浅论均质土坝迎水面混凝土盖板受冻胀土破坏的机理及防治

(中国水电基础有限公司，天津 301700)

1 研究背景

为了防止均质土坝上游坝体受到上游水浪淘刷，避免雨水径流、冰层、温度变化、风扬、动植物等对坝体产生破坏，一般都会在大坝迎水面设置护坡。现浇混凝土盖板作为一种施工方便、技术成熟、防护效果良好的护坡结构形式，被广泛应用。但是在我国北方高寒地区，均质土坝体迎水面淹没高程位置、位于浸润线范围内的部分，在负温的作用下土体结冰形成冻土，冻土下部的水在冻结过程中向冻土表面转移富集，水相对集中，水与土壤颗粒形成冰透镜或冻结夹层，使土壤体积增大，发生冻胀现象，位于最大冻土厚度范围内的土体受到冻胀效应的影响最为强烈。土体发生冻胀效应后，土体体积膨胀率一般情况下会达到10%～50%，使得坝体表层位于库区结冰层范围的土体出现冻土上抬、冻胀开裂等现象，由上抬的冻土产生的推力作用于其上部的混凝土盖板，致使混凝土盖板随之向上抬动甚至产生裂缝(如图1、图2所示)。而到了春季气温由负转正，水与土壤颗粒形成的冰透镜或冰冻夹层逐渐消融，土体失去强度，使得在冬季上抬或开裂的混凝土盖板失去支撑，导致混凝土盖板塌陷或滑动。在冻融循环的作用下，土层上部的混凝土衬砌结构的安全性和稳定性会遭到破坏，影响混凝土盖板对均质土坝上游坝体的保护效果。

图1 混凝土盖板上抬

图2 混凝土盖板塌陷、滑动、开裂

2 冻胀土的产生机理

坝体混凝土盖板冻胀破坏是由于均质土坝坝体土体及其上部至混凝土盖板下部垫层料受冻后，体积膨胀产生向上的托顶力而导致。

土体受冻体积膨胀必须具备以下条件：ⓐ高寒地区气温长期持续在0℃以下负温条件；ⓑ土壤中存在大量自由水、束缚水和毛细水，并且水分补给通道通畅、持续；ⓒ土壤本身的物理力学性质，包括土的颗粒组成，矿物质成分等。冻胀破坏是寒冷地区水工混凝土建设的一大难题，由土壤中的水、土体颗粒物理性质和负温所致[1]。

2.1 土粒子间自由水与束缚水的作用

均质土坝坝体均质土及其上层土体的土壤中均含水，这些土壤中的水主要是由填充在土粒子间的自由水和吸附在土粒子周围的束缚水构成(如图3所示)，土粒子间隙的大小决定了自由水的多少，而粒子的总表面积是束缚水多少的决定因素。

图3 土体中自由水、束缚水示意图

在坝体上层、混凝土盖板下层通常情况要铺设粗砂垫层、砂砾混合垫层及碎石混合层等过渡层。在混凝土盖板浇筑前还需铺设盖板垫层，一般为砂砾石垫层或碎石垫层，如图4所示。

图4 坝体示意图

这些材料颗粒间隙都比较大，坝体淹没高程位置以下部分在长期受库区水浸泡下，处于水饱和状态，粒子间隙内由自由水填充，土体越松散、颗粒间隙越大，自由水越多。

均质土坝坝体在填筑过程中，均采用分层碾压、夯实等施工工艺，土壤中土粒子之间的间隙很小(个别老旧土坝由于其在施工期间，受限于当时的技术水平、施工机械等客观因素，碾压、夯实后，土体密实度比起新建的土石坝来说有一定差距，故而土粒子间隙也比较大)，土体中的自由水含量相对较小，而束缚水的多少与土粒子间隙无关，只与土粒子的总表面积有关，所以，坝体均质土土壤中的自由水几乎可以忽略不计，土壤的含水量大小的决定性因素就是土粒子周围的束缚水。束缚水的多少取决于土粒子的总表面积，组成土壤的土粒子颗粒直径越小、数量越多，其总表面积越大，束缚水也就越多，即均质土坝坝体土体性质决定了束缚水的多寡。

