中小型水工建筑物冻害成因及其防治策略分析
2017-03-02王乐
□王乐
（新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司）
中小型水工建筑物冻害成因及其防治策略分析
□王乐
（新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司）
随着我国社会经济发展速度不断提升，水利工程设施的建设取得很大的发展。水利工程建筑物是我国基础设施中的重要组成部分，其不仅关系到我国社会经济的发展，更关系到我国的国计民生。中小型水工建筑是水利工程建设过程中的重要环节，其会对水利工程的实用性造成直接的影响。根据我国的实际情况，中小型水工建筑物的数量相对较多，这主要是因为我国的水利工程主要以中小型为主。但根据中小型水工建筑物的实际使用情况来看，其经常会因为冻害而不能发挥应有的作用，对我国水利工程正常功能的发挥造成严重影响。文章针对我国中小型水工建筑物的现状，分析其冻害的成因，并探讨有效的冻害防治策略。
中小型水工建筑物；冻害成因；防治策略
0 引言
近年来我国在水利工程建设中的投入越来越多，通过这样的方式让我国的社会经济建设得到有效保障，其中尤其是水利工程的大量修建有效解决了多地的洪涝灾害，并有效缓解了缺水地区的水资源匮乏问题。但根据我国中小型水利工程的运行现状，其中有很多中小型水工建筑物存在冻害问题，导致水利工程的正常运行受到严重影响。这不仅会导致水利工程所在地的群众生命和财产安全受到威胁，还会导致我国的经济建设受到严重影响，对我国的长远发展极为不利。因此，在对中小型水利工程进行管理和建设的过程中，有效解决其水工建筑物的冻害问题是目前的重要任务。
1 中小型水工建筑物冻害的成因及危害
1.1 冻胀力导致的冻害
在混凝土和水工建筑物地基土因温度过低而冻结时，土壤中含有的水分会冻结成冰块，这些冰块会将未冻结的水分聚集在其锋面上从而形成冰晶体，冰晶体的体积不断增大时就会产生冻胀力。根据建筑物的实际勘查，冻胀力对建筑物的破坏主要分为竖直方向、水平方向和切向的破坏。
1.1.1 竖向冻胀力
竖向冻胀力主要是指混凝土在冻胀的过程中会受到地基竖直向下的压力限制，这样就会导致其对地基施加竖直向上的冻胀力。
1.1.2 水平冻胀力
水平冻胀力是因为建筑物的地基侧面或挡土墙发生冻胀，在其不断冻胀的过程中就会向两侧延伸，而这样就会导致侧面的挡土受到其向两侧伸展的压力。
1.1.3 切向冻胀力
水工建筑物中的桥墩和物桩基础等周围的地基土出现冻胀时，会导致其被桥墩和物桩限制，这样就会导致发生冻胀的土壤对桥墩和物桩施加一个向上的斜向压力，成为切向冻胀力。
1.2 冰压力导致的冻害
中小型水工建筑物中存在的冰压力主要有动冰压力和静冰压力，其中动冰压力主要是指流动的冰块对水工建筑造成的冲击压力，导致建筑物受到挤压和剪切等破坏。静冰压力是指冰层因温度升高而出现内部膨胀，由于冰层处于地基之下，因此在其内部膨胀不断扩大的过程中会导致冰盖不断向上运动，这样将会导致混凝土板被凝结于一处，并且会因为冰盖的挤压而出现断裂和弯曲等现象。
1.3 蠕动变形
在水工建筑物地基所处环境的温度降到零下时，会导致冻土的冰体出现变形的情况，其中最常见的是冰体的体积不断减少。而这样就会导致冰体因压力不断增加而出现冰点下降并融化的现象，最终会因流动而对地基土造成严重影响。
1.4 冻融现象
在负温下出现冻结的情况并在温度升高后出现融化的现象就称为冻融，水工建筑中冻融现象经常反复出现。正是因为冻融现象反复出现，水工建筑就会很容易被破坏。其中最明显的是处于水位变化区域内的混凝土表面，这主要是因为在发生冻结时会导致其体积膨胀，而在融化后冰水流到混凝土之外，这样就会导致混凝土的形状出现很大的变化，使得混凝土逐渐失去弹性。这样就会导致混凝土中的钢筋被腐蚀，并且会出现钢筋外露的情况，导致水工建筑物遭到严重破坏。
1.5 设计阶段导致的冻害
水工建筑物的设计需要结合当地的实际情况进行，其中不仅要考虑当地的地质条件，还要考虑当地的温度变化。而在实际的水工建筑物设计中，设计者经常会忽视冻害的预防，片面强调工程的实用性与美观性，导致其在建成后并不能适应当地的气温变化，从而出现冻害。
