中小型水工建筑物冻害及其防治
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中小型水工建筑物冻害及其防治
刘亚凤 张本秋 王力军 廉贵臣(黑龙江农垦勘测设计研究院 佳木斯 154000) (佳木斯市水利局 154000)
寒冷地区水工建筑物的冻害十分普遍,以黑龙江省来说,有许多灌区,尤其是涝区,由于地基土质多为黄色和黑色的粉质壤土,而且地下水位较高,冻前含水量大,地基土冻胀强,因此中小型水工建筑物遭受冻害破坏相当普遍。
不管是预制装配式的,还是现浇的;不论是钢筋混凝土的,还是砖木结构的;浅基础的或者是深基础的桥、涵、闸等各种水工建筑物都有不同程度的冻害。
如最大的自流灌区,即查哈阳灌区,建筑物遭受冻胀破坏的占83%,保持基本完好的只有17%。
由于冻害破坏,给水利建设、工程施工、工程效益、工程维修及工程管理等造成了很大危害。
1 水工建筑物冻害的原因
季节冻土区水工建筑物冻害成因可分为内因和外因两部分。
其中地基土冻胀、融沉、冰冻及长期冻融循环等是自然规律所产生的破坏作用,属于造成水工建筑物冻害的内因。
而设计不合理、施工技术不正确和工程管理不好等原因是人为因素,属于造成水工建筑物冻害的外因。
(1)水工建筑物在地基土的冻胀作用下破坏。
地基土中的水冻结成冰时,产生胶结力,使冻土与基础牢固地胶结在一起。
当土中的水冻结成冰的同时,体积膨胀,当这种膨胀足以引起土颗粒间的相对位移时,就形成冻结时土体积的膨胀,即称之为土的冻胀。
由于水工建筑物基础与冻土胶结在一起,它对土的冻胀产生了约束作用,冻土就会对基础产生冻胀力,在不均匀冻胀的作用下,当冻胀力足以造成水工建筑物产生不允许变形或者丧失稳定性时,建筑物则产生冻胀破坏,这就是季节冻土区建筑物冻害产生的主要原因。
(2)水工建筑物在地基土的融沉作用下破坏。
冻土中存在的冰在融化以后体积缩小,使土在自重作用下产生一定量的下沉,冰变成水后,在自重和外荷载作用下沿孔隙排出,从而使土进一步压缩下沉。
由于水工建筑物各部分地基土的土质和含水量的不均匀,并且融化深度也不一样,因而造成建筑物各部分的不均匀沉降,当沉降量超过建筑物的允许变形量时,建筑物则会破坏。
季节冻土区水工建筑物单纯由融沉作用破坏的不多见,但由于融沉作用加重破坏的还是较多的。
(3)在冰荷载作用下水工建筑物的破坏。
在寒冷地区,冬季河流、水库、湖泊等水域都有不同程度的结冰、封冻、解冻的过程,冰层厚度自0.3~0.8m不等。
在封冻、解冻期间,水工建筑物因受静冰压力或动冰压力作用而造成破坏,特别是水库工程受此害更为严重。
(4)季节冻土区水工建筑物在历年冻融循环及寒冻风化作用下加速了工程破坏。
(5)不正确的施工技术造成建筑物冻害破坏。
如浆砌石挡土墙灌浆不满、墙背不平整、不构缝、易挂霜结露或形成冰楔,会产生不规
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第4期(总第165期)东北水利水电
则裂缝或水平裂缝。
不合理的冬季施工加深了冻深,造成了工程受地基土冻胀作用而破坏。
(6)工程设计不符合季节冻土区客观情况。
在设计中没有考虑冻胀力的作用,又没有采取防治冻害的措施,因此在地基土作用下使建筑物丧失稳定性而破坏。
2 水工建筑物冻害防治
211 防冻害工程设计
在设计之前,必须查明土质和地下水情况;了解本地气温、冻胀、降雪、冻深等有关特性;确定合理的基础埋置深度;尽量减小结构的平面尺寸,力求结构紧凑;选用刚度大、抵抗不均匀、冻胀能力强的结构;除按一般方法设计,使其满足建筑物强度、刚度、稳定及防渗要求外,还需把各种冻胀力作为外荷载,进行强度、稳定性、变形校核,若满足不了上述要求,应考虑综合的抗冻措施。
212 水工建筑物冻害防治途径
按建筑物类型分述如下:
(1)板形基础。
当板形基础不能满足抗冻胀要求时,可采取抗冻胀的结构措施或工程措施。
在抗冻胀设计中,应首先考虑采用结构措施,如采用一字闸、筛网消能工、锚固底板、反拱底板、枕梁桥等。
只有当条件不允许或采用结构措施不够经济合理时,才采用抗冻胀工程措施。
其工程措施主要有以下几种:
①置换法,用非冻胀性土置换地基土。
②隔层封闭法,用土工模把地基土分层包裹封闭。
③用压实法或强夯法压密地基。
④采用保温措施,分为水层保温和采用保温基础两种。
⑤排水法,即设置排水设施,如盲井、暗管、反滤等。
(2)桩墩类基础。
当桩墩类基础不能满足切向冻胀力作用下的抗冻拔要求时,可采用抗冻结构措施或工程措施。
防止桩基冻拔的结构措施主要有增加桩基入土深度和采用扩大式锚固基础两种。
前者是利用融土的摩阻力,后者是利用冻胀反力来克服切向冻胀力、保持桩基稳定。
扩大式桩基的型式很多,有锚固底梁基础、爆扩桩基础、锚固环式基础等。
因地基或施工条件限制,增加基础埋深或扩大锚板直径有困难时,可采用削减切向冻胀力工程措施,如在冻层范围内的基础表面作涂层处理、外包薄膜处理、双层油套管处理等。
(3)挡土墙。
对不能满足抗冻胀要求的挡土墙单独或综合采用下述措施提高挡土墙的抗冻胀能力。
①选用适应冻胀变形能力强的结构型式。
优先选用悬臂式挡土墙,墙基础尽可能采用扩大式条形基础,墙基底板埋深要求等于设计冻深。
②采用消除或削减挡土墙后土体冻胀的措施。
挡土墙体设排水孔,挡土墙迎土面要求平整光滑,在满足渗径要求的前提下,墙后回填土可用非冻胀性土置换,也可采取排水措施或用聚苯乙烯泡沫板保温。
以上介绍了板形基础、桩墩基础、挡土墙的抗冻胀措施。
这些措施在实践当中应用较多,同时也收到了良好的效果。
(收稿日期:1997203222)
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