水工建筑物抗冰冻设计规范【SL211-98】条文说明

',2中华人民共和国行业标准水工建筑物抗冰冻设计规范条文说明 目次总则基本资料冰冻荷载材料堤坝取水与电站建筑物渠道衬砌与暗管闸涵建筑物挡土墙桥梁和渡槽水工金属结构附录中国主要河流冰情特征附录土的冻结深度的确定附录土的冻胀量的确定附录冰压力计算 总则我国北方地区的水工建筑物在冬季运行过程中均存在冰或地基土冻胀作用的问题使不少工程结构遭受不同程度的破坏而目前又无专门的水工建筑物抗冰冻设计规范因此制定本规范是水利水电勘测设计标准体系中的一项重要内容其目的在于更合理地设计北方寒冷地区的水工建筑物保证其安全运行和应有的工程寿命本规范的内容包括各类水工建筑物的抗冰冻设计问题主要包括如下闸门拦污栅结冰影响工程运行冰层膨胀对水工结构物的推力和破坏作用取水口和渠系结冰和冰堵造成的流量减小和漫溢流冰对建筑物撞击和排冰输冰问题混凝土和圬工结构的冻融和冻胀破坏冻融滑坡对渠道和建筑物运行的影响地基土冻胀对涵闸挡土墙渠道暗管渡槽和厂房泵房的破坏和对桩墩的上拔作用抗冰冻即是指防止这些冰冻作用对水工建筑物的破坏或对正常运行的不利影响由于本规范是初次制定无同类规范作依据而且适用范围较广冰冻问题的自然因素较复杂因此在本条中根据规范的特点规定了进行水工建筑物抗冰冻设计应遵循的基本原则和方法包括在执行本规范的同时还可结合具体工程条件进行科学试验并在此基础上采用先进技术从而也可为补充和完善本规范提供依据本规范只包括水工建筑物设计中有关抗冰冻的要求其他常规设计要求仍应遵守相应各类水工建筑物现行的国家和行业技 术标准由于这些现行技术标准对抗冰冻设计的规定一般未作过专门研究或不够周密全面因此抗冰冻设计部分应按本规范执行 基本资料本条规定的气候分区仍沿用原水工钢筋混凝土结构设计规范的规定分为严寒寒冷和温和三个区分区标准亦未更改负气温指数是指一个冻结期内日平均负气温值的累计值其中不包括在冻结期内特别是冻结初期和后期由于气温回升而可能出现日平均气温为正值的日子地基土发生冻胀的基本条件是负温土质和水分三者缺一不可就土质而言主要是指它的细颗粒成分只有当它的含量适宜时才会有冻胀产生否则就不会有冻胀因此需要给出冻胀性土和非冻胀性土的定量判别指标这对判别地基土的冻胀性和采用非冻胀性土置换冻胀性地基土的抗冻胀措施都具有重要意义这也是国外的土的冻结敏感性研究和国内的土的冻胀分类研究的基本目的之一现有各种研究成果逾百种其中在易于形成冻胀机制的颗粒尺寸范围方面国内认定为国外多认为在之间但在颗粒含量数值的限定上差别较大例如国外有的资料年认为小于颗粒含量占以下时无冻胀危险有的资料端士年认为小于含量大于便常常发生冻害我国公路桥涵地基与基础设计规范中规定粒径大于的颗粒超过全重的冻结期地下水与冻深的垂直距离大于时属不冻胀哈尔滨建筑工学院资料提出对于细砂当粘粒含量小于粘粒加粉粒含量不大于时属不冻胀土我国建筑地基基础设计规范中规定小于的粒径小于时为不冻胀性土根据上述情况并考虑到水工建筑物地基常在水浸条件下工作有产生冻胀的充分条件提出本条对冻胀性土与非冻胀性土 的判别标准标准冻深是计算建筑物各计算点冻深的依据由于工程地点不可能有长期观测资料因此目前确定标准冻深的方法一是建立在冻深与负气温指数之间的统计关系上的半经验公式二是利用气象台站多年的实测冻深值绘制的冻深等值线图三是直接采用附近气象台站的实测统计值由此可见不论何种方法都要依据气象台站的实际观测资料而后一种方法只要工程地点附近有气象台站则最为实际和可靠因此本规范规定工程地点土的标准冻深宜直接采用邻近气象台站历年最大冻深观测值的平均值当水工建筑工程地点远离气象台站时可以查图图是根据我国北方个主要气象台站年系列的年最大冻深观测值算得的多年最大冻深平均值绘制的在现行的有关技术标准中例如在我国公路桥涵地基与基础设计规范和工业与民用建筑地基基础设计规范中是以土质颗粒成分含水量和地下水条件及冻胀率为土的冻胀性强弱的分类判定指标前者把地基土的冻胀性分为冻胀不冻胀二类后者分为不冻胀弱冻胀冻胀强冻胀四类相应的冻胀率即冻胀量与冻深之比为不大于和大于本规范采用以冻胀量绝对值的大小作为划分地基土冻胀性分级的指标这种分级方法可将冻胀量值与建筑物地基允许变形值直接比较对地基土冻胀可能给工程的危害程度进行直观定量的评价同时也可对各种抗冻胀措施的适用范围条件给出定性的区分鉴于水利工程地基土因水分充足而具备冻胀的充分条件故本条将地基土的冻胀性划分为五级使其能满足水利工程地基土的分类要求和反映冻胀量绝对值大和变幅大的专业特点不过在冻胀量挡次的划分上是否完全合适有待今后规范执行过程中和工程实践中验证 冰冻荷载在现有的有关设计规范中缺乏对冰冻荷载的规定或规定不够明确有的规范只对其个别荷载作为特殊荷载考虑建筑物因冰冻荷载作用而破坏的现象相当多例如据年对黑龙江省查哈阳灌区的调查有座渠系建筑物因冻害作用而破坏占调查总数的年对吉林省梨树灌区处工程的调查有处是因为冻害遭受破坏的占调查总数的再如新疆北疆地区有半数混凝土衬砌干支渠因冻胀受到不同程度的破坏此外在北方地区水库的进水塔架土石坝护坡闸门和桩墩结构被冰推破坏的事例亦不少因此为设计合理和保护结构物安全本规范规定冰冻荷载应作为基本设计荷载对于寒冷地区的建筑物这种荷载在它们运行期间每年冰冻期内都必然要出现的但是由于各地和工程地点的具体条件不同使得这种荷载在时间和空间上都是变化的所以它又属于可变荷载冰压力的划分方法不尽相同例如有的将冰块场运动时产生的压力分为流冰动压力和流冰静压力本规范中的动冰压力是指流冰时产生的压力静冰压力是指水库冰层温升膨胀时产生的压力土的冻胀力是地基土冻胀时受到建筑物的约束而产生的作用力根据对建筑物的作用方向不同冻胀力分为切向冻胀力水平冻胀力竖向冻胀力在国内常称为法向冻胀力三种本条中分别给出了这三种单位作用力的标准值切向冻胀力是桩墩基础周围土体冻胀时由于受到基础的约束而作用于基础侧面向上的作用力冻胀和约束是产生冻胀力的必要与充分条件基础与基土间的冻结力是切向冻胀力形成与传递的媒介其破坏时的抗剪强度等于瞬时最大切向冻胀力值墙的切向冻胀力由于约束作用小其值应较桩墩的切 向冻胀力低但目前实测值少还难于定量国内外对季节冻土区基础侧表面的单位切向冻胀力研究成果不少国内进行现场研究工作的主要有黑龙江省的低温建筑研究所水利科学研究所和交通研究所水利部松辽委科研所等单位公路和工业与民用建筑行业已给出了本行业的切向冻胀力值由于其分级标准存在差异加之水文地质条件的差别试验条件亦有所不同因而测值和取值标准亦有差别根据上述各单位分别在黑龙江省大庆市龙凤试验场哈尔滨万家试验场巴彦和庆安试验场吉林省双辽和公主岭试验场等个不同水土和冻胀条件试验场的多年原型实验结果并参照现行有关技术标准经整理分析提出表的单位切向冻胀力标准值经多年实际工程验证较为合适水平冻胀力是指挡土墙后或基础侧面的土冻胀时水平作用在墙或基础侧面的作用力在冻结周期内的不同时间和沿墙高的不同部位的单位水平冻胀分布不同因此本条中规定取沿墙高的最大单位水平冻胀力为标准值国内曾进行水平冻胀力现场实验的单位主要有水利部东北勘测设计研究院科学研究院的长春地区西新和向阳模型挡土墙铁道部西北科研所的风火山试验挡土墙黑龙江省水利勘测设计院巴彦东风水库挡土墙吉林省水利科学研究所和东北院科研院的东阿拉和大安屯锚定板挡土墙工程黑龙江省水利科学研究所的万家冻土实验站和海林新安挡土墙试验观测时间最长的达年本条中的表给出的最大单位水平冻胀力标准值是在上述试验研究中所获组实测资料的基础上以合力相等和力矩平衡并保持最大单位水平冻胀力作用点不变为原则对分组资料进行线性简化后得出的竖向冻胀力是指地基土冻胀时受基础约束而作用于基础底面垂直向上的作用力凡基础埋置深度小于基础设计冻深且地基土属冻胀性土时都存在竖向冻胀力的作用为验算量大面广的小型涵特别是在深季节冻土区一些非承重或护面式结构如铺盖护坦板渠道和坝坡护砌板等在 竖向冻胀力作用下的稳定性并为基础合理浅埋提供设计依据都要有按地基土冻胀性确定的竖向冻胀力标准值其难点在于国内外的研究成果中提供的数据相差太悬殊最小者不足最大者达使设计人员无所适从已有的室内试验尤其是野外原型实验包括目前国内最大的野外大型实验说明竖向冻胀力的大小取决于基础的约束程度和地基土的冻胀性和压缩性若把基础视为刚体则单位竖向冻胀力大于地基土的前期固结压力时地基土未冻结土层产生排水固结单位竖向冻胀力值衰减且单位竖向冻胀力极大值不应超过地基的极限承载力当单位竖向冻胀力小于地基土的固结压力时单位竖向冻胀力值的大小取决于基础所受的约束力一旦基础产生上抬变形其值随之衰减此外单位竖向冻胀力随基础板面积的增大呈指数规律衰减并趋于常值在载板面积小于万范围内单位竖向冻胀力值变化剧烈表给出的单位竖向冻胀力标准值是在不考虑基础位移时对应于一定的基土冻胀类别和载板面积可能产生的单位竖向冻胀力极大值是根据黑龙江省水利科学研究所的试验资料和国内外有关成果综合分析给出的斜坡上的桩受冻胀力作用的条件与水平地表的桩不同由于冻胀力方向与冻结面相垂直因此对于斜坡上的桩在冻结过程中将有与之斜交的冻胀力作用同时还存在与周围土之间的冻结力从而也使得桩周的受力条件不同由于目前这方面的研究很少难于定量所以在遇到这种情况时宜根据具体情况研究确定冻胀力对挡土墙的作用及其过程较复杂考虑到墙体产生水平冻胀力作用时对后部未冻土体将产生反力这种反力起平衡土压力的作用所以水平冻胀力只有大于土压力时才起控制作用否则在挡土墙设计中仍是土压力起控制作用因此设计时两种力不叠加并取其中不利组合 