摘要：在一些水工建筑物中，出現(xiàn)凍害是一種比較常見的現(xiàn)象，如果不進(jìn)行及時(shí)有效的防護(hù)，會(huì)給建筑工程造成嚴(yán)重的破壞，本文結(jié)合張家口地區(qū)水利工程的防凍害問題展開一系列的分析和探討。

　　關(guān)鍵詞：張家口,水利工程,防凍害

　　張家口市崇禮縣地處季節(jié)性凍土地區(qū)，屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季干旱漫長(zhǎng)，夏季涼爽短暫，春秋多風(fēng)。多年平均氣溫3.3°C，多年極端低溫-34.1°C，早霜始于9月中旬，晚霜終于5月下旬，無霜期平均103天，最大凍土深度1.47m。本文主要以張家口崇禮縣水利工程為研究對(duì)象，分析水利工程凍害的成因及防護(hù)措施。

　　在修建閘、涵、橋、跌水、渡槽、渠道襯砌等水工建筑物時(shí)，設(shè)計(jì)原則仍是繼承和借鑒常規(guī)的設(shè)計(jì)理論，但在使用中，工程凍害現(xiàn)象和破壞的程度及規(guī)模相當(dāng)普遍，有些還很嚴(yán)重。破壞狀況有凍結(jié)時(shí)引起的凍脹、凍技和融化時(shí)引起的不均勻下沉及滲透破壞。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，研究和探討對(duì)凍土的利用、改造和對(duì)凍害的防治，要求在凍土地區(qū)修建的水工建筑物，結(jié)構(gòu)安全可靠，技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)合理，有著特殊的意義。為防止凍害，目前建筑物設(shè)計(jì)除滿足基礎(chǔ)承壓要求之外，廣泛采用凍層以下深基防凍害破壞，無論建筑物大小與等級(jí)，一律將基礎(chǔ)置于凍深以下。有的工程基礎(chǔ)深達(dá)2m，60%的工程量埋于地下，這就大大增加了工程量和工程造價(jià)，盡管如此，有時(shí)也不能完全避免凍害。深基，當(dāng)然是一種抗凍措施，但不是唯一的措施，應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同的工程性質(zhì)、等級(jí)和地質(zhì)條件，因地制宜。實(shí)踐證明，按暖土建筑理論來指導(dǎo)凍土地區(qū)工程設(shè)計(jì)，不但達(dá)不到經(jīng)濟(jì)合理，而且也保證不了工程的堅(jiān)固耐用。

　　一、凍害的成因分析

　　水利工程凍害成因有很多，主要分為內(nèi)因和外因,其中地基土的凍脹、融沉、冰凍及長(zhǎng)期凍融循環(huán)等是自然規(guī)律所產(chǎn)生的破壞作用屬凍害的內(nèi)因;而設(shè)計(jì)不合理、施工技術(shù)不正確和工程管理不好等原因是人為因素,屬造成水利工程凍害的外因。

　　(一)水利工程因?yàn)榈鼗鶅鰸q、融沉引起的破壞 。地基土中的水凍結(jié)成冰時(shí)體積膨脹,當(dāng)這種膨脹足以引起土顆 粒間的相對(duì)位移時(shí),就形成凍結(jié)時(shí)土體積的膨脹,即稱之為土的凍脹。 受水利工程基礎(chǔ)和側(cè)壁的約束膨脹的凍土?xí)?duì)相應(yīng)的位置產(chǎn)生較大的法向壓應(yīng)力。另外，由于冰凍作用水利工程基礎(chǔ)、側(cè)壁與凍土 產(chǎn)生膠結(jié)力,對(duì)土的凍脹產(chǎn)生了切向約束作用,在不均勻凍脹的作用 下,對(duì)水利工程基礎(chǔ)、側(cè)壁產(chǎn)生較大的切向剪應(yīng)力。這些法向壓應(yīng)力和切向剪應(yīng)力統(tǒng)稱凍脹力。 當(dāng)凍脹力足以造成水利工程產(chǎn)生不允 許變形或者喪失穩(wěn)定性時(shí),構(gòu)筑物則產(chǎn)生凍脹破壞。

