辽宁省平原水库护坡冻胀破坏分析.pdf

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2 2E月上科技创新与应用 0￣3 ( )I 1

辽宁省平原水库护坡冻胀破坏分析 王广慧李书博郭伟

(、宁省大石桥市水利建筑设计院，宁大石桥 15 0 2辽宁省水利水电科学研究院， 1辽辽 11 0、辽宁沈阳 10 0 ) 10 3 摘要：方寒区平原水库土坝护坡受冻胀、北冰压力、浪作用破坏问题十分突出，风而且坝体的不均匀冻胀进一步加剧了冰压力 和风浪对坝坡的破坏作用。结合辽宁省红旗水库坝坡除险加固和堤防治理，开展北方寒区平原水库护坡冻胀破坏分析，通过对普通混凝土面板和纤维混凝土面板以及不同垫层材料的坝坡进行 2的冻胀观测，析寒区平原水库土坝护坡破坏的原因，讨年分探季节性冻土地区减少土坝护坡冻胀破坏的措施。 关键词：平原水库；冻胀变形；坡护 1栅述

为解决我国平原地区淡水资源短缺问题，在东北和华北平原开发过程中，各地修建了大量的平原水库，并且拟建多座平原水库。我省已 经修建中型平原水库近 1座，些平原水库为工农业生产的发展和人 0这民生活的改善起到了非常重要的作用。根据对国内多座平原水库工程的调研，我国北方地区平原水库工程尚存在着一些急待解决的问题。我国北方地区多数平原水库存在着土坝护坡受冻胀、力、冰压风浪作用破坏的问题。由于平原水库库面大、吹程长、大，风速风浪作用是造成各种形式的护坡大面积破坏的直接原因；冰压力将护坡推移造成局部破坏是造成风浪作用下大面积破坏的先导；坝体的不均匀冻胀加剧了冰压力和风浪对护坡的破坏作用闻我省建成的近十座中型平原水库经多年。运用实践表明同样存在着上述问题。据多年工程实践资料分析平原水库护坡工程投资要占土坝工程总投资 50以上，所以平原水库护坡工 0o/程方案的选择与确定历来是平原水库工程设计和施工的关键问题之 绕阳河干流红旗水库位于辽宁省盘锦市盘山县境内，绕阳河沟海铁路桥上游 1i处，以灌溉为主的河道型平原水库。 k n是红旗水库由泄洪闸 ( L、闸、孔闸 )水土坝、、库堤、深孑闸新建浅、挡左右岸 4座入库泵站、 5 座出库泵站组成。拦河闸闸孑总数 4孑， L 9 L挡水土坝全长 13m红旗水 60。库左岸库堤回

水长度 7 1m, . k堤顶宽度 6 m,高程 9 29 6。右 8 .堤顶 0 .—. m 5 8岸库堤回水长度 6 3m, . k堤顶度宽 6 m, 3 .堤顶高程 91-A m 0 . 96。 2绕阳河流域属季风大陆洼气候，干旱多风，季炎热多雨，春季夏冬季寒冷少雨，流域多年平均降水量 40. 0 m年际间分配极不均匀， 5- 5 m, - 6 措施：

丰水年最大为 9 8 m,年最小为 29。年内分配主要集中在汛 2m枯水 6mm期，占全年的 7 0,∞,左右多年平均蒸发量 15 - 10 m 60- 0 m。流域内多年平 2均气温 8℃左右，高达 3℃,最 9最低为 _2 3℃。流域内春夏季多西南风，冬季多西北风。最大风速可达 2 ./ 5 ms 7。绕阳河于流红旗水库库区段堤防在汛期抵御洪水、非汛期蓄水灌溉，其防护设计既要考虑行洪时的水流冲刷，又要考虑蓄水后风浪对堤身的冲刷。红旗水库现有库区段堤防 20年填筑完成， 01经蓄水运行，岸坡存在着较严重的冲刷和破坏。2 0年开始对红旗水库库区段堤防 06 6 3m进行综合治理，坡型式有干砌石护坡、护坡、土板护 .k 3护模袋混凝坡、双绞格网护坡、联锁砖护坡等。在工程实施过程中，重点对堤坡不同垫层的铺设、不同护坡材料的混凝土面板护坡进行观测分析，研究冻胀变形与面板材料之间的变化规律。混凝土板护坡试验段具体布置如下： () 1混凝土板厚 lO m, Om混凝土垫层 5r砂砾石垫层 5r。() 0 m, a 0 m 2纤维 a混凝土板厚 lO m,土垫层 5r砂砾石垫层 5 r。() Om混凝 0 m, a 0 m 3土工格 a室混凝土板厚 lO m,P保温板 lO m, Om E S O m土工织物 40/ 4土工 0g。() m格室混凝土板厚 lO Omm,混凝土垫层 5 r, 0 m砂砾石垫层 5r a 0 m。 a 2冻胀观测设备布置 红旗水库试验段对混凝土板护坡的 4种类型采用独立式冻胀仪。 其构造是把‘ 8固钢筋与底座铁板焊接，上直径 5 r,节长度 p锚 1套 0 m每 a为 2e 0m的硬质塑料管。在塑料管和钢筋之问充填黄油，防止土壤和钢筋冻结在一起影响观测精度。钢筋长度应大于冻深 3c并露出地面 0m, 2, 0m, 0. c观测时用钢板尺或卡尺直接量测冻胀仪塑料管顶部与锚固杆 - 4端距离，经计算即得该

