牙克石凤凰湖蓄水工程防冰冻浅析

张进忠

（呼伦贝尔市水资源管理站 021008）

1 工程概况

呼伦贝尔牙克石市位于我国高寒地区，牙克石凤凰湖蓄水工程位于海拉尔河一级支流免渡河下游左岸河滩地上，在牙克石市上游，位于凤凰山滑雪场附近，距市区16km。该蓄水工程是把免渡河河水通过引水渠自流引入凤凰湖，在凤凰湖内形成一定的水面面积和水深。是一座为德国博世集团冬季汽车底盘性能测试提供试验场地，并兼顾养殖、旅游等综合利用的小型蓄水工程。

凤凰湖蓄水工程总库容为463.59万m3，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252－2000）2.1.1条的规定，工程规模为小（1）型，工程等别Ⅳ等。主要建筑物为4级，次要建筑物为5级。

挡水坝由主坝、副坝构成，其中主坝长3229m，副坝长755m，坝型采用碾压式土石坝，复合土工膜坝体防渗，迎、背水边坡均为1∶2.50，坝顶宽5.0m。上游为干砌石护坡，下游为碎石护坡，坝顶为渣石路面，下游坝脚设棱体排水。主坝上设有入湖闸和泄水闸各一座。副坝上设有一处过水路面，为毛石混凝土结构，长12.0m，顶高程678.50m（过水路面的实施应与汽车试验中心陆地工程的排水系统结合，具体位置应由德方根据排水系统确定）。

2 冰推护坡问题

我国北方地区的平原水库受冰推十分严重，破坏性极大，是导致水库护坡破坏的主要原因。

水库封冻以后，在气温突然升高的天气（如寒潮过后），冰盖表层温度急剧升高，体积膨胀，于是产生了很大的静冰压力，并推动护坡向上位移，这就是统称的冰推护坡作用（简称冰推），它是冰盖板释放能量的一种形式。

冰推一般发生在水浅、坝长、冬季水位变化不大的平原水库，对于山区狭长型水库，冰压力被两岸山体阻挡，对大坝很少发生冰推。

冰推严重地破坏了护坡表面的整体性和连续性，产生起拱、错位、扭曲、裂缝等变形，使护坡失去了原设计的防风浪能力。凤凰湖的护坡采用干砌石柔性护坡材料，从某种意义上来说，对冰推也能起到较好的缓冲作用。

3 坝体抗冻变形校核

在冰压力作用下二布一膜防渗体的变形情况如下。

3.1 作用在水库坡面上的水平方向静冰压力

根据《水工建筑物抗冰冻设计规范》（SL 211—98）附录D.2插补延长，求得在多年平均最大冰厚t=150cm时，作用在水库坡面的水平方向静冰压力Pi=332.5kN/m。

3.2 垂直坡面分力（Py）和平行坡面的分力（Px）

经计算：Py=123.5kN/m，Px=308.7kN/m（见图 1）。

图1 坡面静冰压力

3.3 基本假定

因处于冰层范围内护坡的块石、垫层与冰形成整体，将这部分作为刚体，求其在垂直坡面的分力Py的作用下，单宽坝体产生的沉陷量Su，该沉陷量即为二布一膜防渗体的变形。

3.4 防渗体在冰推力作用下的变形计算

求A点下B、C两点的地基表面的沉陷（见表1、表 2）：

表1 基底A点基土中地基压缩应力计算（一）

表2 基底A点基土中地基压缩应力计算（二）

a.基底水平向单位压力Px为均布分布：

b.基底垂直压力分布。因PY引起的基底垂直压力分布为

c.基底沉降计算压力的分布：

d.地基自应力分布。由原地面算起，地下水位以上基土容重 γ=20kN/m3，以下 γ′=10kN/m3。

e.地基中压缩应力σZ的分布：

三角形荷载PT=73.42-32.44=40.98kN/m

均布荷载PS=41.26-8.82=32.44kN/m（见图2）

设计坝体防渗采用复合土工膜（100g/m2/HDPE0.5mm/100g/m2）。其中渗透渗透系数K≤10-12cm/s，耐静水压力P＞1.0MPa，断裂强度不小于17kN/m。根据冰推力对坝体产生变形的计算结果，在垂直坝面冰堆力Py=123.5kN/m的作用下，坝体只产生8mm变位，不会对坝体防渗复合土工膜产生破坏。同时复合土工膜厚度，满足《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》（SL/T 225—98）第5.3条的要求。

图2 防渗体在冰推力作用下的变形情况

4 结 语

目前世界各国防治冰推主要是采用人工、机械破冰，或用风泵离冰。此外就是加大建筑物结构尺寸，加大结构尺寸，需要投入大量财力和物力。

凤凰湖蓄水工程地处严寒地区，冰面厚度大，温差变化大，对于这样一个水浅、坝长、坝低、冬季水位变化不大的小型蓄水工程，冰推问题自然会引起大家的重视。如果采用工程措施来防止冰堆，将加大坝体护坡的厚度，经初步计算，如采用干砌石护坡抵抗冰推，干砌石护坡的厚度将达到1.70m。如采用混凝土板护坡抵抗冰推，混凝土板护坡的厚度将达0.8m。经综合论证和比较，认为采取工程措施抵抗冰推对于该工程来说是不经济的，采取人工或机械破冰配合其他管理措施更加经济合理。从4年来的实际运行情况来看，冰冻及冰推未对坝体造成工程性破坏，工程采取的措施是合理可行的。■