水工建筑物出现冻害的原因与防范策略

　　寒冷地区建设的水工建筑存在特别普遍的冻害现象，就黑龙江省而言，很多灌区特别是涝区，因为地基土大部分是黑色和黄色的粉质土壤，其具有较高的地下水位，土壤冻前饱含水分，一旦受冻的膨胀性较大，所以大部分中小型水工建筑存在冻害情况。无论是砖木结构，还是钢筋混凝土结构；无论是现浇式，还是预制式的闸、涵、桥等建筑都会出现冻害。因为冻害破坏，为工程建设、工程管理、工程效益、工程维修等环节造成严重危害。

　　1水工建筑物出现冻害的原因

　　1.1冻胀力

　　混凝土或者地基土受低温影响而冻结时，其含有的水份凝结成冰，冰将没有结冻的水份在冻结锋面上聚集起来形成冰晶体，其体积不断增加而产生的作用力就是冻胀力，此力对建筑物有不同的作用方向，通常包括竖向、水平方向和切向的冻胀力。冻胀力损害水工建设物，让混凝土和基础土的结构出现变化，削弱建筑物强度。

　　第一，竖向冻胀力。混凝土冻胀过程中会受到地基的制约而产生作用于混凝土底面的垂直向上的力。当基础土属于冻胀性土壤或者基础埋置深度较设计冻深少时，就会产生竖向冻胀力。第二，水平方向冻胀力。中小型水工建筑物基础侧面或者挡土墙后的土冻胀，在基础侧面或墙上就会出现水平作用的力，其力度大小与墙后填土冻胀的数值呈现出正比例关系。第三，切向冻胀力。中小型水工建筑物桥墩、物桩基础周围出现土壤冻胀情况时，因为受到基础约束而产生作用于基础侧面的向上力。基土与基础之间存在的冰结力是传逆、形成冻胀力的有效平台。

　　1.2冰压力

　　中小型水工建筑所具有的冰压力，基本分为静冰压力与动冰压力两种。动冰压力就是水工建筑遭受流冰冲击，会导致建筑物受到剪切、挤押等破坏。静冰压力是冰层温生膨胀出现的压力，冰层受到温度上升的影响而产生强烈爬坡，混凝土板被凝结于一处，由于冰盖上爬而长高，导致混凝土弯曲、断裂等损害。

　　1.3蠕动变形

　　水工建筑的地基土在气温到达零下时，冻土冰体会出现变形情况，其体积逐步减少，所出现的压力会导致冰点的下降，进而冻土会出现融化流动的情况。

　　1.4冻融

　　负温下结冻而升温后融化就称之为“冻融”.冻融的反复循环，能破坏水工建筑物，尤其是位于水位变化区域内的混凝土表面，当冻结时其体积会膨胀，而融化时冰变成液体流到混凝土外，原来的形态则难以恢复，降低了混凝土应有的弹性，造成钢筋的容蚀与外露现象，进而提高冻胀的损伤，并导致恶性循环。

　　2水工建筑物防治冻害的策略

　　2.1勘探环节防控冻害的措施

　　中小型水工建筑物既要进行常规勘测，要全面认识工程处于地下埋深以及排泄与补给的相关条件，包括：

　　（1）土壤的系数、导热性、含水量、粒径、种类等；（2）日均温度、年均温度、最冷月份温度等；（3）冻土情况、冰情资料等具有抗冰冻功能的材料。上述数据为建设与维护水工建筑物设计实施抗水冻策略提供基础性依据。

　　2.2设计环节防控冻害的措施

　　第一，换回填土。按照遮阴水平、日照条件、建设级别等条件计算并确定土壤冻胀量、基础冻深、设计深度。设计过程中，要考虑到回填土、基础换土对冻胀力和基础深度的降低因素。

　　I级到V级置换冻胀地基时，要选择非冻胀性土壤，就是不超过0.05mm颗粒含量根据质量比一定要低于质量总数的6%,原状土壤与置换材料间要安放过滤层，并设计出性能优秀的排水条件。如将置换物投影轮廓线向外移动0.5m,其冻胀力就可以降低80%到85%,置换深度通常达到冻深的70%到80%.

