiàn)的最大冰層厚度。關(guān)于冰層厚度取值，可根據(jù)當(dāng)?shù)囟嗄甑挠^測資料或其他方法確定。本文選擇了基于黑龍江勝利水庫觀測數(shù)據(jù)建立的冰厚與累計日均氣溫關(guān)系式如式(1)[17]：

(1)

凹槽部分以觀測或計算得到冰厚D的5/3倍進行設(shè)計，上下各多出1/3。本文中靜冰壓力T按照文獻(xiàn)[10]推導(dǎo)的公式取值，凹槽部分設(shè)計參數(shù)如圖6所示。

圖6 凹槽部分設(shè)計參數(shù)

各部分尺寸為式(2)與式(3)：

l0=hcotβ

(2)

l3=l1-2hcotβ

(3)

式中：α為堤壩斜坡坡角，(°)；β為梯形孔的上梯形面或下梯形面與堤壩表面的夾角，(°)；h為防護板的厚度，cm；l1為梯形孔底邊長,cm；l2為梯形孔頂邊長,cm；l3為相鄰兩個梯形孔之間的間距,cm。β要小于堤壩或者護坡的坡角α，由于邊界條件的約束，冰體內(nèi)部對堤壩結(jié)構(gòu)產(chǎn)生橫向冰推力(如圖7)，若此時β大于α，此時橫向冰推力T對下梯形面產(chǎn)生一傾覆力，很可能加快結(jié)構(gòu)的破壞，因此β要小于堤壩或者護坡的坡角α)

圖7 β小于α原因示意圖

靜冰壓力T對原有堤壩的擠壓力T1為式(4)：

(4)

靜冰壓力T對凹槽上梯形面(如圖8)的擠壓力P(如式(5)所示)可分為沿著邊坡的力T2(如式(6)所示)和垂直于邊坡的力P1，其中P1垂直于邊坡，對結(jié)構(gòu)造成的影響不大，在此忽略其對結(jié)構(gòu)的影響。

(5)

(6)

圖8 冰壓力對上梯形面受力分析圖

靜冰壓力T對梯形槽下表面(如圖9)的擠壓力F(如式(7)所示)可分為沿著凹槽的力F1(如式(8)所示)和垂直于凹槽的力F2(如式(9)所示)：

(7)

F1=Fcos(α-β)

(8)

F2=Fsin(α-β)

(9)

圖9 冰壓力對下梯形面受力分析圖

(10)

(11)

圖10 F1分力分析圖

(12)

(13)

圖11 F2分力分析圖

(14)

圖12 靜冰壓力T梯形槽內(nèi)分力示意圖(沿坡向)

靜冰壓力在梯形凹槽內(nèi)的轉(zhuǎn)化流程圖如圖13。

圖13 靜冰壓力T在梯形槽內(nèi)轉(zhuǎn)化流程圖

裝上防護結(jié)構(gòu)后，靜冰壓力對防護結(jié)構(gòu)沿著邊坡的作用力如式(15)：

(15)

式中：[(l1-2hcotβ)/(l1+l2)]Tcosα為l3部分對應(yīng)的力，如式(16)：

sin(α-β)sinβ]

(16)

裝上防護結(jié)構(gòu)后，靜冰壓力對堤壩的作用力如式(17)：

(17)

即如式(18)：

(18)

需要滿足的條件為：l1tanβ≥2h，α≥β。通過改變β，h，l1，l2中一項或者幾項參數(shù)的大小，使結(jié)構(gòu)達(dá)到最佳的防護效果。

3 防護方法效果檢驗

以某地區(qū)的參數(shù)取值進行效果計算測驗(參數(shù)見表1)。

表1 某地區(qū)堤壩防護設(shè)計參數(shù)表

則原有的靜冰壓力大小：F原=Tcosα≈0.766T，加護裝置后對裝置作用力：T′≈0.3035T，對原有堤壩的作用力：T0≈0.4625T。所以在以上的數(shù)據(jù)下可以將原有的靜冰壓力減少到60.38%

在此以α=40°的邊坡為例，改變其中一項或幾項自變量所減少的靜冰壓力，計算效果見表2。

表2 冰壓力計算效果表

從表格中的結(jié)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：

(1)α與β的角度相近時防護所產(chǎn)生的效果更好；

(2)增加防護裝置的厚度h可以減少靜冰壓力對防護裝置的損傷，但是并不能減少對原有堤壩的損傷程度；

(3)由于寒區(qū)冰厚有限，一般不超過1.5 m。l1取值在25～35 cm之間，l2取值在15～20 cm之間,具體取值可以根據(jù)式(16)和式(17)的結(jié)果來判斷；

(4)l2/(l1+l2)的比例增大，對裝置產(chǎn)生的作用力增大，對原有堤壩的作用力也增大，因此可以通過適當(dāng)減少l2/(l1+l2)的比例來減少靜冰壓力的損傷程度。

4 結(jié) 論

基于冰層膨脹破壞機理，提出一種梯形槽式防凍脹防護方法。通過梯形槽將橫向的冰推力分解為若干個不同方向的壓力，作用在不同的結(jié)構(gòu)上，從而減輕建筑物的冰害程度。對該方法進行防護效果檢驗，結(jié)果表明防護板梯形槽設(shè)計角度α應(yīng)接近坡角β；防護裝置的厚度h影響防護板的損傷程度，當(dāng)靜冰壓力較大時可適當(dāng)加大厚度；l1與l2的取值直接影響防護效果，l1取值在25～35 cm 之間，l2取值在15～20 cm之間，當(dāng)靜冰壓力較大時，應(yīng)適當(dāng)減少l2/(l1+l2)的取值來減少冰壓力帶來的損傷。

由此可見，該方法可大幅緩解寒區(qū)堤壩凍害問題，提高堤壩的防凍能力，增長寒區(qū)水工建筑物的使用壽命，從而提高經(jīng)濟效益。