材料混凝土我国以往有关规范沿用前苏联年代标准抗冻标号较低并采用试验工作量大的慢冻法美国在年代规定不论气候如何一律要用快冻次作为外部混凝土耐久性标准本规范亦不再沿袭过去的慢冻标号而规定用快冻试验测定的抗冻等级室内试验和实际工程经验表明饱和的混凝土才有冻融破坏干燥的混凝土并无破坏水工结构物长期暴露在大气中即使远离水面部位也易受雨淋和霜雪作用使之常常处于饱和状态其冻融破坏程度往往不亚于水位变化区只有长期受日晒的阳面混凝土才比较干燥而不易遭受冻融破坏因此表中除按气候分区和年冻融循环次数外还提出按日晒与否的小气候条件提出抗冻等级要求大量调查表明我国南方温和地区的水工建筑物也有严重的混凝土耐久性问题其破坏因素以钢筋碳化锈蚀居多冻融破坏也占有相当大的比例因此表中对温和地区也提出的要求水下土中大体积内部的混凝土虽然运行期不受冻但施工期仍可能有冻融破坏故规定严寒地区仍应达到的要求表中构件的划分比较详细目的是便于使用表中的抗冻等级比现行有关规范有些提高但比美国规定外部混凝土一律为快冻次的要求仍较低表中未列的适用范围这一级是为要求的部位有较多不利因素时选用的关于冻融循环次数的定义在国际上仍然是一个意见分歧悬而未决的问题一般认为混凝土中的自由水冰点接近和略低于 吸附薄膜水冰点更低实际上不会冻结美国饱威尔斯则认为混凝土中的水分含溶解盐升温时的最终融点约降温时常在开始结冰在时可认为全部或绝大部分可冻水已冻结我国中国水利水电科学研究院和南京水利科学研究院分别作过现场和室内试验从试验结果看大体上融点略高于冰点则略低于由于工程设计时只能取得气温资料而混凝土温度也主要受气温影响因此只能用气温为统计指标根据制订本规范过程中专门征求有关单位对混凝土抗冻技术要求的意见并考虑到以往几十年设计中沿用的标准本规范对不与水接触区仍采用和的气温标准可以认为这两个气温大体上接近或分别略高于和略低于混凝土表面的温度因而在目前情况下是适宜的但是对水位变化区的温度标准根据征求到的意见和考虑到现行规范中所用的月平均气温低于期间的规定不能恰当反映实际冻融状况可能造成冻融循环次数偏多或偏少因此将月平均改为日平均表的注的规定是考虑最冷月平均气温低于的地区现有水利工程少经验不多而定的这些地区主要是大兴安岭最北部和青藏高山地区等年发现丰满大坝溢流面阴面发生了深层破坏因此作出了本条的规定以策安全小型工程不易通过试验确定抗冻混凝土配比因此本条对小型工程规定较易达到的水灰比和含气量要求实践表明使用有引气作用的外加剂采用低水灰比用含气量作为现场质量控制标准就可以得到较高的抗冻性水灰比的规定系根据国内经验和美国标准确定的例如美国垦务局规定严寒气候区外露面最大水灰比为美国混凝土学会规定为我国东北地区大型水电站一般为个别低于都比我国现行设计施工规范严得多含气量参照美国的年修订版将含气量规定由现行施工规范 的一种改为两种含气量误差由放宽到以利于实际中执行本条对原材料未作规定其原因一是我国原材料品种多性能不一不便硬性规定二是某一原材料抗冻性能的缺陷往往可借助其他材料弥补例如骨料抗冻性低时可依靠引气剂降低水灰比得以弥补再如使用火山灰质硅酸盐水泥或掺粉煤灰会严重降低抗冻性但掺量较低和使用引气剂则无明显影响因此仅规定大中型工程材料与配比均应经试验确定但是国内在选用抗冻混凝土原材料中大致有如下一些经验可供参考水泥抗冻性能依次为纯熟料硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥矿渣硅酸盐水泥火山灰质硅酸盐水泥没有优良引气剂时不使用火山灰质硅酸盐水泥拌制抗冻混凝土有优良引气剂时及其以下的混凝土的粉煤灰和水泥中原有火山灰质掺合料的总掺合量不超过胶凝料总重的国产引气剂中以松香热聚合物及其衍生产品为最优木质磺酸钙产品不能认为是有引气作用的外加剂在及其以下的抗冻混凝土中可以使用而及其以上的抗冻混凝土则不能满足要求必须与有引气作用的外加剂配合使用本条是对现行水工混凝土施工技术规范的补充原材料品质不稳定往往造成实际施工与配比试验结果不符故材料试验宜注意品质的变差系数本条也是对水工混凝土施工技术规范的补充前苏联和美国的经验表明混凝土早期受冻对其抗冻性的影响比对抗压强度的影响大特别是钢筋握裹力基本完全丧失因此提出本条规定实践和室内试验表明钢筋混凝土比素混凝土较易受冻融破坏其原因是保护层易开裂剥落据此本条对溢流面尾水闸墩等另作加厚保护层和钢筋净间距的规定配筋设计中缺少支承架立筋容易造成保护层厚度不足钢筋间距过密或保护层过薄易使保护层不密实这些都会严重影响钢 筋混凝土的抗冻性故设计中应保证保护层的厚度和密实性混凝土冻胀破坏是近几年才特别强调的严重冰冻破坏形式一般的冻融破坏大多限于混凝土表层至多只导致钢筋外露和溶蚀从而又加速冻胀破坏形成恶性循环丰满大坝是破坏的典型虽然年前施工质量已很低劣但年冬蓄水前的照片显示外观尚完好年蓄水后秋末的照片也只几处渗水但是其后各年坝体渗漏急剧增加不少处呈射流状冬季下游全部冻成冰山解放初即发现水平施工缝普遍张开缝宽可达深度可达数米年初设置的坝顶水平变位观测标点当年汛期最大变位达至年月各坝段变位普遍达以上但当时只单纯把此种现象的原因归于施工质量低劣没有认识到蓄水后的冻胀的加速破坏作用年代后发现坝顶沉陷标点逐年抬升至年后才认为是坝顶局部冻胀但由于不影响坝体安全仍未引起重视年已测到溢流面有鼓包现象但仍以为是当年施工当时模板变形直到年泄洪时和坝段溢流面大量被冲毁并发现虽然其外层年浇筑的溢流护坡面质量良好但其下的旧混凝土内有几层平行溢流面的宽达数厘米的张开裂缝与冬季冻土中产生冰夹层的基土冻胀十分相似才引起震惊并把这种现象定名为混凝土冻胀丰满坝顶冻胀抬升现象左岸比右岸轻其原因是右岸坝顶廊道下游侧无钢筋而左岸廊道有竖向钢筋此外右岸上游面配有钢筋网钢筋网内的混凝土比无筋混凝土冻害轻得多因此可以认为钢筋具有限制混凝土裂缝发展也就限制冻胀发展从而防止结构破坏的作用据此本条规定为防止冻胀开裂宜设置钢筋配筋的下限是根据丰满坝顶左岸廊道下游侧配筋量确定的本条是总结国内工程经验并参照美国混凝土学会和垦务局的有关文件对抗冻结构作出的一般要求混凝 土水工建筑物设计首先应从构件选型上避免受冻害然后再提出相应的抗冻等级我国水利水电工程常因施工质量欠佳而不得不在表面加装修层调查表明表面抹灰极易冻胀开裂剥落并不美观国外无论发达或发展中国家一般土木工程表面都不加装修层国内交通城建等建筑物也大多不加装修层因此本条规定设计中应充分利用混凝土建筑物体形尺度与混凝土质感提高模板和浇筑质量来满足外观要求接缝止水分缝是防止不均匀冻胀开裂的一个重要基本措施但沉陷缝又常常是渗漏土壤流失甚至结构破坏的一个因素因此如果可以省去沉陷缝时宜尽量做成整体结构冻胀性土基上建筑物的接缝三向变形都大与岩基上建筑物的接缝有很大区别缝宽较大时易适应这种变形渗水结冰会妨碍接缝自由变形缝端混凝土容易冻胀或挤压破坏严重渗漏可导致缝后土壤流失甚至结构倒坍因此缝的结构应能防止渗水本条根据我国经验并参照美国混凝土学会规范制订以使接缝设计更加完善接缝止水应便于检修例如在外露面用型钢螺栓压紧橡胶止水板的办法作用可靠也便于维修抗冻胀用的止水片最好采用橡胶或合成橡胶类材料只在变形不大时才使用铜止水片退火薄紫铜片比一般不退火的压延铜片能适应较大变形表和表是对塑料止水片适应低温的性能要求形止水片便于骑缝安装在模板上浇筑混凝土时不致走样而且适应三向变形的能力比中间圆管形止水片大得多故作本条规定止水片安装和保护常常是止水能否成功的关键故在立模时和拆模后有专门保护措施清洗仓面时要注意检查止水与水平 垂直施工缝交接处是否夹有尘土浇筑时应防止止水变位和保证止水片两侧的混凝土振捣密实国外招标设计和施工图常有专门规定和详图故作本条规定我国一般不重视填充料与止水嵌缝料的区别常常是沿用沥青质材料填满其后果是构件受热膨胀时沥青材料被挤出冷却后无法再充满张开的缝隙造成拉裂漏水或下层土料流失因此规定嵌缝材料不应充满缝的全高为此可使缝宽比预计缝宽变形大一倍以上使填缝材料本身变形不大于缝内迎土侧可充填填充料木材或矿渣棉等以免两侧混凝土挤压破裂缝的中部填以薄层嵌缝止水材料其厚度小于缝宽一半这样才能适应缝宽变化如示意图图缝的构造示意图不正确构造正确的构造保温材料聚苯乙烯板已广泛用于防止地基冻胀和其他结构物的保温表是根据聚苯乙烯泡沫塑料板和水工建筑物要求提出的 