基于抗冰冻的水工建筑物设计方法浅析
摘要：随着经济的发展，我国的水电建设取得了巨大成绩，在水电站的建设中，防冰冻是寒冷地区以及季节冻土地区水工建筑物设计的重点之一，冬季温度低会影响水工建筑的正常运行。本文根据水工建筑抗冰冻规范及要求，对水工建筑物抗冰冻设计的方法进行了分析和探讨。
关键词：水工建筑物；抗冰冻设计；要点
前言
水工建筑是水利水电工程的重要组成部分。但由于这类建筑长期处在高湿度的环境下，因此需要防止冻伤。在具体设计时，应当对水工建筑物抗冰冻设计规范进行充分的研究，设计出完整的抗冰冻施工方案。而且，在水工建筑施工完毕后，在冬季还应做还除雪、除冰等维护工作，对被冰冻损坏的建筑物结构，应当尽快完成修补，避免造成深度破坏。
1水工建筑物抗冰冻设计前期准备
水工建筑物抗冰冻设计除了需要参照常规设计资料外，应充分掌握以下几方面的资料：
1.1水文气象资料
首先要对建筑物建造所在地往年冻结期间的气温变化进行深入调查，包括年平均气温、最冷月平均气温、日平均最低气温、负气温指数；历年实测土的冻结深度及变化情况；降雪情况、积雪深度；历年结冰期建筑物内外水位、结冰日期、冰厚、融冰日期及融冰情况；结冰期天气升温的变化情况、升温持续的时间；开河解冻期开河的形式、冰的平面尺寸、流冰的厚度、流冰的速度、开河流冰期的最大风速和风向等。
1.2水文地质
水文地质主要是指水工建筑物的地下水文，地下水文对建筑物的地基稳定性有着重要影响，因此将其作为水工建筑物设计的考虑因素之一。根据水工建筑物抗冰冻设计规范与要求，水文地质的相关资料收集主要包括冻结期及冻结前地下水的分布及埋深变化情况、地下水的补给情况、地下水的物理化学特性等等。
1.3基土及回填土的特征
对基土及回填土的特质进行勘察，主要包括土的物理力学特性、土的类型、颗粒筛分曲线、冻结前土的含水量、土的极限摩阻力、冻土的热学参数；冻土的资料、标准冻深、设计冻深、基础下土的冻深、地表冻胀土、土的冻胀性级别。
1.4建筑材料
建筑材料也是影响水工建筑物设计的关键因素之一，主要是收集建筑材料的性能，包括混凝土、浆砌石等骨料的物理力学特性、接缝止水材料、保温材料的物理力学、化学性能。如抗拉强度、抗压强度、弯曲强度、压缩强度、导热性及抗腐蚀性等性能指标、建筑材料的造价、来源、交通运输等。
1.5建筑物的控制指标及施工条件
建筑物正常运行的控制指标主要包括：建筑物的稳定安全系数、强度安全系数，保证建筑物的正常运用的允许变形量；水下结构和构件及混凝土抗冻等级要求及抗冻混凝土要求。
施工条件和运行管理条件包括施工队伍技术水平、能力，机械设备情况，施工自然环境条件，运行管理的方式等。
2水工建筑物防冰冻设计要点
2.1工程的总体布置
在对冻土区的基本资料进行认真调查和收集后，分析土的冻胀对建筑物产生危害的可能性和程度、建筑物等级和抗冻程度，按常规设置和抗冰冻要求进行工程布置和结构型式的选择。
2.1.1建筑物位置的确定
对于建筑物位置的确定，要在其符合常规设计要求的前提下，依据抗冰冻的相关规范，进行建筑物的位置和轴线的正确选择，并对方案进行反复研究和比较，进行技术、经济方面的论证。对冻土性质、土的冻胀级别、冰冻等因素进行充分考虑，宜选择削减或消除土的冻胀条件、冰情条件的位置，如地下水位较低的地点，土的冻胀性较弱的地点，冰情、冰压力弱的地点等。宜选择再利用采取抗冻措施的位置，如从工程布置上、建筑材料上结构型式上、施工条件上适宜的地点。
2.1.2工程布置和建筑物结构型式的选择