　　第二，排水。当水工建筑物土壤含水量高于冻胀起始含水量时，应该排出多余水份，并运用恰当方法控制地下水或地表水渗入土壤中，如挡土墙在符合渗径要求的基本条件下，要在相应位置设计出排水孔。渠道线路要设计成高线以避免地下水带来的损伤，要在沟渠旁边栽植杨树、柳树，以发挥出生物排水的功效。

　　第三，保温策略。水保温方式：在物质中水具有最强大的热容量，水结冰时释放出的潜热能可以降低冻深。据实际经验，2米的冰土相当于1米的冰层。农业库堤河水工施工项目要求建设43米长的倒虹吸混凝土方涵，其上为了避免冻结锋面直到底部设计出1.4米的回填土层，回填中要选择填水性良好的砂粒，让沟道水和回填层间设计的虹吸管中间隔一定距离的水层，进而降低载吸管中水面结冰的厚度。运用稻草添堵进出水，确保虹吸管在第二年春季可以顺利过水。

　　另外要铺设保温材料，中小型水工建筑物应该选择泡沫珍珠岩或者聚乙烯塑料板为保温材料，当冻胀性土级不超过Ⅱ级时，可以采取双向铺设的方法，其厚度要达到冻深的6.6%到10%.

　　第四，隔离措施。中小型水工建筑物外壁，在冻深范围的设计时，隔水层是2mm的沥青憎水材料，挡土墙背后要集中保持光滑，运用水泥砂浆将挡土墙背侧抹平，尽量降低基础外壁和地基土间的冻结力，就算地基出现冻胀情况也能够维持建筑物的稳定性。

　　第五，合理的结构形式。根据水工建筑物所体现出的受力特点，选择降低冻土和建筑物接触面积、以及基础单元刚度等布局和结构。易冲建筑物拥有的桩基础部分：水工项目区内桥梁、渡槽结构选择钢筋混凝土来制作桩基础，此基础降低坑土挖掘的数量，提高施工效率，同时也不会由于基础冻胀而破坏建筑物的稳定性。扩大式墙基础：此基础通常应用于田间桥梁及节制闸出水口墙，其结构是钢筋混凝土板，能够妥善运用冻胀作用力，将切身冻胀力予以抵消，进而降低或避免冻胀变形。一字水闸结构：此结构出口和进口的翼墙和段底板选择他隔离式，不但能够减少基础性土方的挖掘数量，也能降低冻胀而提高建筑物寿命。

　　第六，施工环节防控冻害的措施。当昼夜室外平均温度在3℃以下时，要停止重要工程的混凝土，即使实施也要采取相应的保温技术；对于具有抗磨抗冲要求或者受冻严重的部位，处于严寒地区的水工建筑要严格根据标准与规范进行钢筋浆保护的施工；如果在雨季进行土方工程的施工，要对土料的含水量进行科学控制；选择非冻胀材料填充地基时，其粒径要低于0.06毫米，其质量不得高于总质量的6%,并对回填填料的密度进行严格控制。

　　2.3运行管理环节防控冻害的措施

　　中小型水工建筑物运行时，要重视对其进行管理，定期作系统检查，分析并掌握交融规律，对可能产生的冻害进行预测，运用防控、补救措施来消除、降低出现隐患的可能性，提高工程寿命和安全性。

　　3结束语

　　中小型水工建筑物出现地基土冻胀的因素包括水分、土质和负温。当水工建筑物出现冻害而产生的膨胀会破坏建筑物，影响其使用寿命与使用质量。所以细致分析出现冻害的原因，并具有针对性的制定防治冻害的策略是特别重要的。本文分析中小型水工建筑物出现冻害的原因包括冻胀力、冻融、蠕动变形、冰压力等，需要在勘察环节、设计环节、施工环节以及运行管理环节来解决问题，使其更好的防治冻害，以实现增强水工建筑物质量和寿命的目标。

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