堤坝一般规定蓄冰库容大小的规定是根据西北地区的多年经验提出的抗冰设计超高是考虑可能出现的冰块堆叠而定的当开江时泄水口附近的坝段仍有可能产生冰块堆积故规定超高应不小于库内最大冰厚的倍武开江一般是由于上游涨水冰层被鼓开而发生的猛烈流冰由于武开江形势比较复杂故应考虑多种因素确定超高根据东北一般武开江后江边残冰堆积情况来看通常可达三层故提出混凝土坝和浆砌石坝的超高应不小于泄冰库水位以上最大冰厚的倍至于土坝考虑到冰块沿斜坡的上滑故加大到最大冰厚的倍这里的最大冰厚是指水库河道的最大冰厚流冰的初期的实际冰厚一般是它的倍左右所以倍最大冰厚约相当于实际的两层堆冰在武开江的情况下特别是伴随有大风浪作用时不论泄冰与否都将发生较严重的冰堆积和壅高水位有的土坝和蓄水闸因此而发生冰块越过坝和闸门因此规定武开江较频繁时宜加大超高在通常情况下上述的抗冰设计超高不致于超过校核洪水的要求易于满足只是在库容较小流冰初期水位较高和伴随较大风浪的武开江时特别是坝坡较缓的土坝才可能不易满足因此遇有这种情况时要认真分析冰情形势采取加大超高或加大泄冰能力等措施防浪墙一般不能抗御流动撞击故规定超高只能算至坝顶当出现冰坝冰塞和冰洪时造成的洪峰流量流冰量和水位壅高远比一般武开江严重得多一般泄冰措施难于应付故应作专门调查和试验研究然后进行适当的抗冰设计东北许多大坝坝顶水平或垂直位移测点和观测基点都有 变位分析时常被视为坝体的时效变位造成误差有时甚至廊道内引张线和垂线也结霜或结露因此设计中应考虑这些问题混凝土坝与浆砌石坝低坝在冰推力作用下如按摩擦公式校核抗滑稳定往往会造成底宽大于坝高的现象混凝土重力坝设计规范虽已明确修订用剪摩公式计算粘着力但地方中小工程仍采用摩擦公式故本条重申这一规定东北不少大坝普遍存在路面冻胀破坏现象最突出的为丰满大坝路面虽然采用了抗冻混凝土真空作业强度也较高但路面仍发生开裂鼓起剥蚀每年月上抬约月回落约多年累计上抬其主要原因是坝顶以下内全部为负温内有冻胀裂缝条尽管库水位通常很少达到此高度但由于坝顶两侧栏杆为实体防浪墙形式既挡风吹又挡日晒积雪融化后又不易自由排水使坝顶混凝土处于饱和状态因此坝顶破损严重相反在大坝下游的江桥由于采用不挡阳光和风雪的稀疏栏杆排水也比较通畅桥面混凝土较干燥运用四五十年至今除表层砂浆磨蚀露石外其余情况良好据此规定宜采用稀疏栏杆国外坝顶路面很多在混凝土上加铺一层黑色路面以吸收辐射热使下层混凝土温度升高不易积雪融化的雪水也不易下渗这是一个简易可行的减轻坝顶冻害措施国内大多将坝顶路面与下层大体积混凝土分开浇筑这样易产生冻胀和开裂所以以整体浇筑和黑色面层找平为好坝内廊道竖井中的空气一般均处于饱和状态由于冬季竖井内气温高于室外气温烟囱作用将湿空气运送到坝顶廊道这是使坝顶部位混凝土饱和的一个主要原因设置密闭保温弹簧门可隔断水汽通道减小坝内温度应力和坝顶破坏闸门井等各种内部充水的井管常是渗水冻胀和冻融 破坏部位故规定做好内部防渗防冻措施井口封闭以防止烟囱作用混凝土虽然有一定抗渗性但其抗蒸汽透过性却很差廊道竖井内湿气容易侵入较单薄的墙壁引起破坏用一般油漆即可防止这种现象发生周边缝冻结会严重改变坝体应力分布甚至可能影响坝体自由收缩产生裂缝国内一些连拱坝和平板坝大头坝均有不同程度的裂缝局部补修又很难彻底解决问题桓仁大头坝虽然施工期裂缝众多但设置封腔盖板后腔内温度变幅仅为气温变幅的消除了日变化与温度骤降几十年来运行良好挪威瑞典等国的小型平板坝都有下游封闭隔墙据报导其运行情况好于小型重力坝碾压式混凝土坝的预埋式或拔管式排水管容易堵塞又无法钻通且影响碾压施工采用钻孔式排水管可确保通畅又便于日后疏通还兼有取芯压水等补充质量控制作用浆砌石实际上不能起到防渗和抗冻的应有作用很多浆砌石坝往往在上游砌体内做一层砂浆或小石混凝土防渗层但因不易保证质量实际上也不能防渗只有在上游坝面另浇一层钢筋混凝土护面才能确保防渗从而减轻坝体的冻害土石坝与堤防土石坝的粘性土心墙斜墙和铺盖是防渗主体受冻后易产生裂缝漏水这是不允许的因此无论是运行中或施工过程中均不得受冻铺设防冻层有两个作用一是防止坝坡受冻裂缝二是消除或减小粘性土坝护坡的冻胀量实际工程调查说明坝坡土的冻胀造成护坡局部隆起加之冰压力的作用使护坡层在冬季冻结期内产生位移裂缝破坏原有的整体性在解冻期特别是解冻之初伴随大风的情况下护坡很易被破坏因此设置防冻层减免坝坡土的冻胀是保持护坡完整和抗风浪破坏能力的必要 措施调查还发现护坡在土的冻胀和冰推力作用下的臌胀主要发生在冰面至冰面以上左右范围内相应坡长约因此在设计中应特别注意这个范围内的防护并采用非冻胀性土作防冻层防冻层的厚度包括护坡和垫层在内在一般情况下宜等于或大于设计冻深以免除或基本免除坝坡粘性土的冻胀但是在预计土的冻胀和冰压力较小的情况下以及对于小型工程要求防冻层太厚可能在经济上不够合理因此本条中提出可根据工程具体条件适当减小防冻层厚度由于沿坝坡不同高程处的冻深不同因此根据上述护坡冻胀变形的主要范围提出取冰面以上高程处为设计冻深的计算点标准冻深大于和冰厚大于的地区主要为辽宁东部和北部吉林黑龙江内蒙古东部和新疆北部的季节冻土区这些地区的土坝护坡冻胀和冰推问题较多由于造成冻胀和冰推的自然因素多变加之目前虽然提出了一些抗冰推计算方法但往往不符合实际冰推情况难于用作护坡计算因此本条中根据已有试验和总结国内外较成功的工程经验提出几种抗冰推护坡结构措施这些措施稍高于现行设计习惯但从保证安全考虑可以认为基本上是适宜的本条中对护坡厚度和材料尺寸规定的范围是考虑冰厚和冰压力大小不同而提出的土心墙斜墙与防浪墙齿墙翼墙的连接面是渗漏的薄弱面由于混凝土导热条数大于土料冬季冻深比土的冻深大得多因此连接面可能受冻且往往在交界面上有冻裂缝产生从而可能导致渗漏破坏设计中应注意防止这种现象土石坝应注意排水设施的防冻冬季冻结排水不畅这对坝坡不利下游坡用植物护坡可减少入渗水可起保温作用防止坝坡裂缝而且在经济上特别是对中小型工程是有利的水闸在封冰期和封冰后一段时间内冰层沿斜坡上爬是常有的现象只是因护坡结构和水库条件及温度状况不同爬坡量的大小不同当库水位高和冰面至防浪墙之间的坡长小于冰层的 爬坡长度时上爬冰层的推力可能破坏防浪墙这种现象也出现过设置陡直段或导滑齿是使顺坡上爬的冰层在未到达防浪墙时折断防浪墙的工作状况类似于挡土墙若坝顶上的冻胀较大则可能对墙体产生水平推力本条的前三项是根据东北关门山面板堆石坝的经验和在建面板堆石坝的设计要求制订的面板与垂直墙的连接缝常位于正常蓄水位附近其设计构造应考虑冰推力溢流坝与溢洪道开江时冰块最大尺寸几乎可达全河宽没有闸墩的自由溢流堰易于适应过冰必须设闸桥墩时跨度要尽可能大本条是根据过冰试验和经验提出的水深不足时加剧冰块对堰顶撞击并产生挤卡壅塞现象因此桥下应有足够净空面流能将浮冰送往下游且不致破坏下游设施如果上游泄冰而下游尚未全部开江特别是由南向北的河流则会产生冰坝从而使下游水位大大增高影响枢纽工程正常运行甚至造成两岸的淹没损失例如云峰水电站施工期由于下游冰块壅积使下游围堰漫水淹了基坑一些小型工程的溢洪泄水建筑物常不配筋甚至采用浆砌石结构运行不久即遭破坏故作本条规定严寒地区水位变化区的岩壁也常会产生冻融和冻胀剥蚀和崩坍面对大风向侧尤为严重这种现象在国内一些工程中曾出现过因此上下游导墙护岸设计防护范围内应考虑防止岩壁破坏对工程运行的影响本条系归纳国内外经验提出的美国混凝土学会有人甚至建议频繁受海冰撞击的建筑物采用混凝土土基上的溢流堰不允许受竖向冻胀力作用以免发生向上 位移故规定埋深要大于基础设计冻深对于岩基上的溢流堰在一般情况下不致发生冻胀破坏问题故埋深可在冻深范围内但为了预防堰底或岩缝内可能存在的水分冻结时发生冻胀故要做好排水和锚筋不少水库冬季常因缺水而处于死水位甚至更低使护坡长期暴露易受冻胀破坏设计中应足够估计这种情况泄槽底板厚度迄今为止尚未有成熟的计算方法目前主要用工程类比法确定据调查和有关资料岩基泄槽底板厚度大多数为本规范规定不宜小于主要是依据已有工程经验和冻融破坏与修补因素提出来的从抗冻融出发底板钢筋保护层不宜小于冻融破坏修补厚度最好大于钢筋保护层以上这样若板的总厚度小于则剩余厚度将过薄此外底板越薄分块尺寸宜越小缝就越多而永久缝也是冻融破坏的薄弱环节泄槽底板的分块尺寸是由气候特点底板厚度地基约束条件和混凝土浇筑时的温度控制条件确定的我国溢洪道设计规范规定泄槽底板的分块尺寸为美国和澳大利亚为东北一些工程为东北地区的调查发现不少泄槽底板中心处产生裂缝根据上述情况本规范规定不大于岩基上泄槽底板下挖排水沟不易成形由于埋深浅常常首先是出口被冻结然后是下游侧低处排水沟管积水冻胀使泄槽底板开裂东北一些水库的溢洪道均有此现象排水平洞冬季不会因被冻结而不能排水洞内设排水孔可将岸坡溢洪道山体地下水疏干施工并不困难底板上钻设倾向下游的排水孔虽然也有些孔口易被冻结但因孔数较多有些不被冻结的排水孔仍然可起排水作用阳坡阳光辐射升温而不致冻结的条件但仍须注意是否受山体或边墙遮荫而成为阴坡土基上的泄槽底板厚度多数为本规范取不宜小于由于土基对板的约束作用比岩基小故采用较大的分块尺寸以增加底板的整体和稳定性 土基上通常只能在底板下设常规的排水沟管也比较有效但其尺寸要比岩基中的稍大泄洪洞与坝体泄水孔中孔底孔冬季未充满水时孔内空气与外界空气对流造成混凝土结霜冻胀若闸门井未加盖则孔洞与闸门井形成烟囱作用冷空气流通使孔井受冻更严重甚至开裂这种现象在有的工程中曾发生过因此要在下游做封闭设施或使孔洞出口淹没水下过去不少水库采用框架式进水塔多数受冰推破坏后来一般都采用封闭井筒式虽未进行冰推计算大中型工程均无问题当闸后无压段长度小于时将出现中所述的情况为防止混凝土产生裂缝孔洞周围要增加钢筋并在其末端加保温设施 