所以，当气温长期处于负温条件下，土壤中的水在结冰时，体积会增大约9%，同时连带着土壤体积也会跟着增大。土粒子间隙内的自由水越多，土粒子总表面积越大，土壤体积膨胀率也越大。土壤在体积增大的同时，会对其上部的混凝土盖板产生向上的推力，如果该力足够大，将引起混凝土盖板在该力方向上的位移，或使盖板本身发生破裂，翘起，滑落[1]。

2.2 土体中水分迁移的作用

长期的负温条件下，在土体颗粒表面吸附水之间存在的电位差和毛细水表面张力的共同作用下，土体颗粒间的毛细水会在温度梯度的诱导下，顺着通道由高温部位向低温部位迁移。尤其在坝体浸润线以下部分的土体，毛细水有着充分的补水通道和补给源，冰层会越积越厚，冻胀现象会越来越严重。一般情况下，土体在发生冻胀时，其冻胀量为原体积的10%～50%。而由于毛细水的存在，土体中的水在发生迁移的情况下，冻胀量甚至会达到原体积的若干倍。

不同类型、性质的土体的冻胀量不同，土体颗粒粒径决定着土体内水分迁移的强度和冻胀量的大小。

a.巨粒土、含巨粒土(土体颗粒粒径d>0.1mm)，一般认为不会发生水分迁移和冻胀，可不计算冻胀。

b.低液限黏土的冻胀量计算可按式(1)计算或图5查得。当地下水位埋深超过2.0m时，采用封闭系统条件下的方法计算。

h=1.25Zd0.71e-0.013ZW

(1)

式中h——地表冻胀量,cm；

Zd——设计冻深,cm，当用于计算地基土冻胀量h1时，应采用地基土设计冻深Z1；

e——指数；

ZW——冻前(冻结初期)天然地表或设计地面高程算起的地下水位深度,cm，当用于计算地基土冻胀量h1时，采用自底板底面高程算起的地下水位深度。

图5 低液限黏土的冻胀量

c.粉土、高液限黏土、土体颗粒粒径d<0.075mm的粒组含量占总质量的20%～50%的细粒土质砂(砾)类土的冻胀量可按式(2)计算或由图6查得。当地下水位埋深超过2.0m时，采用封闭系统条件下的方法计算。

h=1.95Zd0.56e-0.013ZW

(2)

图6 粉土的冻胀量

d.粒径小于0.075mm的粒组含量占总质量的10%～20%的砂类图和砾类土的冻胀量可按式(3)计算或由图7查得。当地下水位埋深超过2.0m时，采用封闭系统条件下的方法计算。

h=0.13Zde-0.02ZW

(3)

图7 砂(砾)类土的冻胀量

e.封闭系统条件下的地表冻胀量可按式(4)计算：

h=0.45Zd(ω-0.8ωp)

(4)

式中h——地表冻胀量,cm；

Zd——设计冻深,cm；

ω——冻结层平均含水率,%；

ωp——素限含水率,%。[2]

所以，当土体颗粒粒径d>0.1mm 时，即使土体处于水饱和状态，在冻结过程中也不会发生土体颗粒间的水分迁移和冻胀现象。而当土体中土体颗粒存在d<0.075mm的细粒土时，就会发生水分迁移和冻胀，而其总质量超过土体质量的10%，其冻胀量就会随着土体中的含水量产生明显变化。根据研究资料，一般情况下认为d<0.05mm的粉黏粒含量大于12%的粗粒土被认为是产生水分迁移和冻胀的临界值。d=0.05～0.002mm时,土中水分迁移剧烈, 土具有强冻胀性。当d<0.002mm时土冻结时的水分迁移和冻胀现象反而减弱[3]。

