馬棟和，李作舟，鄭成成，王銳

（1.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林長春130061；2.水利部-寒區(qū)工程技術(shù)研究中心，吉林長春130061；3.陜西鎮(zhèn)安抽水蓄能有限公司，陜西商洛711509）

寒區(qū)渠道冰壓力對護坡作用的研究

馬棟和1，2，李作舟3，鄭成成3，王銳1，2

（1.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林長春130061；2.水利部-寒區(qū)工程技術(shù)研究中心，吉林長春130061；3.陜西鎮(zhèn)安抽水蓄能有限公司，陜西商洛711509）

目前關(guān)于靜冰壓力的研究多集中于水庫工程，對冬季存水渠道的冰壓力作用規(guī)律鮮見研究。針對寒區(qū)大型渠道冬季存水結(jié)冰問題，采用原位觀測法對渠道冰壓力展開了研究，并分析了冰壓力分布與發(fā)展以及對護坡作用的規(guī)律。

寒區(qū)渠道；冰壓力；凍結(jié)力；作用

0 引言

水庫冰層膨脹產(chǎn)生的靜冰壓力已有較多的觀測和研究，在有關(guān)規(guī)范中已有冰壓力取值的規(guī)定。但是，冬季存水渠道的冰壓力問題鮮有研究。隨著北方寒冷地區(qū)大型渠道建設(shè)的增多，渠道冰壓力及其對渠道護坡的作用問題越來越受到人們的關(guān)注。由于渠道內(nèi)的冰層產(chǎn)生冰壓力的條件與水庫有所不同，冰壓力的形成及其大小也將不同。因此，渠道冰壓力特征及其對護坡是否存在危害作用是一個亟待研究的問題。

這次研究以哈達(dá)山水利樞紐工程為依托，哈達(dá)山水利樞紐灌渠深挖方渠段地下水位高，冬季地下水位高出渠底，致使渠道內(nèi)存水和凍結(jié)形成冰層，冰層溫度升高時體積膨脹可能對渠道護坡產(chǎn)生一定的作用力。因此，采用原位觀測法對該渠段冰壓力作用特征展開了觀測研究。

1 觀測斷面選擇

根據(jù)渠道水位情況，選擇樁號47 km渠段位觀測點，渠道內(nèi)的水深為2.16 m（結(jié)冰前），水（冰）面寬度為34.3 m。冰壓力觀測采用振弦式壓力計，自冰面向下間隔布置，同時采用電阻溫度計測試冰溫與水溫。

2 冰厚及其發(fā)展

由于溫度隨著冰層厚度向下線性升高，通過各層的冰溫和冰層下面的水溫可測得0℃的深度，并以此定為冰層厚度。觀測周期于當(dāng)年12月26日開始埋設(shè)觀測設(shè)備，至翌年3月23日結(jié)束。觀測冰厚于2月12日達(dá)到最大值60.0 cm。圖1為觀測斷面不同深度處溫度隨時間的變化過程。

圖1 冰溫分布圖

3 渠道冰壓力及其發(fā)展

冰壓力觀測與冰厚觀測同時進行，自12月26日開始，至翌年3月23日結(jié)束。冰壓力觀測成果表明：冰壓力的形成及其發(fā)展與氣溫和冰溫密切相關(guān)。大致在2月初之前，氣溫與平均冰溫均處于下降過程。在此過程中，盡管由于晝夜溫差，白天有一定升溫，但一般幅度不大，因而形成的冰壓力亦不大。2月初之后，氣溫和平均冰溫總體上進入升溫過程，冰壓力隨之增大。由于冰的塑性性質(zhì)，當(dāng)溫度達(dá)到一定值后，冰壓力不再增加，反而隨著溫度的升高而減小。最大冰壓力出現(xiàn)在2月中旬，這與吉林省內(nèi)水庫的最大冰壓力出現(xiàn)時間基本相當(dāng)。隨著冰溫升高，2月下旬再出現(xiàn)較大的冰壓力，但是，盡管此時的冰溫比前一次高，約達(dá)到-4.0℃左右，而冰壓力卻比上一次小。而此后冰溫繼續(xù)升高，冰壓力則持續(xù)下降。由此可以認(rèn)為，當(dāng)冰層平均冰溫達(dá)到-4.0℃左右后，不會再出現(xiàn)較大的冰壓力。