取水与电站建筑物一般规定以往的水利水电枢纽中的引输水建筑物设计一般都按常规进行未考虑冰冻作用或考虑不够因而出现过不少事故如冰凌堵塞压力钢管受冻和变形等本章针对这些问题对严寒与寒冷地区有防冰要求的引输排水所属建筑物的冬季输水排冰和电站的厂房压力管道等建筑物抗冰冻设计作出规定本条中提出的运行方式是通过几年来的试验研究和工程运行实践总结出来而且是目前在有防冻要求的取水输水工程中行之有效的几种主要防冰害的工程措施这些规定是在规划设计过程中取水输水系统达到良好的输排冰水力条件及工程安全的基本要求输冰运行时常会在建筑物或弯道等水流变化处形成局部壅塞结冰盖运行时常由于局部地段冰盖下净空不够或其他原因冰盖上有流水清沟使冰盖加厚产生漫渠垮堤个别情况甚至须紧急动用军队上万人抢修因此规定超高应较常规设计增大渡槽倒虹吸等建筑物两端的超高亦需增大溢水堰或虹吸管可有效地控制水面线不致漫渠一般都设于跨越沟谷处我国目前控制水位常靠人力巡回冬季寒夜常有困难水位越限无线传输报警装置有利于及时发现险情傍山渠道有时是半挖半填即使挖方也比较单薄故防渗必须加强现有劈崖渠道的临空侧多砌筑浆砌石不耐冻融作用故规定其底板与挡墙宜做成整体混凝土或钢筋混凝土结构引水渠形成冰盖后入渠冰凌量过大会在冰盖下形成倒挂冰底针冰从而使过水断面缩小产生壅冰壅水或冰塞危及建筑物的安全运行例如西北某水电站在结冰盖后由于管理不严使来冰凌量入渠造成长引水渠在 小时内全部连底冻结形成冰塞而断流渠内冰塞滞凌量约达万因此必须在渠首控制冰凌入渠结合运行实践拦污栅导冰筏采用机械水力排冰后在栅筏前尚有一定数量的冰块杂草存在须辅以一定的人力进行清理因此本条规定在前池整体布置上应设置有一定宽度的工作平台兼交通桥但工作平台只能设在固定式导冰筏上而不得在活动导冰筏上设置取水口排冰为了输排冰更顺利更有利于冬季安全运行一般要求运行方式采用冬季高水位运行其作用一方面扩大闸前水域满足输排冰要求另一方面相应增加蓄滞冰库容此外通过实践及试验在枢纽前凹岸处设置活动导凌筏可使冰块冰凌向排冰闸方向流动排冰闸流速应控制在综合使用上述措施可使水面上的浮冰块通畅的排向下游根据实测及试验并参照国内外有关资料为使冰在渠内上浮流速应不大于根据新疆地区几十个水电站多年冬季运行实测资料并参照下列一些国内外资料汇总分析确定河北省东蒿村电站耗发冰岛焦塞河伯福尔水电站耗冰前苏联中亚某河耗冰加拿大某条河流耗冰新疆各站资料耗冰明渠冬季输水渠线上设有弯道时按以往的规范和常规设计弯道曲率半径都取水面宽倍实践证明这样设置的弯道不能形成完整的环流而产生偏流根据试验及实测结果为形成完整的环流使水力条件良好弯道曲率半径不宜小于倍水面宽度 根据西北地区多年来与冰害斗争的实践对于上游无调节水库或远离控制性水利枢纽的径流式电站在引水枢纽上游或沿渠线充分利用天然洼地修建水库池塘滞冰蓄冰是解决冰塞的有效措施其水位应比该处引水渠水位低其主要作用是为了避免冰凌壅塞在库池塘进口导致失效乃至损毁进口本条主要从冰凌水力学方面作出防冰冻的设计要求对于有输水排冰要求的渠道窄深式可减少水面与大气接触面缩减热交换量减少底岸冰的再生条件使水流通畅保证冬季运行的安全度本条设计流速系根据多年实测及室内模拟试验并参照了下列一些国外资料提出的前苏联水工手册新版中提出结冰盖期渠内形成冰盖后渠内流速美国冰工程提出流速必须小于麦克拉克兰提出冰的下潜流速也称临界流速值为阿斯顿提出作为临界值根据新疆地区几个电站冬季结冰盖运行实测资料及参照国外资料进行比对后本条推荐比较简化的东北勘测设计研究院提出的公式有关公式介绍如下水利部东北勘测设计院公式前苏联水工手册新版沙巴也夫公式 美国陆军工程师团凡洛康萨巴湟也夫公式式中综合糙率系数渠槽糙率系数冰盖底面糙率系数渠槽湿周长度冰盖湿周长度系数渠槽系数本条是依据已有工程多年运行总结实测资料及室内水力学试验提出的本条是根据青海香加水电站新疆玛河四级水电站及新疆金沟河水电站冬季渠水增温运行多年观测资料求得的经验公式前池排水前池布置及结构形式在各地区各工程地点都不尽相同所以要根据当地的自然地理条件结合冬季运行要求因地制宜选用以往在前池容积的设计中未计入在冬季正常水位运行时冰盖所占有的容积因而导致前池超高不够而漫顶失事或强制降低正常水位运行而损失大量电能因此前池容积应计入冰盖所占容积尤其是有侧堰布置的前池形式除符合条规定外尚应加设一定的附设工程设施通过这几年来对引水式水电站的防冰害的调研发现各地区前池的布置形式繁多为统一名称本条进行系统归纳定名各种布置形式见图从效果来看其中以双层式最佳通过实际运行证明排冰闸和引水渠中心线布置在一条直线上时水流非常平稳闸前无回流和旋涡反之闸前流态比 较紊乱出现回流旋涡水流顶托等现象导致闸孔出流流速分布极不均匀为了使水流平衡满足浮冰凌沉沙的流速要求在排冰闸前设置缓流渠段能起到浮冰排沙作用其长度不宜太长或太短太长时由于水力排冰排沙能力的影响长度有限排冰排沙效果不理想太短会影响侧向进水口的水流流态经过实测结合模型试验其长度一般控制在范围内为最佳其断面形式以宽度与排冰闸等宽的矩形为好为了减少入渠冰量在进水闸前缘应设置活动或固定的导冰筏其潜没深度与冰块厚度有关西北地区一般冰厚在故本条规定采用潜入深度为冰厚的倍为宜以往寒冷地区尤其是西北地区已兴建投产的引排水系统中其变断面的衔接段都紧靠闸体长度也较短因而在闸前均出现回流旋涡区易形成冰塞冰堵及闸孔出流不均导致排冰效果较差本条规定是依据实测结合室内整体水力学模型试验提出的通过西北地区某典型电站进行整体水力学模型试验后获得侧堰一般是为电站丢负荷时弃水而设但在严寒与寒冷地区冬季运行时兼起排冰凌作用其布置形式一般为直坎式跌水式溢流堰式实用堰宽顶堰等为使冰块顺利排出不发生卡堵现象本条针对溢流堰式侧堰的排冰提出对水位和坝顶结构的要求常规的泄水渠主要为电站弃水服务但严寒地区还要结合排冰凌故本条对泄水排冰渠道提出相应的要求露天压力管道西北地区钢筋混凝土露天压力管道一般采用覆盖式如覆土暖棚暖房芦苇等这种方式保温方法比较经济也可靠冬季不运行的露天压力钢管应排空管内存水否则将导致 钢管因冰胀破裂从目前国内调研结果看本条规定的是露天压力钢管保温图前池引水排冰布置示意图一正向排冰正向引水正向排冰侧向引水 的最佳方法其中的保温层厚度计算是半经验公式本条为一般水轮机厂的允许条款图前池引水排冰布置示意图二弯道排冰正向引水弯道排冰侧向引水 地面厂房与泵房厂泵房特别是抽水站的泵房若布置在高边坡和地下水位高的地段往往因土坡的强烈冻胀滑坡危及泵房管道发生上抬变形这种事故曾在东北一些工程中发生积雪深的地段特别是有雪崩危险的地段将对厂泵房产生过大的雪荷载泵房的出水池常常是泵房及其附近地下水位壅高的一种原因因此除做好排水外冬季不运行时出水池与相连渠道都应能放空不少中小型厂泵房外墙地下水下部分使用浆砌石冬季受冻破坏严重故规定应采用钢筋混凝土结构一般中小型工程的厂泵房设计中只有土建结构设计而无采暖保温设计这是造成冬季受冻出现问题的原因因此规定应考虑采暖保温设计而且力求经济节能例如对于冬季不运行而需采暖的中小型厂泵房往往不易做到冬季采暖而且目前有采暖的也多用煤炉既不经济又不安全因此有条件时可考虑采用温度继电器自动起停的电热系统这样即使远离居民点由一人值班定期照料即可既经济又有效运行经验表明厂泵房室内温度一般不必过高适于工作人员巡回检查即可只是在长期有人工作的部位才需较高的室温风水油电系统采取局部采暖常比一般采暖容易解决结霜结露潮湿和管路冻结等问题所需电量也不多比锅炉有效本条是综合了东北一些小型电厂和泵房的运行经验提出的冬季不运行的厂泵房室内渗漏水位常与四周地下水位或尾进水水位齐平冬季结冰冻胀可能危及楼板梁系如果板梁位置高于冰面则无此问题压力管道镇墩支墩往往因埋深浅在地基土冻胀作用下上抬造成管路过量变形因此应根据地基土的冻胀性采取加大埋深覆土保温换填地基等措施防止它们的冻胀上抬 渠道衬砌与暗管一般规定渠道线路的选定受多方面因素的制约抗冻胀仅是其中之一已有的大量观测和试验证明当渠底高程与冻前地下水位的距离大于地下水对冻结层无显著影响的临界值表和渠道基土冻前含水量不大于塑限含水量加时渠道衬砌不会有冻胀的危害因此从防止冻害出发在选线时在综合考虑各种因素的条件下尽可能使渠道线路避开高地下水位地段是适宜的表值表土类粘土重中壤土轻壤土砂壤土砂基土的冻胀力是一种体积力渠道衬砌较薄采取抵抗性措施难以达到防冻害的目的而从适应回避削减或消除冻胀等方面选用措施较为经济合理我国北方地区大量实测资料证明当渠道土的冻胀位移值与衬砌允许位移值相差不大时可通过适应冻胀位移的结构措施解决当位移值与允许值相差过大时应采取回避削减或消除冻胀的措施解决衬砌渠道是一种线路性工程沿渠的土质水分补给条件和渠道走向往往有较大的变化土水温是形成冻胀差异的基本因素对不同冻胀量的渠段应采用不同的抗冻胀措施因此衬砌结构抗冻胀稳定性验算必须根据渠道的土水温的变化情况分段进行衬砌结构抗冻胀稳定性要求衬砌渠道的冻害主要是因渠床土冻胀造成衬砌体过大变 