寒区渠道冰压力对护坡作用的研究

马栋和，李作舟，郑成成，王锐

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130061；2.水利部-寒区工程技术研究中心，吉林长春130061；3.陕西镇安抽水蓄能有限公司，陕西商洛711509）

寒区渠道冰压力对护坡作用的研究

马栋和1，2，李作舟3，郑成成3，王锐1，2

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130061；2.水利部-寒区工程技术研究中心，吉林长春130061；3.陕西镇安抽水蓄能有限公司，陕西商洛711509）

目前关于静冰压力的研究多集中于水库工程，对冬季存水渠道的冰压力作用规律鲜见研究。针对寒区大型渠道冬季存水结冰问题，采用原位观测法对渠道冰压力展开了研究，并分析了冰压力分布与发展以及对护坡作用的规律。

寒区渠道；冰压力；冻结力；作用

0 引言

水库冰层膨胀产生的静冰压力已有较多的观测和研究，在有关规范中已有冰压力取值的规定。但是，冬季存水渠道的冰压力问题鲜有研究。随着北方寒冷地区大型渠道建设的增多，渠道冰压力及其对渠道护坡的作用问题越来越受到人们的关注。由于渠道内的冰层产生冰压力的条件与水库有所不同，冰压力的形成及其大小也将不同。因此，渠道冰压力特征及其对护坡是否存在危害作用是一个亟待研究的问题。

这次研究以哈达山水利枢纽工程为依托，哈达山水利枢纽灌渠深挖方渠段地下水位高，冬季地下水位高出渠底，致使渠道内存水和冻结形成冰层，冰层温度升高时体积膨胀可能对渠道护坡产生一定的作用力。因此，采用原位观测法对该渠段冰压力作用特征展开了观测研究。

1 观测断面选择

根据渠道水位情况，选择桩号47 km渠段位观测点，渠道内的水深为2.16 m（结冰前），水（冰）面宽度为34.3 m。冰压力观测采用振弦式压力计，自冰面向下间隔布置，同时采用电阻温度计测试冰温与水温。

2 冰厚及其发展

由于温度随着冰层厚度向下线性升高，通过各层的冰温和冰层下面的水温可测得0℃的深度，并以此定为冰层厚度。观测周期于当年12月26日开始埋设观测设备，至翌年3月23日结束。观测冰厚于2月12日达到最大值60.0 cm。图1为观测断面不同深度处温度随时间的变化过程。

图1 冰温分布图

3 渠道冰压力及其发展

冰压力观测与冰厚观测同时进行，自12月26日开始，至翌年3月23日结束。冰压力观测成果表明：冰压力的形成及其发展与气温和冰温密切相关。大致在2月初之前，气温与平均冰温均处于下降过程。在此过程中，尽管由于昼夜温差，白天有一定升温，但一般幅度不大，因而形成的冰压力亦不大。2月初之后，气温和平均冰温总体上进入升温过程，冰压力随之增大。由于冰的塑性性质，当温度达到一定值后，冰压力不再增加，反而随着温度的升高而减小。最大冰压力出现在2月中旬，这与吉林省内水库的最大冰压力出现时间基本相当。随着冰温升高，2月下旬再出现较大的冰压力，但是，尽管此时的冰温比前一次高，约达到-4.0℃左右，而冰压力却比上一次小。而此后冰温继续升高，冰压力则持续下降。由此可以认为，当冰层平均冰温达到-4.0℃左右后，不会再出现较大的冰压力。

冰压力沿冰层深度的分布大致呈上下小中间大的形式，而且酷似倒梨形。冰压力的这种分布形式是由于冰面为凌空的自由面，冰底面接触的是水体，加之冰层下部受气温升高的作用比上中层小决定的。

4 冰压力对护坡的作用

图2 冰压力对护坡的作用示意图

图2中：p为冰层总冰压力；p1，p2分别为顺护坡坡面和与坡面成法向的冰压力分力；W为护坡自重；f1，f2为其分力；F为护面结构与基土的冻结力或摩擦力。

为简化计算和偏于安全，不计p2的作用。由图2可得：

式中：f——护面结构与基土的摩擦系数，计算中不分水上水下；C——护面结构与基土的冻结力；L1——冻结坡长；W1——冰层底面以上模袋混凝土重；W2——冰层底面以下模袋混凝土重。

渠道混凝土护坡平均厚度为d=0.12 m，取坡长L=14 m，其中冰底面以上坡长L1=11.3 m，冰底面以下坡长L2=2.7 m，护坡与水平夹角为α= 21.8°。该渠段实测平均最大冰压力为53.9 kN。由此算得：

W2=0.12×2.7×23=7.5 kN/m。冻结力的大小主要与界面性质、接触材料和界面温度有关，而且与作用力的方向有关。冰压力推坡时，冻结力表现为剪切力。由于模袋混凝土与土的冻结力尚无试验资料，而且沿坡面是水分和温度状况均有所不同，计算根据桩基冻结力试验资料和本观测情况，假定冻结力F=100 kPa。同时，由于冻结面被剪开后，界面上实际上是冰与冰之间的摩擦，因此按冻结力计算护坡的稳定时不计摩擦力的作用。模袋与土之间的摩擦力，根据已有土工织物与土或模袋布与土工布的摩擦试验，取φ=24°。由此算得按冻结力和按摩擦力两种情况下的阻推力为：

按冻结力计算：由公式（2），

从以上计算结果可见，当护坡与基土之间存在冻结力时，阻推力远远大于冰推力，而不存在冻结力时，冰推力大于阻推力。从冻土观测场和护坡试验段土的冻深过程线可见，地表开始融化时间为3月中旬，而出现最大冰压力的时间为2月中下旬，二者相差近一个月。到3月中旬，冰压力已基本消失。由此说明，渠道的冰层存在冰压力期间，护坡与基土一直处于冻结状态。因此，即使冰压力再大，护坡也不致受冰推破坏。

5 结论

1）冰压力的形成及其发展与气温和冰温密切相关。最大冰压力出现在2月中旬，当冰层平均冰温达到-4.0℃左右后，不会再出现较大的冰压力。

2）冰压力沿冰层深度的分布大致呈上下小中间大的形式，而且酷似倒梨形。冰压力的这种分布形式是由于冰面为凌空的自由面，冰底面接触的是水体，加之冰层下部受气温升高的作用比上中层小决定的。

3）通过分析渠道冰压力及其形成和发展规律，由于护坡前的冰层长度有限，产生的冰压力较小，加之护坡结构与基土之间存在冻结力和基土的冻胀力，因而冰压力不致对护坡结构产生冰推破坏作用。

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