凍脹土對土石壩護坡的破壞及防護措施

1、凍脹土對土石壩護坡的破壞及防護措施摘要：土石壩護坡是土石壩重要的組成部分，但寒冷地區(qū)的水庫土石壩護坡，冬季受凍脹土作用，普遍發(fā)生嚴(yán)重破壞.0尤其是水淺、壩長、庫區(qū)開闊的平原水庫的土石壩護坡遭受破壞更為突出。分析凍脹土的形成機理，以及凍脹土的特性。提出防護措施.1.1 關(guān)鍵詞：凍脹土，土石壩護坡，防護措施.凍脹土的特性與凍脹力凍脹特性凍土是指零攝氏度以下，并含有冰的各種巖石和土壤。一般可分為短時凍土（數(shù)小時/數(shù)日以至半月）/季節(jié)凍土（半月至數(shù)月）以及多年凍土（又稱永久凍土，指的是持續(xù)二年或二年以上的凍結(jié)不融的土層）。地球上多年凍土/季節(jié)凍土和短時凍土區(qū)的面積約占陸地面積的50%,其中，多年凍土面

2、積占陸地面積的25%。凍土是一種對溫度極為敏感的土體介質(zhì)，含有豐富的地下冰。因此，凍土具有流變性，其長期強度遠低于瞬時強度特征。正由于這些特征，在凍土區(qū)修筑工程構(gòu)筑物就必須面臨兩大危險：凍脹和融沉。隨著氣候變暖，凍土在不斷退化。寒土是指在0c或0c以下凍結(jié)，但不含冰的巖土。致密的巖體和干土在0c或0c以下時，既不含冰也不含水，稱為干寒土。巖石裂隙和土孔隙含有咸水或鹽水時僅在很低的負溫時才凍結(jié)，這種具有高于其凍結(jié)溫度的負溫、不含冰但含有未凍咸水或鹽水的巖土，稱為濕寒土。凍土和寒土統(tǒng)稱冷土。上述觀點為中國和俄羅斯的多數(shù)學(xué)者所采用。在北美則將低于0c的土，不管是否含冰，均稱為凍土。冬季凍結(jié)、夏季全部

3、融化的巖土為季節(jié)凍土；冬季凍結(jié)、僅在繼后的夏季不融化的巖土為隔年凍土；凍結(jié)時間達3年或3年以上的巖土為多年凍土。在寒冷地區(qū)，鋪筑高級路面的道路或砂石路面及其附屬構(gòu)造物、隧道、擋土墻、人行道和坡面等，由于土或巖石中產(chǎn)生的凍脹作用，常常使這些構(gòu)造遭受較大的破壞。土所產(chǎn)生的凍脹引起道路的凍害造成道路破損，因而影響車輛的通行，降低道路的使用壽命，稱之為凍脹土現(xiàn)象。凍土是一個復(fù)雜的多相和多成分體系，至少由氣相、固相、液相三相組成。非凍脹粘性土，地表平坦、裸露、城市之外的空曠場地中，不少于10年實測最大凍深的平均值，就是標(biāo)準(zhǔn)凍深。凍深是冬季時自地平面以下凍結(jié)的深度。非凍脹土是指非季節(jié)性凍土地區(qū)寒季被凍脹的

4、土。凍脹量是指凍結(jié)前后的地基表面的高低差值，大致等于地基產(chǎn)生霜柱的冰晶體厚度總和。在凍脹現(xiàn)象中，地下水對水分的補給起著重要的作用。初期含水量大的土比含水量小的土，一般來說，凍脹量也大。地下水位對地基產(chǎn)生的凍脹量有很大的影響。對顆粒較大的透水性較高的土，如果荷載作用力小到可以忽略不計時，凍脹量與距地下水位距離的平方成反比。同時，當(dāng)?shù)叵滤辉诖笥?米時，凍脹現(xiàn)象很小，或基本不發(fā)生凍脹現(xiàn)象。另外，接近地下水位的土質(zhì)條件，對是否產(chǎn)生凍脹也有很大的影響。土體凍脹變形基本特征值是凍脹量。凍脹量是土體凍結(jié)時引起地面的總上升量；分層凍脹量是某土層土體凍結(jié)時引起該土層垂直向上的位移變形值。還有一種常用的表明土體

5、凍脹變形的特征值，稱凍脹率或凍脹系數(shù)用（刀）表示，加x1（）0%式中：hi某凍2土體厚度!Zi時的凍脹增量值m,;Ahi=hi-HZfi某凍2土體厚度m；hi土體凍結(jié)到某深度!Z時某地點標(biāo)圖mH凍結(jié)刖的標(biāo)圖m。為了評價土體凍結(jié)時位移變形增大的程度將凍脹土分為四個等級：非凍脹性土凍脹系數(shù)1弱凍脹性土1<403凍脹性土3<t<6強凍脹土刀>6據(jù)野外觀測資料表明，季節(jié)凍結(jié)區(qū)土體凍脹量沿凍結(jié)深度的分布狀態(tài)是上大下小，地表層凍脹量最大，其凍脹率的最大值出現(xiàn)在1/3-2/3最大凍深的地方。土凍脹必須具備下列三個條件：一是，具備凍脹敏感性的土；二是，初始水分及外界水分（包括地下水、大

