冻胀土对土石坝护坡的破坏及防护措施

1、冻胀土对土石坝护坡的破坏及防护措施摘要：土石坝护坡是土石坝重要的组成部分，但寒冷地区的水库土石坝护坡，冬季受冻胀土作用，普遍发生严重破坏.0尤其是水浅、坝长、库区开阔的平原水库的土石坝护坡遭受破坏更为突出。分析冻胀土的形成机理，以及冻胀土的特性。提出防护措施.1.1 关键词：冻胀土，土石坝护坡，防护措施.冻胀土的特性与冻胀力冻胀特性冻土是指零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤。一般可分为短时冻土（数小时/数日以至半月）/季节冻土（半月至数月）以及多年冻土（又称永久冻土，指的是持续二年或二年以上的冻结不融的土层）。地球上多年冻土/季节冻土和短时冻土区的面积约占陆地面积的50%,其中，多年冻土面

2、积占陆地面积的25%。冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，含有丰富的地下冰。因此，冻土具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征。正由于这些特征，在冻土区修筑工程构筑物就必须面临两大危险：冻胀和融沉。随着气候变暖，冻土在不断退化。寒土是指在0c或0c以下冻结，但不含冰的岩土。致密的岩体和干土在0c或0c以下时，既不含冰也不含水，称为干寒土。岩石裂隙和土孔隙含有咸水或盐水时仅在很低的负温时才冻结，这种具有高于其冻结温度的负温、不含冰但含有未冻咸水或盐水的岩土，称为湿寒土。冻土和寒土统称冷土。上述观点为中国和俄罗斯的多数学者所采用。在北美则将低于0c的土，不管是否含冰，均称为冻土。冬季冻结、夏季全部

3、融化的岩土为季节冻土；冬季冻结、仅在继后的夏季不融化的岩土为隔年冻土；冻结时间达3年或3年以上的岩土为多年冻土。在寒冷地区，铺筑高级路面的道路或砂石路面及其附属构造物、隧道、挡土墙、人行道和坡面等，由于土或岩石中产生的冻胀作用，常常使这些构造遭受较大的破坏。土所产生的冻胀引起道路的冻害造成道路破损，因而影响车辆的通行，降低道路的使用寿命，称之为冻胀土现象。冻土是一个复杂的多相和多成分体系，至少由气相、固相、液相三相组成。非冻胀粘性土，地表平坦、裸露、城市之外的空旷场地中，不少于10年实测最大冻深的平均值，就是标准冻深。冻深是冬季时自地平面以下冻结的深度。非冻胀土是指非季节性冻土地区寒季被冻胀的

4、土。冻胀量是指冻结前后的地基表面的高低差值，大致等于地基产生霜柱的冰晶体厚度总和。在冻胀现象中，地下水对水分的补给起着重要的作用。初期含水量大的土比含水量小的土，一般来说，冻胀量也大。地下水位对地基产生的冻胀量有很大的影响。对颗粒较大的透水性较高的土，如果荷载作用力小到可以忽略不计时，冻胀量与距地下水位距离的平方成反比。同时，当地下水位在大于2米时，冻胀现象很小，或基本不发生冻胀现象。另外，接近地下水位的土质条件，对是否产生冻胀也有很大的影响。土体冻胀变形基本特征值是冻胀量。冻胀量是土体冻结时引起地面的总上升量；分层冻胀量是某土层土体冻结时引起该土层垂直向上的位移变形值。还有一种常用的表明土体

5、冻胀变形的特征值，称冻胀率或冻胀系数用（刀）表示，加x1（）0%式中：hi某冻2土体厚度!Zi时的冻胀增量值m,;Ahi=hi-HZfi某冻2土体厚度m；hi土体冻结到某深度!Z时某地点标图mH冻结刖的标图m。为了评价土体冻结时位移变形增大的程度将冻胀土分为四个等级：非冻胀性土冻胀系数1弱冻胀性土1<403冻胀性土3<t<6强冻胀土刀>6据野外观测资料表明，季节冻结区土体冻胀量沿冻结深度的分布状态是上大下小，地表层冻胀量最大，其冻胀率的最大值出现在1/3-2/3最大冻深的地方。土冻胀必须具备下列三个条件：一是，具备冻胀敏感性的土；二是，初始水分及外界水分（包括地下水、大