　　(二)低溫引起的水工混凝土凍融破壞。混凝土的凍融破壞是指水工混凝土建筑物已硬化的混凝土在浸 水飽和及潮濕的條件下,由于環(huán)境溫度的變化,使混凝土內(nèi)部的孔隙 水凍結(jié)膨脹、 融解松馳產(chǎn)生的疲勞應(yīng)力而造成的混凝土由表及里逐漸 剝蝕的破壞現(xiàn)象,它是寒冷地區(qū)水工混凝土建筑物破壞的主要類型。特別是中小型建筑物,混凝土因凍融作用而產(chǎn)生的剝蝕幾乎占100%。凍融破壞主要發(fā)生在建筑物的水位變化區(qū)、溢流處、取水口及擋土墻 等處。混凝土的凍融破壞從發(fā)生原因來看，主要是有以下兩個(gè)原因引起的：(1)在低溫浸水條件下混凝土凍融循環(huán)破壞。這種破壞的基本特征是：已硬化的混凝土在低溫——常溫的循環(huán)條件下，混凝土內(nèi)部的微孔、微裂隙和毛細(xì)孔內(nèi)的水從液態(tài)到固態(tài)往復(fù)循環(huán),經(jīng)過多次凍結(jié)和 融解產(chǎn)生微變形,使混凝土內(nèi)部逐漸受到損傷。(2)早齡期受凍融破壞。這種破壞的主要特征是：混凝土內(nèi)部在受 凍之前,沒有足夠的抗壓強(qiáng)度，微孔內(nèi)和毛細(xì)孔內(nèi)的游離水(105℃可 蒸發(fā)掉)凍結(jié),表現(xiàn)為強(qiáng)度的降低以及引起外形的變化。另外，一些工程在秋季停水以后施工，由于混凝土齡期較短氣溫達(dá)到零下而產(chǎn)生冰凍，春季融化后混凝土疏松發(fā)生了破壞。還有在冬期施工中摻用一些含鹽的防凍劑，這類防凍劑對(duì)混凝土的抗凍耐久性能也有不良的影響。

　　(三)水利工程由于冰荷載所引起的破壞。在寒冷地區(qū),冬季河流、水庫(kù)、湖泊等水域、以及露天水池、輸 水渠等都有不同程度的結(jié)冰、封凍、解凍的過程,冰層厚度自0.3～ 1.5m不等。在封凍、解凍期間,水工建筑物因受靜冰壓力或動(dòng)冰壓力 作用而造成破壞,特別是水庫(kù)、大型蓄水池工程更為嚴(yán)重。4、大型水利工程低溫變形引起的破壞大型的水利工程或體形較細(xì)長(zhǎng)的水利工程(如輸水涵洞、渡槽等)在低溫的影響下一般會(huì)發(fā)生較大的線性變形。受地基或其它相連構(gòu)筑物的約束，并將產(chǎn)生較大的內(nèi)部應(yīng)力，從而發(fā)生破壞。

　　二、凍害的防護(hù)分析

　　水利施工中的防護(hù)工程主要為三種，一是地基凍脹防護(hù)，二是土工建筑物凍害防護(hù)，三是混凝土建筑物凍害防護(hù)。

　　水利工程產(chǎn)生凍害的外界條件是負(fù)氣溫和水。細(xì)粒土和混凝土孔隙中的水分以及水庫(kù)水面在負(fù)氣溫下會(huì)結(jié)冰，產(chǎn)生凍脹和靜冰壓力;地基土的凍脹使水閘、溢洪道底板隆起裂開，橋梁、渡槽樁基凍拔;混凝土孔隙中的水分凍結(jié)融化交替作用可使混凝土嚴(yán)重剝蝕。水庫(kù)的靜冰壓力和解凍時(shí)碎冰塊的撞擊會(huì)破壞壩體護(hù)坡和使水塔等水工建筑物的墩、柱發(fā)生歪斜、斷裂。