6、氣降水和人為活動引起的水）的供給；三是，適當(dāng)?shù)膬鼋Y(jié)條件和時間。當(dāng)人們采取措施去削弱其中的一個條件便可以抑制凍脹，達到防凍害的目的。土凍結(jié)過程中水分遷移和冰析作用是產(chǎn)生土體凍脹的直接因素。它們的強弱主要取決于土顆粒的大小、礦物成分、土中水分及補給來源、凍結(jié)條件、外荷作用以及交換鹽基等因素。1.2 凍脹力凍脹力是在土體發(fā)生凍脹時，在土體內(nèi)部由水相變成冰體積膨脹而產(chǎn)生的一種內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)土中含水量小于起始凍脹含水量時，水相變體積的膨脹主要用于填充土的孔隙，尚不能使土體增大，也即在宏觀上不表現(xiàn)凍脹。當(dāng)土中含水量大于起始含水量，尤其是有外界水源補充時，原駐水相變化產(chǎn)生的體積膨脹以及遷移水結(jié)冰占據(jù)了土體的部分

7、空間，從而引起土體膨脹。參與相變水的數(shù)量越多，土體積增加的越甚，凍脹量越大。如果這種體積膨脹受到約束，即產(chǎn)生凍脹力。為此凍脹和約束是產(chǎn)生凍脹力的兩個必要條件。建筑物的修建，將使地基的凍脹變形受到約束，使地基上的凍結(jié)條件發(fā)生變化，進而改變基礎(chǔ)周圍的溫度狀態(tài)，且將外部荷載傳遞到地基中，改變了地基土凍結(jié)時的約束力，地基土凍結(jié)時產(chǎn)生的凍脹力將反映在對建筑物的作用上，引起建筑物位移、變形。凍脹力是有方向、大小和作用點的。沿著基側(cè)周邊表面向上作用的凍脹力叫做切向凍脹力"；作用在基礎(chǔ)底面且垂直底面的凍脹力叫法向凍脹力；作用于基側(cè)且垂直于基側(cè)的凍脹力稱為水平凍脹力。2土石壩護坡的破壞形式2.1裂縫土

8、石壩裂縫一般是指土石壩防滲體（粘土心墻或粘土斜墻）內(nèi)出現(xiàn)裂縫，這是土石壩常見隱患。由于裂縫的出現(xiàn)，使水庫效益不能充分發(fā)揮，甚至使整個壩體潰決，造成嚴(yán)重災(zāi)害。2.2隆起護坡在凍脹和冰的作用下隆起。1.3 凍脹破壞由于護坡基土采用凍脹性粘土，填筑土的壓實密度通常較低，或迎水坡沒有防凍保護層或其厚度不夠（即護坡和反濾、墊層總厚度小于凍深），或護坡的自重輕，連續(xù)性和整體性較差，剛度、強度低，又有水分的充分補給，故在負溫時產(chǎn)生凍脹，尤其在冰面上以2m范圍內(nèi)凍脹更大（常稱為主凍脹帶）,壩面不均勻凍脹使護坡發(fā)生隆起，拱翹（架空）、脹裂、錯位，砌體間隙加大。1.4 冰壓力破壞當(dāng)冰壓力和冰與壩坡面之間的凍結(jié)力大

9、于壩坡抗冰推強度時，冰壓力將護坡推起，稱為冰推。這是寒冷（季節(jié)凍土）地區(qū)護坡冰害較突出的問題。3.1 .防治措施破冰破冰，防止冰壓力破壞護坡。3.2 塑料薄膜引滑3.3 薄膜鋪設(shè)方法是一種利用塑料薄膜的物理學(xué)性質(zhì)：表面光滑、不透水、與冰不凍結(jié)，具有一定的柔性，從而使壩坡和冰體之間完全分開，在氣溫變化冰體膨脹時，減小其形變所受的阻力，因勢引冰上滑，冰體膨脹時，使冰蓋膨脹所蓄積的機械能，轉(zhuǎn)化為水體位移作功，使冰蓋層成為自由面，削減直接作用于壩坡上的冰壓力，避免壩坡不被破壞，加熱法在建筑物的基礎(chǔ)底部或四周設(shè)置隔熱層，增大熱阻，以推遲地基上的凍結(jié)，提高土溫，減少凍結(jié)深度，進而起到防凍脹作用。3.4 機

10、械法架空篩網(wǎng)消能、架空揚水站，兩側(cè)不填土墻和U型槽。3.5 調(diào)節(jié)水位法3.6 為降低地下水位和排除基礎(chǔ)周圍的水，可在基礎(chǔ)兩側(cè)（或底部）填礫石料并與基礎(chǔ)外排水溝或無壓排水管路相連接；換填法用粗砂、礫石、煤渣、礦渣、石灰渣等非凍脹性材料，置換凍脹性土，以消除或基本消除凍脹。3.7 拋石護坡加大外荷壓力使護坡抵御凍脹。3.8 干砌石使用干砌石技術(shù)增強護坡的整體性以抵抗冰壓力。3.9 混凝土護坡增強護坡的整體性以抵抗冰壓力、冰拔、冰拉及動冰撞擊。3.10 土木織物膜袋防護坡缺少砂礫石的地區(qū)，可采用土工織物代替砂礫石的反濾、墊層，兼做防凍層。4 .結(jié)論護坡是土石壩外部結(jié)構(gòu)的重要組成部分，它的主要作用是保護壩體免受波浪淘刷、順坡水流沖刷、漂浮物危害，以及防止壩體受到雨水、大風(fēng)、尾水部位的風(fēng)浪、冰層和水流的損害及動物、凍脹干裂因素的破壞作用。但是在寒冷地區(qū)土石壩護坡遭受凍脹土破壞普遍而嚴(yán)重。所以深入分析凍月±的形成機理，制定護