历时总的冻胀量。红旗水库护坡工程的冻胀破坏

孔而言其进浆量较大，中间孔相对于内坡孔，其进浆量的递减率为 4%,坡孔和中间孑的进浆量都比较小，孑和中间孔两者之间 1外 L外坡 L进浆量差别不太明显，外坡孔相对于中间孑进浆量的递减率为 L 1瞎。渠堤灌浆的进浆量符合前面所分析的湿陷性黄土在渗漏水的 1作用下发生沉陷，渠堤土方不密实条件下劈裂灌浆钻孔进浆状况。 由于灌浆施工中严格按照施工技术规范的要求去操作，得该填方使段渠道防渗灌浆效果较好。 3 .浆效果检验 2灌该填方段渠道灌浆施工结束后，渠道外坡再未发现洇湿现象，也 0M a . P范围内， 3中间排的压力增大，将会使中间排的浆脉向两边排说明采用劈裂灌浆进行渠道防渗加固效果明显。 的浆脉中渗透，同时也可能会引起渠道的破坏，在灌浆的过程中随未出现新裂缝，时观察渠堤土体变化情况，发生冒浆现象应及时处理。若 在灌浆全部结束后的当年 1份 f道停止输水 )该段渠道 0月渠，对原 2 .浆液密度的控制。在渠堤劈开阶段浆液的密度控制在 不同部位分别挖探坑进行检查。检查结果 f渠堤土颜色为土黄色， .3 3 1~ ./m ( . 1 g s浆液较稀)待灌浆构筑防渗阶段， 3 4c,浆液的密度控制在水泥土颜色为灰黑色)如下：①在渠道原有裂缝的地方浆脉分布多， 沿浆 1~ ./m(液较稠 )在灌浆过程中，意监测灌浆压力，设计要 所形成的浆脉较宽，渠堤轴线延伸较远，脉较规则且稳定性好。 . 1g 3 4 5c浆。注按求和施工实际情况，格控制浆液由稀到浓或者由稠到稀的转化。②在渠道渗漏量大的薄弱环节，严 浆脉的分布多，进浆量也比较大。③离如果连续灌注十几分钟或者更长的时间 '口仍不起压，换较稠在越接近灌浆孔的地方浆脉分布越多，灌浆孔远的位置浆脉分布孑 L可变的膏状浆液或者采用间歇灌注，间歇时间不能太长，防止灌浆管少。④在灌浆孑中间部位，但以 L各灌浆孔的浆脉能互相作用，形成了纵横堵塞；时向周围观察寻找是否有跑浆、 L地方，有要尽快堵 交错的网状结构。同串孑的若 塞。 3灌浆施工作业分析 . 3 2 .束标准。

. 4结 3渠堤在 0 MP (边排孔 ) 0 M a中间排孑 ) . a 2两或 . P( 3 L 通过灌浆监测数据和检验结果分析，得出如下规律：①灌浆压力裂缝在压的压力下，浆液的进浆量为零，在 1mi,浆压力不再降的衰减过程与裂缝的宽度有关，越宽衰减过程越小，力为定浓同时 5 n内灌低，作为结束标准，止灌浆。可停 值情况下，布孑的间距可以大一些。②灌浆压力的衰减过程与灌浆 L 2. . 5封孑。 3 L灌浆管拔起后，将会从灌浆孑向外冒浆， L这时用准备灌浆压力和浆液的扩散半径有关。③为了防止渠道混凝土板被顶起好的黏土块迅速镶入灌浆孔内进行封堵。 造成 2次破坏，并且使相邻两孔的浆液能相互作用，应控制好灌浆压 3灌浆效果分析力和布孔的间距。④灌浆时应控制好浆液的浓度，浆液的浓度将直 31灌浆成果 .接影响浆液在土体中的扩散半径，浆液越浓其扩散半径就越小，注浆在水灌区第 5渠 2+ 0—3 10填方段渠道的加固中，造压力衰减的就越快。在灌浆压力不变的情况下，液的浓度越大，干 2402+0共浆布孔 10个， 4 1造孔深度共为 7 2 m 26。从进浆量来看，渠堤有裂缝的地方孔的间距相应要减小一些。从效果检测情况来看本次灌浆施工在渠进浆量比较大，地方的进浆量达到 1 m/渠堤内坡孔的平均堤布孔、有些 . 3 3 m.浆液稠度和灌浆压力控制等方面设计合理，灌浆结果符合进浆量为 03m/, .￣中间孔的平均进浆量为 01m/,堤外坡孑的劈裂灌浆使浆脉形成纵横交错的网状结构的要求， 2 m . 3渠 9 m L达到预期效果。 平均进浆量为 01m/。以看出，堤内坡孑相对于中间孑和外坡 .7 S可 m渠 L L 2 .灌浆过程中，先对渠堤内外边坡的 2孑进行灌浆， . 1在 3首排 L 最后灌渠堤中间的 1孑；每 1孔中采取两两间隔的办法，排 L在排并控制好灌浆压力。 2 .浆压力控制 .浆压力以孑口进浆压力为标准，L . 2灌 3灌 L孑口压 力控制在 0I . P,劈压力和灌浆压力都不能大于 03 a压力 .~3 a M起 . MP,过大会把渠道的混凝土板顶起，成渠道的 2次破坏，边排的孔造两口压力控制在 0102 a围内，中间排