6、气降水和人为活动引起的水）的供给；三是，适当的冻结条件和时间。当人们采取措施去削弱其中的一个条件便可以抑制冻胀，达到防冻害的目的。土冻结过程中水分迁移和冰析作用是产生土体冻胀的直接因素。它们的强弱主要取决于土颗粒的大小、矿物成分、土中水分及补给来源、冻结条件、外荷作用以及交换盐基等因素。1.2 冻胀力冻胀力是在土体发生冻胀时，在土体内部由水相变成冰体积膨胀而产生的一种内应力。当土中含水量小于起始冻胀含水量时，水相变体积的膨胀主要用于填充土的孔隙，尚不能使土体增大，也即在宏观上不表现冻胀。当土中含水量大于起始含水量，尤其是有外界水源补充时，原驻水相变化产生的体积膨胀以及迁移水结冰占据了土体的部分

7、空间，从而引起土体膨胀。参与相变水的数量越多，土体积增加的越甚，冻胀量越大。如果这种体积膨胀受到约束，即产生冻胀力。为此冻胀和约束是产生冻胀力的两个必要条件。建筑物的修建，将使地基的冻胀变形受到约束，使地基上的冻结条件发生变化，进而改变基础周围的温度状态，且将外部荷载传递到地基中，改变了地基土冻结时的约束力，地基土冻结时产生的冻胀力将反映在对建筑物的作用上，引起建筑物位移、变形。冻胀力是有方向、大小和作用点的。沿着基侧周边表面向上作用的冻胀力叫做切向冻胀力"；作用在基础底面且垂直底面的冻胀力叫法向冻胀力；作用于基侧且垂直于基侧的冻胀力称为水平冻胀力。2土石坝护坡的破坏形式2.1裂缝土

8、石坝裂缝一般是指土石坝防渗体（粘土心墙或粘土斜墙）内出现裂缝，这是土石坝常见隐患。由于裂缝的出现，使水库效益不能充分发挥，甚至使整个坝体溃决，造成严重灾害。2.2隆起护坡在冻胀和冰的作用下隆起。1.3 冻胀破坏由于护坡基土采用冻胀性粘土，填筑土的压实密度通常较低，或迎水坡没有防冻保护层或其厚度不够（即护坡和反滤、垫层总厚度小于冻深），或护坡的自重轻，连续性和整体性较差，刚度、强度低，又有水分的充分补给，故在负温时产生冻胀，尤其在冰面上以2m范围内冻胀更大（常称为主冻胀带）,坝面不均匀冻胀使护坡发生隆起，拱翘（架空）、胀裂、错位，砌体间隙加大。1.4 冰压力破坏当冰压力和冰与坝坡面之间的冻结力大

9、于坝坡抗冰推强度时，冰压力将护坡推起，称为冰推。这是寒冷（季节冻土）地区护坡冰害较突出的问题。3.1 .防治措施破冰破冰，防止冰压力破坏护坡。3.2 塑料薄膜引滑3.3 薄膜铺设方法是一种利用塑料薄膜的物理学性质：表面光滑、不透水、与冰不冻结，具有一定的柔性，从而使坝坡和冰体之间完全分开，在气温变化冰体膨胀时，减小其形变所受的阻力，因势引冰上滑，冰体膨胀时，使冰盖膨胀所蓄积的机械能，转化为水体位移作功，使冰盖层成为自由面，削减直接作用于坝坡上的冰压力，避免坝坡不被破坏，加热法在建筑物的基础底部或四周设置隔热层，增大热阻，以推迟地基上的冻结，提高土温，减少冻结深度，进而起到防冻胀作用。3.4 机

10、械法架空筛网消能、架空扬水站，两侧不填土墙和U型槽。3.5 调节水位法3.6 为降低地下水位和排除基础周围的水，可在基础两侧（或底部）填砾石料并与基础外排水沟或无压排水管路相连接；换填法用粗砂、砾石、煤渣、矿渣、石灰渣等非冻胀性材料，置换冻胀性土，以消除或基本消除冻胀。3.7 抛石护坡加大外荷压力使护坡抵御冻胀。3.8 干砌石使用干砌石技术增强护坡的整体性以抵抗冰压力。3.9 混凝土护坡增强护坡的整体性以抵抗冰压力、冰拔、冰拉及动冰撞击。3.10 土木织物膜袋防护坡缺少砂砾石的地区，可采用土工织物代替砂砾石的反滤、垫层，兼做防冻层。4 .结论护坡是土石坝外部结构的重要组成部分，它的主要作用是保护坝体免受波浪淘刷、顺坡水流冲刷、漂浮物危害，以及防止坝体受到雨水、大风、尾水部位的风浪、冰层和水流的损害及动物、冻胀干裂因素的破坏作用。但是在寒冷地区土石坝护坡遭受冻胀土破坏普遍而严重。所以深入分析冻月±的形成机理，制定护