由此可知，从土体颗粒粒径角度来看：土体颗粒粒径d>0.1mm的土体中，由于其含有的水分少，在冻结成冰的过程中，产生的冻结膨胀力较小，对大坝的混凝土盖板产生的破坏性有限；土体颗粒粒径 在0.05mm

3 冻胀破坏的防治措施

冻胀破坏作为水利工程中比较常见的现象之一，对水利设施尤其是北方高寒地区的水利设施、结构物具有极大的威胁，而均质土坝迎水面的混凝土盖板受此影响更为剧烈。通过对产生冻胀的原因、机理进行分析研究，并不断进行实践、试验、论证，根据当地实际气候特点，在使用相应抗冻等级抗冻混凝土的前提下，一般通过以下方法对冻胀现象进行预防、治理。

3.1 粗粒土取代细粒土

在d<0.075mm的细粒土中，束缚水多于自由水，且土体中水分迁移现象剧烈，具有极强的冻胀性。如果通过采取合理的排水措施来减少土体在冻结前后的水分补给，可以起到一定的作用，但是细粒土中由于毛细水的存在，同样会向冻结锋面进行源源不断的水分补给，形成补水通道，对坝体上部的混凝土盖板产生冻胀破坏。因此，在细粒土中，完全切断土体中的水分补给是不可能的。在粗粒土中，自由水含量较大，束缚水相对细粒土来说较少，即使土体处于水饱和状态，在冻结过程中也不会发生土体颗粒间的水分迁移和冻胀现象。如果在最大冻土深度范围内，用粗粒土换填细粒土，就会明显减轻冻胀破坏的后果。同时，粗粒土还具有一定的保温作用，对内部细粒土在负温条件下起到保护作用。

这种方法在坝址附近有大量粗粒土且冻土深度不是太大的地区，可以采取，但是需注意土料的质量。如坝址所在地区的最大冻土深度较大，需要换填的工程量很大，且坝址周边粗粒土储量有限，须从外部调土，运距较远的同时还需要大量的机械设备，这种方法不经济。同时，如果用粗粒土换填细粒土，在施工时粗粒土很难达到规范所要求的夯实要求，施工难度较大。

3.2 采取保温措施减少负温影响

坝体冻胀的原因除了土体中水的因素外，最为重要的因素就是负温的影响。尤其在北方高寒地区，由于其负温期长、温度低，产生冻胀的危害性巨大。对坝体采取合理的保温措施，减少负温对坝体的影响，使坝体的土体不发生冻胀，更能有效地保护上部混凝土盖板。

通常根据不同地区的气候特点，采用不同厚度砂或戈壁土垫层对坝体进行覆盖保温，使坝体受到保护后减小负温对土体的影响，进而减小冻胀。

近年来，苯板保温由于其良好的经济性、保温性及低施工难度，应用越来越普遍。试验资料表明，10cm厚的苯板就可达到100cm厚砂或戈壁土垫层的保温效果。在进行施工时，不需要特殊处理，只须直接将根据当地最大冻土深度计算选定的一定厚度的苯板置于坝体上固定后，在其上部进行混凝土盖板浇筑施工。相对于换填来说施工工艺极为简单，减少了大量的人工及施工机械设备。通过处理后，即使在温度低、冰冻期长的极寒地区，坝体由于受到保温苯板的保护，在负温条件下土体也不会产生冻胀现象，也就不会产生向上的膨胀力使上部盖板翘起、开裂。

4 结 语

综上所述，冻胀破坏作为一种在高寒地区比较普遍的现象，如果不进行预防、处理，会对上部建筑物结构的安全及稳定造成巨大威胁。尤其是均质土坝，由于其坝体的特点决定了其浸润线以下部分土体必然处于饱和状态，受冻胀影响最为剧烈。通过对其采取合理措施，如在设计时考虑冻胀因素、在施工时采用冻胀量小的填筑材料、对坝体采取正确的保温措施，将冻胀的影响减到最小，从而最大限度地保护坝体及上部混凝土结构。