位而且衬砌体普遍具有体积小自重轻所受约束力小等特点难以抑制冻胀力而遭破坏故选择允许法向冻胀位移值为控制指标允许法向冻胀位移值是指衬砌板在冻胀融沉作用下不产生累积冻胀或残余位移的允许值产生此值时渠道衬砌仍能满足设计和正常的要求渠道衬砌结构的允许冻胀位移值与衬砌板块的大小衬砌板块间的约束程度衬砌板与基土间的冻结力冻胀不均匀和渠道边坡基土的稳定性等有关多数研究单位认为用允许法向冻胀位移值作为抗冻胀设计的控制指标是当前一个比较简单而实用的方法表的允许法向位移值是综合我国北方各地的试验观测成果提出的在编制过程中也曾考虑了另一重要控制指标即不均匀冻胀系数但因确定定量指标的依据尚不够充分而暂未作规定有待今后继续积累资料加以改进修订同一断面的不同部位有不同的冻胀位移量为节省工程投资可采用不同的抗冻措施在按附录计算衬砌渠道的冻胀量时因衬砌板自重不大而且无外荷载为安全计除特殊情况外可不考虑衬砌板重量对冻胀的影响即取基土的冻胀量作为衬砌结构的冻胀位移量冻结期渠内有冰水的渠道不论衬砌体是起防冲或防渗作用也不论当地地下水位埋深如何均应把冰水面视为地下水位补给面在冰水面以上一定高度范围内渠道边坡的冻深一般是一个由小到大变化值为计算方便和安全计本条规定在冰水面以上范围内以冰水面为地下水面采用计算冻深在冰水面以上范围内渠道边坡的冻胀是很强烈的在此范围内结冰渠道最大冻胀位置偏下冬季行水的渠道最大冻胀位置偏上为安全和简化计算计本条规定在计算冻胀量时在此范围内皆取 衬砌结构多年的工程实践说明当渠床土的冻胀性属级时按本条规定的结构措施即可以满足抗冻胀的要求本条中的款是以适应冻胀变形为主的结构措施款是利用结构受力特点兼有抵御和适应冻胀变形两种能力的结构措施款是利用空气保温以削减渠床土冻胀量的结构措施渠床土的冻胀性属于级时基土的冻胀量基本上都超过衬砌结构的允许位移值因此对抗冻胀的要求较高故对结构形式和消减冻胀方面作出规定其中款是适应冻胀变形为主的结构措施款是削减渠底冻胀作用限制槽侧回填土高度是兼具削减和回避冻胀作用结构措施款属于回避冻胀措施可彻底消除冻胀但造价高工程量大宜慎用款款是考虑大中型渠道较重要而提出的综合性措施衬砌渠道分缝是渠道衬砌结构适应削减冻变形的关键措施渠道衬砌板块的隆起架空是冻胀破坏的主要形式之一已有的现场试验观测发现渠道边坡冻胀时发生坡长缩短是产生这种现象的一原因因此要求沿渠道周边的分缝要有一定的宽度和适当的间距以便通过缝宽的调整满足缩短量防止板块间相顶而造成的隆起架空现象本条中规定的缝形纵宽和缝的间距是根据国内外工程实践经验提出的纵向缝数可参照本条规定的纵缝间距和缝宽尺寸范围依据渠周冻胀后的几何缩短量按式试算确定渠周冻胀后的几何缩短量可根据渠道断面尺寸和冻胀量分布情况通过计算求得有的单位提出估算纵缝数的如下经验式据此确定缝距的方法可供参考式中纵缝数渠周几何缩短量缝宽本条中填缝止水材料性能的要求是保证夏季最高气温且受 阳光直射下不流淌冬季最低气温下仍具柔性能适应上述渠坡长度冻胀变化时缝宽的伸缩变化而提出的冻胀土基处理用非冻胀性土置换冻胀性土是消减渠道冻胀的良好措施但渠道线长置换工程量大因此从经济上考虑这种方法一般只适用于当地或附近有较丰富的非冻胀性土条件而且应保证置换层在冻结期不饱水或有排水出路和防止在使用期间受细颗粒淤塞导致冻胀本条是通过降低渠床土的含水量以削减冻胀的措施也是保证置换层能有排水出路的办法采用本条措施的关键是彻底掌握当地的水文地质资料搞好排水设施盲井暗管反滤体等的设计并能保证其长期正常工作用聚苯乙烯硬质泡沫板进行保温削减或消除渠床土冻胀具有施工简易效果明显等特点保温板的厚度大型渠道应通过热工计算确定对于中小型渠道可按厚的保温板其性能满足工程要求可减少冻深估算这个比例是通过热工计算和实际工程验证过的可满足工程实用要求渠坡稳定土质渠道或以土石料护面的埋铺式膜料防渗渠道的边坡常常因基土冻融作用在春融期间发生滑塌以致实际存在的稳定的断面形式大致都是弧形弧底梯形弧形坡脚梯形其宽深比都大于所以本条作出相应的规定渠床属强冻胀性的大中型土质渠道在融化期坡面表层融化后土体中的水分不能渗入尚未融化的冻结层而滞留在冻融交界面形成抗剪强度很低的超饱和土层致使融化土体沿此界面下滑并出现逐层下滑塌坡为防止边坡在融化期出现这种滑塌本条规定应进行边坡稳定性验算并在必要时采用换填排水支挡等综合性工程措施 本条规定的措施曾在内蒙古和吉林试用都取得良好效果是一种兼起换填排水支挡作用的综合性工程措施暗管冬季通水的暗管渠埋在冻层内可能因冻胀和融沉产生过大的变形也可能因管渠内的水结冰影响通水甚至管道胀裂因此其埋深应大于设计冻深但是如果在当地条件下例如冻胀很小水温较高等不会发生上述问题则可通过论证适当减小埋深管道的冻胀破坏主要取决于管道周围及其下部土的冻胀大小故除了当地总冻胀量外冻胀沿深度的分布情况是确定管道埋深的重要条件由于冻胀沿深度的分布因各地条件不同而异往往很难全由实测确定故本条中对无实测资料时按冻胀沿深度基本呈均匀分布的情况提出不同冻胀级别下的埋深要求本条是为避免埋在冻层内的管道冬季存水特别是满水时可能因结冰冻坏而规定的井管的冻拔可能破坏接头故不允许冻拔抗冻拔措施是要消减冻切力例如在冻层范围内的井管做成尽量平滑的表面或做表层处理涂黄油沥青工业凡士林以及油与腊的混合物并包以塑料薄膜或玻璃丝布油毡设双层油套管等 闸涵建筑物一般规定闸涵建筑物的选址除按常规选址条件外还要考虑影响地基土冻胀和冰凌作用的因素包括工程地点的标准冻深设计冻深冻胀量和地基土的冻胀性级别选址时宜避开冻前地下水位高有侧向地下水补给的地点也宜避开粉质土地基和山阴面武开江的河段等这样可以减免地基土的冻胀和冰压力作用也可以尽量不采取人工地基从而有利于建筑物的抗冰冻稳定由于闸涵建筑物各点的高程朝向和土质等不同地基土的冻深和冻胀量不同因此要选择典型断面进行计算图是设计控制断面上计算点的选择和设计冻深线冻胀量线示意图可供设计参考图设计控制断面计算点设计冻深线地表冻胀量示意图计算点设计冻深线地表冻胀量线本条依据地基土冻胀性类别和闸涵建筑物级别分别对基 础埋深作出规定的目的是为了确保高级别建筑物和冻胀量大的地基上的各级建筑物的竖向抗冻胀稳定性低级别和地基冻胀量小的各级建筑物其基础埋深虽小于基础设计冻深但其冻胀量一般均在允许范围内可通过位移验算确定其抗冻胀稳定性由于低级别建筑物多尺寸又小不硬性规定其基础埋深在经济上是合理的采用开敞式过冰设施有利于大冰块顺利排泄减免闸前壅冰现象对于大型工程泄流和泄冰要求都高冰流量又大冰情条件比较复杂因此宜通过整体水工模型试验确定满足过冰条件下的工程布置和流态以免发生类似某些工程曾出现过的壅冰问题结构与布置近年来的抗冻工程实践证明涵闸工程的布置与结构是影响建筑物抗冰冻实效的关键要素三北地区大量涌现的集中点线式布置和整体式柔性结构例如一字形闸形闸整体式结构倒形结构和柔性护砌等经工程实践验证都具有较好的抗冻胀效果大中型水闸岸墙结构有直墙式和斜坡式有的水闸采用直立式岸墙而翼墙做成河岸护坡形式由于冬季斜坡底板大部分露出水面和地基土冻胀而使两岸斜坡面出现大量平行于水流方向的裂缝对侧向防渗极为不利因此在有冻胀作用的情况下宜首先选用直墙式边墩直接挡土时在土压力或水平冻胀力作用下均可能发生变形而影响闸门操作边墩和底板也产生较大的弯曲此外闸室受两个方向的水平力作用也加大了闸身的不均匀沉陷从相邻分部工程的基底压力差来看闸底板的基底压力小而岸墙在填土压力作用下基底压力大因此对于易发生不均匀沉陷的软基在它们之间宜设沉陷缝将闸室与岸墙分立在边墩后面设置轻型岸墙可减小相邻分部工程基底的压力差 铺盖板的厚度较薄抵抗变形的能力较差当冬季暴露时在冻胀力作用下易受破坏减小分块尺寸可以增大刚度但分块过小时分缝又过多因此要合理分块本规定是根据实际工程调查提出的本条是为了防止春融期间闸门挡水时底板与基土接触面可能发生的渗流破坏但齿墙深度不宜过大否则对冻胀上抬的底板复位不利稳定与强度验算近年来大量竖向冻胀力的研究成果表明相同冻胀性级别相同冻胀条件的地基中单位竖向冻胀力值随基础板面积的增大而减小当基础板大于万后单位竖向冻胀力值渐趋于常值当基础板或载板面积小于万时国内外众多研究单位的实测结果相差数十倍参照上述结果同时考虑到水工建筑物基础的构造要求本条对适用面积作了限定实测数据还表明当基础板面积相同时单位竖向冻胀力随基础周边长度的增加而增大但当矩形基础板短边长度大于时其形状如矩形和圆形对冻胀力的影响已很微小故本条对基础板的短边尺寸适用范围也作了限定涵闸基础在冻胀力作用下的破坏形式大体为累积性不可逆水平位移或倾斜基础底面土层淘空甚至倒坍基础板不均匀沉陷和开裂累积性不可逆竖向位移并导致基础架空倾斜开裂本条对上述四种破坏类型分别作出了验算水平抗滑稳定渗透稳定基础底面应力分布竖向抗冻胀稳定的规定当基础埋深大于基础设计冻深时不存在基底的竖向冻胀力但仍有基础侧向的切向冻胀力存在因此要考虑切向冻胀力对建筑物的上抬作用当基础埋深小于基础设计冻深时则还有竖向冻胀力对建筑物的上抬作用因此首先要考虑这两种情况下可能发生的竖向冻胀位移不超过允许值当不允许发生竖向位移时应满足向下的阻力大于向上的冻胀力的条件 