冰壓力沿冰層深度的分布大致呈上下小中間大的形式，而且酷似倒梨形。冰壓力的這種分布形式是由于冰面為凌空的自由面，冰底面接觸的是水體，加之冰層下部受氣溫升高的作用比上中層小決定的。

4 冰壓力對護坡的作用

圖2 冰壓力對護坡的作用示意圖

圖2中：p為冰層總冰壓力；p1，p2分別為順護坡坡面和與坡面成法向的冰壓力分力；W為護坡自重；f1，f2為其分力；F為護面結(jié)構(gòu)與基土的凍結(jié)力或摩擦力。

為簡化計算和偏于安全，不計p2的作用。由圖2可得：

式中：f——護面結(jié)構(gòu)與基土的摩擦系數(shù)，計算中不分水上水下；C——護面結(jié)構(gòu)與基土的凍結(jié)力；L1——凍結(jié)坡長；W1——冰層底面以上模袋混凝土重；W2——冰層底面以下模袋混凝土重。

渠道混凝土護坡平均厚度為d=0.12 m，取坡長L=14 m，其中冰底面以上坡長L1=11.3 m，冰底面以下坡長L2=2.7 m，護坡與水平夾角為α= 21.8°。該渠段實測平均最大冰壓力為53.9 kN。由此算得：

W2=0.12×2.7×23=7.5 kN/m。凍結(jié)力的大小主要與界面性質(zhì)、接觸材料和界面溫度有關(guān)，而且與作用力的方向有關(guān)。冰壓力推坡時，凍結(jié)力表現(xiàn)為剪切力。由于模袋混凝土與土的凍結(jié)力尚無試驗資料，而且沿坡面是水分和溫度狀況均有所不同，計算根據(jù)樁基凍結(jié)力試驗資料和本觀測情況，假定凍結(jié)力F=100 kPa。同時，由于凍結(jié)面被剪開后，界面上實際上是冰與冰之間的摩擦，因此按凍結(jié)力計算護坡的穩(wěn)定時不計摩擦力的作用。模袋與土之間的摩擦力，根據(jù)已有土工織物與土或模袋布與土工布的摩擦試驗，取φ=24°。由此算得按凍結(jié)力和按摩擦力兩種情況下的阻推力為：

按凍結(jié)力計算：由公式（2），

從以上計算結(jié)果可見，當(dāng)護坡與基土之間存在凍結(jié)力時，阻推力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于冰推力，而不存在凍結(jié)力時，冰推力大于阻推力。從凍土觀測場和護坡試驗段土的凍深過程線可見，地表開始融化時間為3月中旬，而出現(xiàn)最大冰壓力的時間為2月中下旬，二者相差近一個月。到3月中旬，冰壓力已基本消失。由此說明，渠道的冰層存在冰壓力期間，護坡與基土一直處于凍結(jié)狀態(tài)。因此，即使冰壓力再大，護坡也不致受冰推破壞。

5 結(jié)論

1）冰壓力的形成及其發(fā)展與氣溫和冰溫密切相關(guān)。最大冰壓力出現(xiàn)在2月中旬，當(dāng)冰層平均冰溫達(dá)到-4.0℃左右后，不會再出現(xiàn)較大的冰壓力。

2）冰壓力沿冰層深度的分布大致呈上下小中間大的形式，而且酷似倒梨形。冰壓力的這種分布形式是由于冰面為凌空的自由面，冰底面接觸的是水體，加之冰層下部受氣溫升高的作用比上中層小決定的。

3）通過分析渠道冰壓力及其形成和發(fā)展規(guī)律，由于護坡前的冰層長度有限，產(chǎn)生的冰壓力較小，加之護坡結(jié)構(gòu)與基土之間存在凍結(jié)力和基土的凍脹力，因而冰壓力不致對護坡結(jié)構(gòu)產(chǎn)生冰推破壞作用。

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