1.6 施工阶段导致的冻害
施工阶段是整个工程质量控制的主要阶段，其中施工方法和施工技术的使用将会对工程的质量造成严重影响。而一些施工单位在开展水工建筑物施工的过程中为了控制施工进度而采用简单易行的施工方法，从而影响水工建筑物建成后的安全性，尤其是因为施工材料的选择不恰当而导致水工建筑物很容易受到冻害影响。
2 水工建筑物冻害的防治策略
2.1 勘探环节的冻害防治方法
在中小型水工建筑物施工中，勘探环节显得十分重要，其直接关系到水工建筑物能否顺利建成。因此在开展勘探工作的时候必须高度重视，其中首先需要对土壤的各种物理性质进行全面分析，并且对土壤的平均温度进行测定，分析其在各个季节的最低温度和最高温度，并对当地的冻土分布进行勘探。然后通过对勘探结果的分析与总结，制定相应的防冻害策略。
2.2 设计阶段的防冻害策略
2.2.1 换回填土
设计人员需要根据建设的级别要求、建筑所在地的日照条件和遮阴水平等对设计深度、基础深度和土壤冻胀量进行计算。同时，在设计的过程中还要对基础深度和冻胀力的降低因素、基础换土和回填土的降低因素进行考虑。其中在对不同级别置换冻胀土地基进行设计时，要根据实际情况确定是否需要选择有冻胀性的土壤，并且要根据实际情况对在置换材料与原状土壤之间安放过滤层，同时按照要求对排水条件进行设计。
2.2.2 排水设计
在水工建筑物所在地的土壤含水量超出冻胀的起始含水量时，必须要对土壤中的水分进行排除，并且要对其它来源进入土壤的水量进行控制，其中主要是设计相应的排水孔。对渠道线路进行设计时要尽量避免地下水造成的破坏，其中主要是在沟渠旁边种植树木，从而让土壤的水含量得到控制。
2.2.3 保温措施
在进行水工建筑物设计的时候，还要根据实际情况选择相应的保温措施。其中常用的是水保温方式，其主要是利用水的强大比热容来完成对土壤的保温。在不能采用水保温方法的时候，要采用稻草填堵进行保温，其主要是利用稻草的保温作用完成对土壤的保护。
2.2.4 隔离措施
在水工建筑物所在地处于冻土较多的区域时，需要对水工建筑物的地基进行隔离，以此来减少水工建筑受到的冻害。其中主要是使用隔水层完成对水分的隔离，从而避免水分进入地基土后出现冻害。隔水层的材料一般采用沥青，并且要使用水泥砂浆将挡土墙背后抹平以保持其光滑，从而让地基土与基础外壁间的冻结力被有效降低。
2.2.5 建筑结构形式的设计
在对水工建筑物进行设计的时候，还要对建筑物的结构形式进行考虑。其中主要是根据建筑物的实际作用确定其受力特点，然后对建筑物与冻土的接触面积进行控制，尽量让其接触面减小，并对基础单元刚度等结构和布局进行设计。
2.2.6 施工过程中的防冻害策略
在开展水工建筑物施工的过程中，要对环境温度进行密切关注，在温度低于3℃时，要避免开展重要建筑结构的混凝土施工，避免施工完成后相应结构不能满足防冻害要求。对于严寒地区的水工建筑施工，要采取相应的保温措施，并且要对施工材料进行严格挑选，确保建筑施工完成后能够满足抗冻害要求。
2.3 水工建筑物运行管理中的防冻害策略
在对中小型水工建筑物进行管理的过程中，管理人员要重视定期检查工作，尽量按照相关标准对建筑物存在的问题进行全面分析，然后根据分析结果制定相应的防冻害策略。同时，在管理水工建筑物的过程中要提前制定冻害补救措施，从而确保在冻害发生时能够第一时间将其解决，保证水工建筑物能够正常运行。
3 结语
中小型水工建筑物是水利系统中的重要组成部分，其直接关系到社会经济的发展，并且关系到人民的生命财产安全。根据目前的情况来看，我国的中小型水工建筑中有很多存在冻害现象，导致水工建筑不能发挥其应有的作用，影响水利工程的正常运行。因此在不断发展的过程中必须要对中小型水工建筑物冻害进行有效的预防和治理，让水利工程在社会经济中发挥其应有的作用。
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1673-8853（2017）07-0083-02
2017-05-08
编辑：刘青
王乐（1985-），男，汉族，工程师，主要研究方向为水工建筑物、节水灌溉。