在有冰压力和或冻胀力作用的情况下闸室基底的地基应力要比常规设计情况复杂此时有切向冻胀力边墩与岸墙结合在一起时的水平冻胀力对闸室基底的应力产生作用使基底压力分布很不均匀当闸室基底压力最大值与最小值之比过大时将会导致基础板发生过大的沉降差使闸室结构发生倾斜变形甚至断裂因此要求验算冰压力和或冻胀力作用下基底压力的最大值与最小值之比该比值不应大于常规设计的允许值冰压力的作用主要是指动冰压力作用因为闸门不允许承受静冰压力但在现有的实际工程中往往仍承受静冰压力因此尽管规定不允许承受静冰压力在设计中也还要适当考虑可能出现的不正常情况故本条中未明确规定只计动冰压力的作用动冰压力的作用一是对闸墩的撞击力二是对闸体稳定的影响在实际工程中曾发生过因闸基发生冻胀融化期抗剪强度和抗渗能力降低当渠道放水和闸门挡水时闸基被淘导致垮闸的事故因此在验算闸体抗滑稳定和渗透稳定性时特别是融化期挡水水位较高的情况下应注意闸基和边墩侧因土的冻融可能产生的抗剪强度和抗渗能力降低的问题但是由于地基土融化时的抗剪强度变化较大当土中含水量无很大变化时强度降低幅度较小当土中含水量变化大时强度降低幅度较大如果上层融土下有冰夹层形成光滑的滑动面时强度往往降低一个数量级但后一情况在有一定埋深的基础板下很少见到一般可不考虑由于情况变化多目前实测资料又较少因此还难于规定定量值只能根据具体情况确定主要还是要在设计中采取结构措施根据中国科学院兰州冰川冻土研究所黑龙江省水利科学研究所黑龙江省低温建筑科学研究所水利部松辽水利委员会科学研究院吉林省水利科学研究所和日本北海道开发局等各家的室内外试验资料和成果通过综合分析得出当约束土体冻胀的基础沿冻胀力作用方向发生位移时冻胀力依据基础位移量与地表自由冻胀量的相对比例呈指数规律衰减因各种冻胀力都 具有沿冰晶增厚方向作用的性质因此冻胀力衰减系数的定量方法也适用于水平冻胀力和切向冻胀力本条中基础厚度影响系数是根据上述各家基础板下冻结面基本是平面的野外实测数据归纳得出的国内外大量实测资料和成果说明当基础板因基土冻胀而产生变位时竖向冻胀力呈指数规律衰减闸涵基础板允许产生可复位的限定位移可减小冻胀荷载降低工程造价表给出的基础允许冻胀竖向位移值是根据建筑物的类型功能结构要求和材料特性等综合因素选定的对于级水闸考虑到工程的重要性规定不允许产生冻胀位移由于它们的埋深和上部荷载较大一般易于满足这一要求对于级闸涵则提出允许不同的冻胀位移值这对减小冻胀荷载和降低工程造价都是有利的单位竖向冻胀力标准值是在基础设计冻深厚度内且基础无位移时产生的竖向冻胀力值对允许发生竖向位移的基础同时进行竖向位移和厚度影响修正对不允许发生竖向位移的基础则仅进行厚度影响修正即取本条中的竖向冻胀力标准值和分项系数是根据水利水电工程结构可靠度设计统一标准的要求确定的在进行稳定与强度验算时竖向冻胀力作用设计值为二者的乘积抗冻胀措施本节规定了置换法回填压实法强夯法和保温法四种主要工程措施的技术要求其他结构措施例如采用一字形闸代替开敞式闸减少基础与地基的接触面积增加基础荷载采用锚固底板或反拱底板抵御冻胀结构采用筛网消能代替消力池架空结构采用枕梁式浅埋基础适应变形结构等已经大量工程实践证实有效的方法本条未予详述因结构措施只是改善了建筑物的抗冻胀能力故在有条件时宜同时采用综合措施置换法是基础防冻胀技术中常用的同时也是失败率较高的 措施之一究其原因一是对此方法的适用范围和条件掌握不当二是置换后材料周围反滤层失效在长期运行中受周围原状土中细颗粒淤塞而改变了置换基土的不冻胀性三是置换料未达到标准要求和施工不良所致因此本条规定了采用置换法需注意的要点用回填压实法或强夯法提高粘性土非粉质土地基密度以降低其冻胀性是最简单易行的工程措施之一黑龙江省水利科学研究所通过长达年的大量室内外实验和工程实践查明当粘性土不包括粉质土饱和度一定时随土体干密度的增加冻胀性呈指数规律降低实测资料还证明在较小外荷载下当回填的干密度不小于时地基土的冻胀量只有地表原冻胀量的鉴于中小型涵闸的自重一般比较小本条将回填压实土的最小干密度确定为根据华北东北部分地区的实测资料归纳湖泊和水库中的冰层厚度一般是当地基土冻深的倍考虑到闸涵建筑物的保温水层较薄且易受周侧冻结的影响故本条取保温水层厚度应大于当地的平均最大冰厚聚苯乙烯泡沫塑料板的厚度经验系数是根据多年室内外实测资料归纳得出的对水平加宽和垂直加深铺设尺寸的规定是为了达到建筑物基础水平投影范围内的基础下土层不产生冻结的目的确定的 挡土墙一般规定由于作用在挡土墙上的水平冻胀力值随着墙体变形而减小因此挡土墙身应优先选用允许变形量大的结构形式在平面布置上例如闸涵等建筑物的侧墙与翼墙之间如果用直角连接在两向冻胀力作用下墙角处将出现较大的集中拉力因而产生裂缝甚至断裂这已被许多工程实例证实因此宜采用圆弧形连接总水平冻胀力的大小与墙后填土高度直接有关因此在可能的条件下应尽量减小墙后的填土高度同时采取防水排水措施尽可能减少渗入土中的水量选用扩大式条形基础有利于减少基础工程量而且可利用冻胀反力提高挡土墙的垂直抗冻胀变形的稳定性本条对挡土墙的结构形式和布置所作要求其目的是避免或减少冻胀力对建筑物的作用本条按地基土的冻胀性级别对挡土墙埋深作限定的目的是避免挡土墙在冻胀量较大的地点受竖向冻胀力作用而产生开裂过大倾斜或倾覆确保挡土墙抗冻胀稳定性和结构强度级冻胀性的地基上冻胀量和竖向冻胀力均较大一般建筑物不易承受而且当冻结地基融化时墙趾处地基土先融化强度降低从而发生墙身前倾乃至倾倒因此建在这几级冻胀性地基土上的挡土墙基底深度不应小于基础设计冻深即墙基下的地基土不被冻结墙体基础布置在土质均匀的同一高程上不仅可以减少地基的不均匀沉陷而且可减少不均匀冻胀对墙体的破坏作用暖土条件下的挡土墙设置排水孔是为了减少墙的水压力以达到减轻设计荷载的目的从抗冻胀角度出发设置排水孔排除地下水和表层土中滞水有利于疏干墙后土体减小墙后土体冻胀量当墙后土体的冻胀性为级时按暖土设计的挡 土墙排水孔一般可满足要求当墙后土体的冻胀性为级时为增大排水效果以设置排水带与墙体排水孔连通为宜这样能较好地起到降低墙后地下水位和土体冻胀量的作用挡土墙与冻土接触面平整光滑可以减少切向冻胀力的作用沥青层除减少冻胀力外还可防止水分侵入墙体引起的冻胀破坏当挡土墙基础埋深小于基础设计冻深时基底竖向冻胀力水平冻胀力基础侧面切向冻胀力同时存在就挡土墙而言切向冻胀力不是主要控制指标而且目前还存在取值上的困难故一般可只考虑前两种力的作用见条说明水平冻胀力标准值的计算墙后的土体受来自垂直地表和墙体两个方向负气温作用而处于双向冻结状态由于冰晶的增长方向垂直于等温线因此外露墙体的高度和厚度均直接影响到水平冻胀力沿墙高的分布形式目前已有的试验研究资料基本上是在墙高均未超过和墙基础埋深一般大于的薄壁式挡土墙条件下取得的因此规定本节的计算适用于标准冻深大于墙前地面至墙后填土顶面之间的高度小于或等于的薄壁挡土墙多年来国内有关单位进行过不少挡土墙水平冻胀力的观测研究例如黑龙江省水利科学研究所在哈尔滨试验场的实体和模型挡土墙吉林省松辽委水利科学研究所进行的东阿拉和大安屯两处锚定板挡土墙工程松辽委水利科学研究所做的长春地区西新和向阳模型挡土墙黑龙江省水利设计院的巴彦县东风水库挡土墙和铁道部西北研究所风火山冻土站的现场实体挡土墙和模型挡土墙这些挡土墙的高度范围为分析这些试验和观测所得的组资料说明在墙顶一定范围内不存在冻胀力或很小最大单位水平冻胀力出现在墙前地面高程以上一定高度处水平冻胀力沿墙高的分布多数呈近似三角形因此为简化 计算对水平冻胀力的分布采用与实测压强图的冻胀力矩平衡和合力相等最大单位水平冻胀力作用点不变的原则并考虑墙前冻土压力后线性简化为的三角形单位水平冻胀力压强分布图本条中的水平冻胀力标准值系按上述三角形分布算得的合力值是根据水利水电工程结构可靠度设计统一标准的要求确定的水平冻胀力的设计值应取其标准值与分项系数的乘积墙体变形将使单位水平冻胀力值减小墙背坡度的改变将对水平冻胀力值产生影响因此在式水平冻胀力标准值计算中加入了边坡修正系数和墙体变形影响系数表中的边坡修正系数是参照日本北海道开发局土木试验所年度渠系建筑物冻害防治措施研究报告中的试验成果给出的黑龙江省低温建筑科学研究所黑龙江省水利科学研究所中科院冰川冻土研究所吉林省水利科学研究所和日本北海道开发局等国内外试验资料表明当约束土体冻胀的结构沿冻胀力方向发生位移时冻胀力将按指数规律衰减式是用上述各家相对变形量与冻胀力衰减关系的外包线得出的式中的允许水平位移值是根据钢筋混凝土结构设计规范悬臂构件的允许挠度确定的根据现有的试验结果以挡土墙后回填土的冻胀性级别为划分标准分别统计出了最大单位水平冻胀力高度系数和非冻胀区深度系数其平均值见表为偏于安全起见正文的表中非冻胀区系数取统计所得的小值表实测的统计平均值墙后土冻胀性分级最大单位水平冻胀力高度系数非冻胀区深度系数 抗冻胀措施因挡土墙后置换的非冻胀性土的粒径较粗渗透性较强在采用置换措施时应注意满足渗径要求挡土墙后置换范围是按压强分布图形并考虑砂石料的冻结深度较粘性土一般可增加而确定的在挡土墙后沿墙体迎土面铺设保温材料的单向保温方式可以减少土体的冻深当保温层达到一定厚度后墙体方向可呈绝热状态使墙后土不致因来自墙体的负气温作用而冻结从而原来的双向冻结状态改变为只有垂直于墙后填土表面的单向冻结状态但是在工程实践中不易达到这样的理想目的故本条限定了单向保温方式的使用范围双向保温方式可更有效地削减或消除挡土墙后土的冻胀但造价较高故提出适用于墙后土的冻胀性属级的条件 