的孔口压力控制在 01 .~ . MP范 .~ — .

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主要反映在边坡上，因此冻胀仪器布置在各种型式护坡段的中间位导致护坡坍塌破坏。冰冻期，土坝护坡砌体受主动作用的外力主要是静置。 冰压力和土坝土体冻胀力。 据实际调查与分析研究，多遭受冻害破坏的土坝护坡，滑安许其抗全系数 K均满足于抗冰推力的要求，力并非冻害发生的主要因素。冰推 冻害发生的内在根源在于土坝坝体冻胀力，而护坡质量是冻害发生的外部因素，护坡质量主要表现在设计结构、施工质量、管理等方面。设计上未充分考虑防治冻胀的要求，季节性冻土地区的土坝护坡，从处在应防护坝体冻胀的角度来考虑护坡和垫层的厚度，而许多土坝护坡设计上未考虑这一点，或是垫层厚度不够，以至使护坡遭到破坏。 4 . 2冰推破坏作用北方冬季天气寒冷，水库冰盖产生沿坝坡向上爬升的现象，这种爬升经过观测有时 l就达 1e严重时 l达几十 c一个冬季爬升可达 d 2m, d m, 23。￣m这是因为冰体与其它物体一样有热胀冷缩的屙 h受阳光照射便 -生，膨胀，夜间温度降低就收缩。以在冬季夜间便可听到水库内有清脆的所撕裂声，即为冰盖收缩时产生裂缝时发出的声音。冰盖裂缝进水冻结后，又增加了冰盖的膨胀量，交替循环，如此膨胀量就逐渐增大，冰盖便 图 1冻胀器装置示意图 沿坝坡不断上爬，别是当冰盖与护坡冻结在一起时，破坏作用更为特其 3冻胀观测分析严重，能产生很大的静冰压力，冰盖瞬时静冰压力可达 45 lNe￣ -x0/, m所通过 2 0年一0 8 0 6 2 0年两年冬季的连续观测，冻胀观测结果见图 2以冰盖的推力能严重破坏护坡，~如不采取措施后果将不堪设想。 图3所示。 4 - 3风浪破坏作用平原水库一般水面开阔，浪吹程较远，风季风多及风速较高是坝坡 发生风浪险情的主要原因。风浪作用是护坡损坏的主要因素。大面积的损坏多是在风级较大的波浪淘刷作用下发生的，且多发生在库面吹程 长、深大的坝坡处；浪从风中获取能量，水波周期性的冲刷护坡面，遇若到护坡块石尺寸小、重量轻、被淘空、部塌陷、垫层局石块下滑后不能及 时修

复等隋况，损坏面积就会不断扩大。护坡 4 4施工质量问题 干砌石护坡的块石料径偏小，石砌筑没有做到“、、、,块紧密严平”起

图 22 0 06年~0 7冻胀变化曲线图 20年

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嚣±西∞ 图 32 0 0 7年~ 0 8冻胀变化曲线图 20年