　　三、凍害具體防護(hù)措施

　　地基凍脹防護(hù)：對(duì)建筑物的凍脹性地基，可采取隔斷外水補(bǔ)給來源，排除地表水，降低地下水，冬季放干渠道、涵管、渡槽積水等措施;也可在建筑物表面用稻草、爐渣、泡沫混凝土、玻璃纖維、聚苯乙烯泡沫等保溫材料覆蓋，使土層不致凍結(jié)或減少冰凍深度;樁基和擋土墻在凍深范圍內(nèi)的部位涂刷厚2～5mm渣油、低溫瀝青、潤(rùn)滑油等憎水材料，以減少切向凍脹力。

　　土工建筑物凍害防護(hù)：主要表現(xiàn)為臨水壩坡、堤坡凍脹隆起和受冰推破壞，以土壩護(hù)坡為最。防護(hù)凍脹可按反濾原理采用足夠厚度的砂礫石料,做好護(hù)坡墊層,并用大石塊護(hù)砌緊密。防止冰推的措施有：①用人工機(jī)械破冰，即沿壩線前緣開鑿0.5～1.5m寬的不凍水槽,隔斷冰壓力的傳遞;②在水下壩坡表面鋪塑料薄膜引滑，在冰層內(nèi)人為造成滑動(dòng)斜面，使冰層膨脹時(shí)沿塑料布所在的斜面滑動(dòng)，以消減冰壓力;③調(diào)節(jié)水位，根據(jù)中國(guó)新疆、黑龍江幾座水庫(kù)的經(jīng)驗(yàn)，控制水庫(kù)水位一定的升降速度，可消除冰壓力破壞。

　　混凝土建筑物凍害防護(hù)：在混凝土建筑物水位變化帶，易因反復(fù)凍融而剝蝕。建設(shè)和修補(bǔ)時(shí)，可采取提高混凝土抗凍性能的措施，如選用抗凍性較好的水泥和高標(biāo)號(hào)混凝土、降低水灰比、在混凝土中摻塑化劑和加氣劑及硅粉等。施工中,要提高混凝土表面的光滑度,如模板涂蠟、鋪塑料布或用鋼模板等。為防止混凝土建筑物遭受靜冰壓力、動(dòng)冰壓力的破壞，可采用的方法為：①用機(jī)械或人工破冰，使建筑物與水面接觸處形成不凍水槽;②用壓縮空氣吹冰，即通過吹入壓縮空氣使上下層水強(qiáng)制對(duì)流或用潛水泵將溫度較高的深層水抽上來，向建筑物正面噴射，維持建筑物周圍水面不結(jié)冰;③電熱法，即用電熱管等加熱器直接或間接使物體加熱，此法效果好，但費(fèi)用較高，只適用于小面積的門槽邊側(cè)和底部。有些國(guó)家試驗(yàn)用有機(jī)硅和氟化液及其他聚合物涂層減少防護(hù)面與冰的凍結(jié)力，或用防凍劑使水的凍結(jié)溫度降至冬季氣溫以下，達(dá)到防凍目的。對(duì)于大冰塊對(duì)建筑物墩、柱、閘孔的撞擊破壞，可采取破冰措施減小冰塊尺寸，防止大面積碰撞和人工導(dǎo)引冰塊過閘等辦法減少破壞。

　　結(jié)束語(yǔ)：分析地區(qū)水利工程的凍害成因，制定相對(duì)應(yīng)的防護(hù)措施，積極防護(hù)，可有效的延長(zhǎng)水利工程的使用壽命，不公節(jié)省工程投資，同時(shí)能省去大量工程修復(fù)的人力物力的浪費(fèi)。