桥梁和渡槽一般规定在标准冻深小于或土的冻胀性属级时一般桥梁和渡槽桩的抗冻拔力均大于冻拔力实际工程调查亦未发现在上述条件的地区有桩基冻拔造成的破坏现象因此作本条规定桩基础每排桩的根数是根据承载力和抗倾覆要求确定的桩的根数愈少总切向冻胀力愈小而作用于单桩上部的荷载愈大按承载力的入土深度也相应增加桩径愈小总切向冻胀力亦愈小所以减少桩的根数和桩径对抗冻拔十分有利因此本条规定冻土地区的桩基宜尽量减少桩的根数和桩径单根桩能够满足要求时不宜采用双桩双桩能够满足要求时不宜用多桩建筑在河渠道中有过冰要求的桥梁和渡槽在行冰期冰块将对其桩柱基础产生冰压力当基础阻滞冰块的下泄时可能形成冰堵抬高上游水位甚至造成上游河渠水漫堤或危及桥梁和渡槽安全为避免或减小动冰压力并使冰块平顺下泄增大单跨宽度是有效的河渠床冲刷改变了基础的埋设深度特别是对于埋深较小的扩大板式排架底梁式和墩式基础若考虑冲刷影响不够冬季土的冻结深度往往达到基础底面以下从而产生对基础底面的竖向冻胀力这对建筑物的安全是极不利的桩柱基础常设置横系梁来增加整体刚度但是在寒冷地区若横系梁设置在冻冰层内或过于接近地冰面在地基土冻胀时将承受很大的法向冻胀力使基础上抬或拉断本条中距离的规定是以一般地面冻胀量不超过作出的有些排架基础桥在设计时因对冲刷深度估计不足或施工时埋 深不够工程运行后因冲刷而使底梁进入冻层此外当发生淤积时将缩小地面与地上横系梁的距离这些都将因土的冻胀造成危害因此为了防止这些现象的发生设置横系数梁时应考虑冲刷和淤积影响渡槽的进出口段与槽身的联结处常常因基土冻胀而发生错位造成漏水乃至使结构破坏所以设计时要按第章和节的要求做好进出口的抗冻胀设计和接缝止水基础结构吉林省桩基冻害调查结果表明冻拔破坏工程中多数是由于冻深范围内桩壁粗糙和存在大突出体所致减少冻土层内桩壁的糙度可以大大减小基土与桩壁之间的冻结力利于基土冻胀过程中沿壁剪移而使冻胀力松弛灌注桩基础在施工中地面以下一定深度内由于水压小而成孔性差经常出现塌孔现象使基础不但糙度大而且形成不规则凸体加大冻拔力为防止这类现象的发生减小冻拔力在冻深范围内设置套管是简单有效的扩大式基础排架式基础和墩台基础施工中都要开挖基坑如果地下水位较高开挖排水的工程量较大施工困难工程造价将随之提高所以在设计时要根据施工条件进行经济比较选择适宜的结构形式扩大式基础排架式基础的底板和底梁置于冻层下面对抗拔起锚固作用如果埋置深度不足河底冲刷后锚固底板或底梁进入冻层则不但基础的锚固作用失效而且将受基底法向冻胀力作用实际工程中有不少这种破坏实例因此冲刷深度较大的河床不宜采用特别是冲刷深度难于估算的不稳定河道禁用这种基础大基础板的抗冻锚固作用主要取决于翼板长度多年来国内外一些专家学者对扩大式基础锚固底板的锚固力理论和计算作过一些研究但由于试验方法及基本假定不同所 得结果亦不同因此本条根据已建工程运行经验和野外试验结果提出对扩大式基础底板的翼板长度的要求满足本规定的尺寸在无特殊冻拔因素的情况下是安全的墩台基础在冻层内做成正梯形的斜面并用水泥砂浆抹平可以减小切向冻胀力从而可增加基础的稳定性但梯形的斜面不宜过陡本条规定不陡于墩台基础横断面较大由于基础的材料比基土的导热系数大致使基础的冻深大所以在确定其埋置深度时应根据基础材料的性质按基础设计冻深确定基础的埋置深度基础稳定及强度验算本条规定抗冻拔设计时基础的工作状态取全约束即不允许基础向上位移这是因为桩墩基础侧壁与土之间摩阻力是抗冻拔力的一个重要部分基础一旦发生冻拔桩壁与基土产生位移后摩阻力将大为降低使抗冻拔力减小基础冻拔后在融化期不能完全恢复原位残余冻拔量将逐年积累导致上部结构破坏对冻拔敏感的渡槽即使冻拔量很小也将使槽身发生结构或强度破坏影响正常输水总切向冻胀力标准值计算公式中引进了有效冻深系数和糙度系数有效冻深是指设计冻深范围内自地表算起有切向冻胀力产生的深度有效冻深系数为这部分冻深与设计冻深的比值在影响冻胀的水土温三大要素中在土温相同的条件下地下水位的高低直接影响冻层内冻胀的分布如果地下水位接近地表基土在冻结过程中水分能够充分迁移则在冻层内均产生冻胀此时有效冻深系数取如果地下水位较低基土在冻结的过程中水分迁移困难则冻层的下部存在着一个冻而不胀的区该区没有冻胀力产生故此时的表是根据国内已有的观测资料统计分析得出的冻层内桩壁材料糙度大小直接影响基土与桩壁之间的冻结力 实测结果表明用模板浇筑较光滑的桩壁在冻胀的过程中基土很容易沿桩壁向上剪移其位移量可达到冻胀量的从而使切向冻胀力减小而糙度大的桩壁基土与其冻结力大而很难发生沿桩壁的冻胀位移使基础承受的切向冻胀力相应增大由于本规范规定桩墩外表应平整故桩壁糙度系数取桩墩基础的坑冻拔稳定条件为阻拔力大于或等于冻拔力式是按分项系数法给出的其中结构重要性系数值列入表表中的建筑物级别为现行规范中的建筑物级别有些基础虽然有足够的抗冻拔力能够满足整体稳定条件但在基础的薄弱断面可能因配筋不足而被拔断因此要进行强度验算在进行强度验算时对钢筋混凝土的桩柱基础只算受力筋的强度其混凝土强度忽略不计基础侧壁与暖土之间摩阻力的大小与基土的类别状态有关当基础通过不同土质地基时应按式取相应土层的单位极限摩阻力和厚度分别计算后叠加式中的是将桩基受压条件下土的摩阻力换算为桩基在切向冻胀力作用下受拉时下卧暖土层抗冻拔摩阻力的折算系数前者可在有关规范和文献中查到而后者试验资料尚少该式中的系数是根据水利部松辽水利委员会科研所在野外试验场用两根实体试验桩在地基土为粉质粘土条件下取得的试验资料确定的按基土的类别及状态确定桩基的抗冻拔极限摩阻力与单位极限摩阻力之间的折减系数为按基土类别及状态取承载力设计时的相应值根据冻胀地基上的基础在冻结期间的受力状态受拉最大的断面位于最大冻深处此外设计时经常根据结构的应力变化在某一部位少配筋或改变结构截面因此存在结构薄弱截面故验算时除取设计冻深截面外对这些强度较低的所有截面同样应进行验算基础受冻胀力作用过程中锚固底板和底梁受有与承载 力方向相反的弯矩及剪力同样要进行强度验算在冻胀力作用下柱与底板梁连接处拉力最大故应进行此截面的强度验算跨年度施工的工程有时基础施工后上部结构没有完成施工或仅完成一部分而进入冬季停工期在这种情况下基础可能由于上部荷载比设计荷载小而被冻拔因此冬季应采取临时抗冻拔措施 水工金属结构一般规定本条是对负温下挡水或操作的事故闸门和工作闸门的门叶结构起吊拉杆自动挂脱梁和锁锭梁的制造材料的基本要求下面提供一些选用方法供参考其中为设置地点的日平均最低气温时宜用平炉碳素结构钢制造其采用板厚时宜采用普通低合金钢制造其采用板厚时宜采用低温压力容器钢制造其采用板厚时宜采用低温压力容器钢制造其采用板厚上述制造材料除应保证机械性能和化学成分外还应保证上述相应温度下的冲击功当在温度下操作时门叶吊耳节间连接板起吊拉杆自动挂脱梁和锁锭梁其低温动载系数焊接产生的残余应力在低温下易引起焊缝热影响区的脆性裂纹故应采用保证结构中残余应力最小的焊接工艺并应采取消除残余应力的措施闸门止水橡皮八项指标中强调在或更低温度下工作时保证物理机械性中不发生冻裂或硬化现象严寒地区液压机油可采用变压器油航空飞机油或其他压力油加防冻剂但气温回升到时应保证油质满足使用要求 闸门利用不冻水域把冰盖和门叶隔开防止静冰压力作用在闸门上的方法有射流法吹泡法和保温法门叶和埋件采取防冰冻措施使闸门具有开启与关闭的条件其方法为热空气法热水法和热油法设采暖的闸门室是为了防止闸门井内结冰盖将快速闸门的拉杆冻住造成闸门不能快速下降关闭孔口设置启闭机室的目的是使启门机能在冬季启闭防止电气设备结霜或结露浮动闸门在水库易被冰盖压坏或内部充水结冰当库冰已化时门内冰难化故不宜采用舌瓣闸门排冰最佳带舌瓣闸门排冰次之上升式闸门只能全开排冰不能局部开启排冰下沉式闸门和双层闸门排冰发生事故太多故不宜采用舌瓣闸门冬季排冰埋件加热可使闸门开关自如起吊钢线绳浸入水中易被冰块剪断故规定须使用拉杆闸门上下同时过冰时易使闸门产生振动造成破坏且排冰效果差又不省水为防止充水的通气孔被冰冻死门窗应能双向开合以免影响通气孔进排气钢材具有低温脆性起吊拉杆和自动挂脱梁如果在严寒气温中存放一旦工作加载便易发生脆性破坏室内试验和实践表明焊件开裂多在焊缝应力集中区采取结构措施可减少应力集中点使其具备必须的抗裂性能在严寒气温条件下门叶结构上的安装孔和漏水孔对接或搭接补焊是十分危险的因为在应力集中点上再次补焊又增加了焊接残余应力会引起脆性破坏主轮幅也不宜开孔在严寒气温下人工用锤击除冰使结构产生集中的振动荷载这是脆性破坏的触发因素因此可用热风热水化冰 禁止用蒸汽化冰本条中的加热功率是按下述方法得出的定时加热情况单位化冰质量为式中单位面积化冰质量冰的密度可取化冰厚度可取融化单位质量的冰所需的热量为式中融化单位质量的冰所需的热量冰的比热容可取冰的融化温度可取日平均最低气温冰的水化热可取埋件化冰所需的全部热量为式中埋件化冰所需的全部热量钢埋件加热面积有效系数可取加热功率为式中埋件化冰所需的热功率化冰加热时间连续加热情况空气中埋件所需加热功率为式中通过钢板向冷空气中的传热系数可取 