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影响土冻胀的主要自因素有土壤、和温度，护坡的冻胀然水分水库除了取决于坡面的土质和水分外，还与坡面的朝向、砌材料和结构型衬式等有关。本工程冻胀观测试验资料是在相同的水文地质工程地质条件下，通过 2的连续观测取得的，年主要是研究平原水库护坡的不同材料、型式等对冻胀变形的适应性和抗冻胀能力。结构 护坡板块的大小不同，冻胀能力也不同，观测资料分析，其抗据小块混凝土板柔胜材料填缝，比大块混凝土板对冻胀变位的适应『强。生 ES P保温板是一种优良的隔热保温材料，每立方米体积内含有 3 060个独立密闭气泡，空气的体积为 9%以上， 0 -0万 -内含 8由于空气的热传导 艮，被封闭于泡沫塑料中而不能对流。彳小且又采用 E S温板 P保作为基底的保护层，可以明显的减小冻结和冻胀值，在外力作用下它具有一定的变形性，以减弱不均匀冻胀力对结构的作用，还可防止结构中集中应力的产生闭。 在水库坡面基土的冻胀性确定以后，护坡体是否发生基土冻胀破坏，主要决定于护坡体抵抗或适应基土冻胀变位的能力，响因素主其影要有以下几个方面：1护坡体的结构型式及混凝土强度， ()护坡体的结构型式整体胜强、度较高时，强在基土冻胀作用下，易发生断裂等结构不性破坏，抵抗冻胀的能力较大。 2护坡板分块大小。坡混凝土板分块 ()护较小，柔眭较好时，在基土冻胀的作用下，容易适应基土冻胀变形，而不发生混凝土板结构破坏。 4寒区护坡破坏原因分析经几年实地观测总结，导致寒区护坡破坏原因如下：)胀破坏作 (冻 1用；) (冰推破坏作用；) 2 (风浪破坏作用；)工质量问题；维护管理问 3 (施 4

拱、空、架凸凹不平，问相互不咬合，不紧的现象比较普遍。块石嵌砌 垫层都是使用天然反滤料，大多数都没有做颗粒分析试验，和

级配层间系数不能满足设计要求。施工中，厚度不均，次混杂等现象比较 层严重。 由于建库时施工机械少，紧，工期主要靠人工填筑加之对工程质量重视不够等原因，体碾压不均匀，对密度达不到设计要求，使坝相以致水库蓄水后，局部产生不均匀沉陷，成坝坡损坏。造 4 I 5维护管理问题 管理不善，修养护不及日。平时对护坡上的一些局部，面积的维寸小破坏发现得晚，抢修加固不及时以致在遭受较大风浪时发生大面积的崩塌和破坏。护坡下垫层被淘空有一个渐变过程，出现局部塌陷或块当石松动下滑时，若能及时修复就不会使损坏继续发展。因此，早发现 及和修复损坏部位是十分重要的。否则，在风浪、及人为的损坏下，冻胀有可能发生大面积的毁坏。 5结语辽宁省地区为季节性冻土区，水库坝体防护体破坏主要表现在土体冬季冻胀使表面护坡体发生局部隆起、变形、错位、裂，防护结断影响构的整体陛。随着气温回升，砌体不会因土体冻胀量的减小而恢复护坡至原来位置，在春季大风的作用下，水流通过砌体缝隙对基础进行淘刷，底部将被掏空，护坡导致护坡坍塌破坏，失去防护作用目为使北方寒。区平原水库护坡免遭冻胀破坏，以防治土坝坝体冻胀为前提，应在工程设计上，应当把防治土坝坝体冻胀做为一项重要设计内容。一种方法是，坡面防护层下设置一定厚度的 E S温板，在 P保对土体起到隔水保温作用，减少土体冻胀量。另一种方法是，坝体的粘『填土料及防护层在生中间增加砂砾石垫层厚度，除坝体冻胀。层厚度根据当地冻土深 以消垫度、毛细管水上升高度及冻胀力来确定。 红旗水库坝坡冻胀原型观测时间较短，在原型观测设备方面、 资料分析方面还有待于今后进一步提高研究水平，从理论上深入分析坝坡 冻胀变形的机理，好地为水利工程服务。更 参考文献

『王殿武，洋. 1]于本平原水库工程技术研究与实践f 1 M北京中国水利水 .: 电出版社 .0 4 20 .

【那文杰，安丽.区平原水库土坝护坡冻害防治技术 . 2 J袁寒岩土工程技术， 2 0( ) 0— 0. 094: 125 2 题。 1那文杰，滨.区水工建筑物 E S温板设计参数的选择l.江 3 I张寒 P保 J黑龙

1 4冻胀破坏作用 1水利科技，0 52: 8 20 ()5 . -北方寒区为季节性冻土地区，护坡冻害的主要表现过程为：土坝冰『孙晓明，少敏，达 .工程中保温板防冰冻设计『.土力学， 4]杜孔护坡 J岩] 冻期土坝护坡产生隆起和胀裂，整体洼受到破坏，砌体离位、间隙加大。 2 0 ( 1:9 - 0 . 0 8 1 )3 94 6这些隆起和胀裂的护坡砌体，在春季冰融而冻土尚未完全融化时，还不圈许景光，孟庆才，张喜坤。土坝护坡冻害的研究叨.东北水i水电， 0 f, l 2 0 0能完全恢复原位。此时遇春季大风浪作用时，将砌体下的反滤层淘空， ( )6 8 4:— .

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