浅谈水库冰压力对水工建筑物的危害及防护措施的构想

熊锐

宁夏水投红寺堡水务有限公司 宁夏吴忠 751100

1 冰压力的类型及危害

1.1 冰压力的类型

冰压力主要包括静冰压力和动冰压力两种。水结冰后变成固体本身体积约增加9%，同时具有固体热胀冷缩的特征，随着空气温度的降低，冰的体积也变小，温度升高冰则膨胀体积变大。静冰压力主要是由于冰盖因气温的变化而发生膨胀，膨胀力聚集在一起对建筑物构成的压力，这种冰压力的数值大小是由冰的厚度和气温变化的程度决定的，在西北地区白天和晚上的温度变化比较大，静冰压力的变化也较大。动冰压力是冰盖层由于水面下降塌陷或解冻后，冰层扩散或随水流漂移，挤压坝面或闸墩上时而产生的挤压力称为动冰压力[1]。

1.2 冰压力的危害

（1）当冰因为空气温度的变化而发生膨胀时，冰层就会形成水平方向的扩张力。由于西北地区蓄水水库在冬季水量无法得到补充，水库水位一直在下降，冰层会在失去水的浮力的情况下由于重力发生塌陷，此时冰盖的面积和体积却不会因水位的变化而变化，所以也会形成向四周扩散的力，来消除塌陷时冰层形成的应力。这两种扩张力最终形成向四周扩散的合力，使大面积冰层以缓慢的速度移动，而水库中的建筑物是固定的，势必会阻碍冰层的移动，当冰层移动因各固定水工建筑物的阻碍而停滞在其前面，形成巨大的推力。水位的不断下降和气温的不断变化，推力也不断的聚集在水工建筑物与冰层的接触面上，就会形成冰推现象，使墩台受到挤压。据研究冰层受建筑物挤压破碎前一瞬间将产生最大的冰压力，当冰推力大于闸墩或桥墩的抗压强度时就会使其发生倾斜或断裂，尤其是方形桥墩或排架柱因受力面积较大，此类情况较为严重。对安全运行造成极大危害，严重时影响正常供水。如鲁家窑水库，在2018 年12 月中旬全部冰封，气温变化区间在-15℃至2℃。水面结冰时水位正好与工作桥排架中间连接梁上端平齐，水面结冰后排架受到挤压的受力面积增加了近5 倍，在12 月底因气温变化和水位下降及冰推受力面积的增加，使一号排架发生倾斜，倾斜角度达12 度，工作桥网架脱离底座，严重影响安全运行。

（2）由于冰推力的作用冻结在坝体上的冰盖会因受到坝体的阻拦，对坝体形成推力。如果水库水位下降较慢，坝体护坡板较大而表面又比较粗糙，冰面一时无法克服与坝体的冻结力就不会形成冰爬现象，冰推力一直聚集在坝体上，如坝体存在缺陷就会变形或造成不规则横向裂缝，尤其是水位离坝顶较近时。当水位下降时冰盖下降塌陷，当冰推力大于冰层与坝体护板冻结力时，冰层会沿坝体爬升，又会对坝体形成拉拔力。这种拉拔力大于冰面以上护坡板与坝体的冻结力的时候就会对坝体护坡板整体造成上推脱离坝体，而坝体护坡板在水面以下较少时，拉拔力因上部护坡板阻挡就会使坝体冰面处护坡板剥离隆起，特别是护坡板较小或表面比较粗糙的这种现象较为严重。鲁家窑水库2018 年冬季，坝体迎水面冰层爬升达2m。

2 现用防冰措施及设想

2.1 现常用主要防冰措施

经查阅相关资料及实际运行经验，现在防冰的主要方法有压力充气法、压力充水法和破冰。压力充气法和压力充水法都是通过挠动建筑物周边水面，使周边水流上下层不断交替以形成不结冰带，需要在建筑周围水下安装相应的充气或充水设备，投资和管理难度较大。破冰主要是由人工或机械对建筑物周围冰层进行破除，以保证建筑物不受到冰压力的破坏，这种方法要定期定时进行，尤其是温度变化剧烈或冰层活动频繁时。根据鲁家窑水库破冰经验，每天需进行两次破冰作业，而取水塔位于离岸60m 左右水深处，因是取水口，水流动的原因四周冰层变化最为剧烈。机械无法进入进行破冰作业，人工作业又因冰层的薄厚不一作业人员安全无法得到保障，存在着巨大的安全隐患，作业难度很大[2]。

2.2 关于水库建筑物防冰的设想

冰压力的主要危害是冰推力对建筑物的挤压，使其发生倾斜甚至断裂，现有的防冰措施存在着投资和管理难度大，人员安全得不到保证等缺点。基于以上现有措施存在的各种缺点，根据鲁家窑水库运行管理的相关经验，提出以下几点构想。

（1）在水库设计时，应充分考虑防冰措施，尽可能的做好建筑物的整体性，单个桥墩或排架柱可设计为圆形或椭圆形，使冰推力无法集中在某个面或点上，以有利于冰推力的消散。

（2）运行中的水库，冬季蓄水时应根据用水量合理计划蓄水量，尽量不要使水库满负荷运行，造成冰面与坝顶距离太近，冰压力对坝体危害较大。水位要高于或低于桥墩或排架的连接梁，以避免桥墩或排架受冰推力作用的面积增加。

（3）对于现已运行水库中的方形桥墩和排架，可在桥墩或排架上冰推力的反方向，根据水位变化区间用钢板制作安装一个45度的破冰锥，当冰层由于冰推力的作用开始挤压建筑物时，破冰锥可以破开冰层，消除冰推力的作用，使其沿钢板向桥墩或排架两侧扩散，消除冰推力对建筑物的破坏。既可以达到防冰的目的，又节省了投资和保证了人员安全[3]。

3 结语

影响冰推、冰拔产生的因素很多，在设计计算时很难考虑全面，因此，采用一定的运行管理措施很有必要。水库运行时水位不可大起大落，要保持其平稳的上升和下降；因地制宜，合理保护坝内植被，随时观测冰期、冰推、冰拔发生的规律，根据各地的具体情况，不断地探索有效的方法，将冰害降低到最小的程度。