空气中钢埋件加热温度可取空气中钢埋件加热面积水中埋件加热所需功率为式中通过钢板向静水中的传热系数可取水中钢埋件加热温度可取水中钢埋件的加热面积过冷水温度可取加热所需总功率为根据我国引滦工程经验并参照国外工程而确定的根据我国参窝水库经验并参照国外工程实践确定采用参窝水库的喷嘴形式其目的在于防止钢闸门的腐蚀本条系根据黑龙江省黑河市卧牛河水库的实践观测和试验资料提出的当地最低气温为最大冰厚为左右拦污栅固定式拦污栅一旦被冰堵塞必须停水露顶式拦污栅在负温下极易过冷一碰到冰凌冰凌与栅条冻结在一起拦污栅易被冰凌堵死电热拦污栅均因运行效果太差而被淘汰把耙斗式清冰机配套下电热拦污栅运行较为理想栅条水热或油热的拦污栅与电热拦污栅由于回路复杂运行不便且效果差故不宜采用回转栅式清污排冰机既可清污又可排冰这是目前最好的清污排冰机械设备之一人工或机械水中清冰时拦污栅需要倾斜布置水深超过时人工水中清冰困难 潜孔拦污栅上游设置胸墙可以形成加热保温条件拦污栅在水中其顶部被冰盖冻住时栅条极易过冷而结冰堵塞设主副两道拦污栅对于冬季人工水上清冰十分方便主栅经常工作一旦发生冰堵动水中放下副栅后提起主栅清冰再把清冰后的主栅在动水中放下后提起副栅可以避免停机 附录中国主要河流冰情特征本条所列的表和图至图系根据水利水电工程水文计算规范提出的水库冰厚与当地的冬季气温水库大小和调节性能水深和所处的环境等条件有关因此有条件时应根据与拟建水库类似的工程实际观测资料确定本条中所列的冰厚计算公式系根据国内实际观测资料统计提出的 附录土的冻结深度的确定设计冻深计冻深是指工程地点自地面算起的土的冻结深度是决定地表冻胀量基础埋深的基本指标之一对于倾斜表面它是指与坡面成法向方向的冻深值大量的研究成果和实测资料表明影响地表和结构各部位冻深的主要因素有地下水埋深表面接受的日照和遮荫程度表面积雪和基土土质等其中表面积雪由于积雪厚度的年际变化较大同时积雪的影响不仅与厚度有关还与积雪的时间有关这几个指标在我国北方地区的自然状态下都难于确定因此为安全起见设计冻深的计算中未考虑积雪对冻深的减小作用为了使设计冻深能保证一定等级的建筑物所必须有的安全度在标准冻深值的基础上考虑了冻深年际变化的修正对不同等级的建筑物确定了年际频率修正系数基于以上所说的理由在附录式中引入了年际频率模比地下水影响和考虑日照及遮荫程度等三项修正系数根据吉林省水利科学研究所的研究冻深年际频率分布符合高斯正态曲线关于冻深设计频率的选取研究成果很少国内外一般取用考虑到大中型工程应有较高的安全度规定对级建筑物取用土的冻结深度与日照条件和遮荫程度密切相关实践表明工程各部位受到的日照及遮荫程度不仅随工程地点的地理纬度海拔高度地形条件而变化而且随工程走向和断面形式的不同也有很大的差异国内一些单位曾提出考虑日照和遮荫程度的冻深修正系数水利部西北水利科学研究所和陕西省气象局在我国冻土区内选取了个主要气象台站的年系列气象资料并根据各台站所在的地理位置对不同走向和断面形式的渠 道各部位的值进行了计算通过对获得的个值进行相关分析得出了确定值的简便取值方法及所需的图表同时得出相对误差小于其精度可满足工程设计要求本规范采用了该研究成果由于所得成果是按平原渠道计算的故渠道两岸高差较大或建筑物上部结构有遮荫作用时应考虑额外的遮荫影响地下水对冻结区的水分补给对冻深的发展起阻滞作用地下水位愈高这种作用愈大我国东北和西北水利科学院所均对此作了研究并提出了相应的地下水位对冻深的影响系数或关系式而且相互间比较接近由于本规范规定赖以计算设计冻深的标准冻深取邻近气象台站观测资料的多年平均统计值而气象台站场地的地下水位又影响本身的冻深值因此在确定工程地点的地下水位影响系数时还考虑了邻近气象台站的地下水位对冻深的影响基础设计冻深在同等条件下混凝土浆砌石和干砌石的导热率大于常态下的土故这些材料的基础板的冻深较原状土有所增加本条中的值系根据实践经验确定的建筑物基础板厚度不含反滤层系指与计算点相应平面以下的基础板厚度 附录土的冻胀量的确定地表冻胀量是确定土的冻胀性等级冻胀力大小基础下地基土冻胀量等的基本依据因而是抗冻胀设计所需的一个主要参数由于土的冻结和冻胀十分复杂冻胀量是多种因素的随机变量迄今为止的多种确定冻胀量的理论算法和经验公式都存在一定的误差因此对级建筑物要求尽可能通过现场测试确定冻胀量但是现场实测需较长的观测周期影响冻胀各主导因素的实际变化也难于控制并且在同一建筑物轮廓线的不同部位冻胀条件和冻胀量都有很大差异难于在工程建成前的现场实测中予以模拟因此本条规定了在无条件实测时可按计算方法确定地表冻胀量大量的试验研究成果表明当地基土在季节冻结层厚度内以下同的土质一定时环境温度水分条件地基土所受外荷载强度和地基土密度是制约冻胀的主导因素地表冻胀量的定量确定一直是水工建筑物抗冰冻设计迫切需要而且又是目前的理论方法和室内实验方法难于直接解决的难题从年代以来我国东北西北和华北各省区有关单位进行了大量的现场观测与分析研究工作取得了大量的数据并提出了多种计算方法但是正如前面所说由于冻胀复杂性和所依据的资料局限性等多种原因现有的计算方法均有一定误差而且各公式计算结果之间往往差别较大因此从便于工程实用出发并考虑必要的安全度在综合分析国内已有实测资料和计算方法的基础上绘制出地表冻胀量与设计冻深和地下水位之间的关系图和图实际工程表明砂性土未观测到大于者但因观 测资料少因此对地下水位距地表的深度为和时的地表冻胀量关系曲线右半部取水平线当基础埋深小于基础设计冻深时基础下将会有一定厚度的土层冻结因此需要确定这部分地基土的冻胀量值用以验算抗冻胀稳定性大量的国内外实验资料表明外荷载对地基土的冻胀有明显的抑制作用根据黑龙江省水利科学研究所通过余组不同量级的荷载与不同密度土体的室内外冻胀试验和中科院兰州冻土研究所甘肃省水利科学研究所辽宁省水利水电科学研究所等单位的同类试验成果以及国外如日本的资料得出外荷载对冻胀的抑制作用呈负指数规律即本条中的式式中的是与地基土平均干密度有关的系数即本条中的式对冻胀量沿冻深的分布作了线性简化从安全角度出发式中未考虑建筑物基础周侧与地基土的冻结影响 附录冰压力计算动冰压力冰运动时对宽长建筑物前缘如坝上游面的作用力与冰块的抗压强度厚度平面尺寸和运动速度有关由于这些条件不同冰块碰到建筑物时可能发生破碎也可能只有撞击而不破碎根据冰块运动对大坝作用的一般情况本条采用了后一种和按功能转换原理得出的计算方法其中冰厚的取值是根据国内有关观测资料提出的冰的抗压强度与其温度结构含盐量以及受力方向等条件有关因而往往相差很大所以冰的强度设计值要求通过试验确定在难于取得实际资料的情况下有关国家和单位提出了冰的抗压强度取值例如加拿大和美国采用融解温度下的冰块为融解温度下的大块坚冰为整体运动的大坚冰原苏联年版中提出了冰的抗压强度与气温的关系表并说明水库和湖泊以及南部一些河流的流冰期允许采用流冰初期允许采用国内现有有关规范多采用国外取值齐齐哈尔铁路局冰压力试验研究组所作的现场试验得出春季低水位流冰初期的抗压强度平均为高水位流冰时为牙克石林业设计院提出流冰初期为后期高水位时为从上述可见冰的抗压强度取值相差较大事实上开始流冰时气温已远高于例如根据约年的资料统计黑龙江的呼玛站和松花江的哈尔滨和富锦站解冻日期分别为月日月日和月日与相应日平均气温达到的日期月日月日和月日接近在这种情况下冰的结构较弱温度基本处于根据这种情况并分析上列各种取值和有关试验资料提出本条中在无试验资料情况下的冰的抗压强 度取值国内外对冰块运动作用在墩柱上冰压力均考虑撞击和切入两种情况两种情况的计算结果相差较大由于实际上不大可能出现较大值故按两种情况计算取其小值冰的抗挤压强度是墩柱阻挡大冰块情况下楔入冰层内使之达到破坏时的冰极限强度因此它比单轴抗压强度值大前苏联规范中采用一个与结构物宽度对冰厚的比值有关的增强系数并规定南部河流冰的抗挤压强度在流冰期不大于流冰初期不大于加拿大和美国亦同样引入一个与结构物宽度对冰厚的比值有关的裂痕系数从数值变化上看与原苏联规范的增强系数大致相当国内齐齐哈尔铁路局的试验则提出一个局部受压增大系数但在计算冰压力时又引入了一个局部受压强度减弱系数根据上述情况和对现有公式的计算比较以及前述流冰期的温度条件确定本条中的提出的抗压强度值静冰压力东北院水科所根据对东北座水库的观测资料和国外已有的研究成果提出了静冰压力计算方法此后在东北地区个水库又进行了冰压力观测其中黑龙江省胜利水库已有十年连续观测的资料通过实测值与计算值进行比较其最大误差为但由于该公式中的参数要通过观测调查等手段取得而给设计工作带来一定的困难故在原有计算方法的基础上根据东北和华北个水库的资料对气温水温冰厚和冰压力的关系作了进一步的分析提出表的取值位于水库中的进水塔一类的孤立墩柱结构当冰层膨胀时将产生前后不平衡的冰压力此时的冰压力取决于其挤压强度因此可按式计算 图中国河流稳定初冰期图日月出现冰情的最 图中国河流平均封冰日期图日月出现冰情的最 图中国河流平均解冻日期图日月出现冰情的最 图中国河流平均最大冰厚图单位米'