首先，根据常规设置以及抗冰冻的要求，要从以下几点因素来选择工程布置和结构型式。（1）应满足常规设计的水流、防渗、稳定、结构强度、地基稳定和构造要求等；（2）应考虑影响土的冻胀的水、土、温等影响因素。设法削减或消除产生建筑物冻胀的破坏条件。布置上尽量减少建筑物与土的接触面积，变换条件，改变布置方向，平面变为乘方，改变土的冻胀对建筑物的作用方向，减小土的冻胀对建筑物的作用，尽量避开冻土对建筑物的作用；（3）考虑建筑物受冻胀力的条件，布置时尽量减少建筑物平面直角形式，使主体工程在满足常规稳定、强度要求，尽量布置成为一整体结构，使其各部分联合受力，增加结构刚度，利用冻胀反力作用增强建筑物的内锚固能力；（4）应考虑土的冻胀条件和建筑物的运用条件，针对不同的土的冻胀性和建筑物运用允许变形的条件，合理地布置和改善结构型式，增加单元结构的整体性和刚度，以增强适应不均匀冻胀的能力；（5）应考虑冰情，冰对建筑物作用的条件，气象、水文、地形条件，进行建筑物总体布置和结构型式设计，以减小静冰压力和动冰压力对建筑物的作用，达到防冰和输冰的要求。
其次，进行工程布置内容及步骤的制定，工程布置主要从抗冰冻要求出发选择建筑物的结构型式和建筑物各部分组成的布置。工程布置可初拟若干不同方案进行比较，选择符合常规设计要求和抗冰冻要求的方案。
第三，对己布置的建筑物进行常规的水力、防治排水、稳定、结构、地基设计，并进行冻结期水工建筑物抗冰冻计算，其目的是校核建筑物冻结期内在土的冻胀力、冰压力等作用下的稳定、强度、变形量是否符合保证建筑物正常运用的要求。若不符合要求，可改善建筑物布置及结构型式或采取抗冻措施。根据抗冰冻计算和冰及冻胀对建筑物的作用采取相应的抗冻措施或修改总体布置，提出对施工工艺、管理方面的防冻害要求和细部构造设计。抗冰冻措施主要从消除或减轻冰冻产生的条件、增强建筑物抵抗或适应冻融变形的能力及减小冻胀力、冰压力的作用等两方面考虑。
2.2抗冰冻计算的内容
2.2.1 荷载
抗冰冻设计的荷载是指在冻结期内作用在建筑物上的荷载。它包括正常荷载和冰冻荷载，均为基本设计荷载。正常荷载：建筑物结构及其上部填料和永久设备自重，冰层下水压力、扬压力、泥沙压力、暖土压力；冰冻荷载：切向冻胀力、法向冻胀力、水平向冻胀力、冻胀反力、冰压力。
2.2.2荷载组合
冻胀时期内，正常荷载和冰冻荷载同时起作用即为荷载组合。根据不同的建筑物有着不同的特点，考虑因素如下：（1）以桩、柱、墩为基础的桥渡建筑物，荷载有自贡及上部结构重、切向冻胀力、暖土摩阻力。当底部为扩大式基础时还应计入冻胀反力。对于斜坡上的桩、柱、墩基础，应同时考虑水平冻胀力对桩、柱、墩的水平推力和切向冻胀力的作用；（2）独立式挡土墙，荷载有自重、土重、水平冻胀力、墙基切向冻胀力和冻胀反力。基础埋深小于设计冻深时应考虑法向冻胀力。需要注意的是，土压力与水平冻胀力不叠加，设计时应取最不利组合；（3）以板形为基础的闸、陡坡等建筑物，荷载有自重及上部结构重、法向冻胀力、切向冻胀力。当采用锚固基础板时，还应计入扩大基础板上的冻胀反力；（4）对于两侧填土整体矩形结构，荷载有自重、水平冻胀力、团向冻胀力和法向冻胀力；（5）静冰压力和动冰压力应分别在冰冻期和开河流冰期单独考虑，并单独与其他非冰冻荷载进行组合，静冰压力参加荷载组织时，冰压力应以冰冻期最高水位算起，应扣除冰层厚度范围内的水压力。
2.3使用抗冰冻性能好的建筑材料
建筑材料的抗冰冻性能对水工建筑物的抗冰冻性能有着关键性的影响。所以应当将其抗冰冻性能作为重要的参考指标。在采购建筑材料时，应尽量选择伸缩性能较强、不易断裂、韧性较好、密实度高的建筑材料。尤其是混凝土的骨料，更要满足致密性的要求，防止冰雪消融时对建筑物的侵蚀，造成墙体剥落。而在选择砌砖时，也应当选择保温性能较好的类型，如煤渣整体成型空心砖、氧化铝添加剂复合砖等，这类砌砖不仅致密性、韧性均非常良好，还具备了隔热、隔音的性能，非常适合高寒地带的水工建筑物建设需求。
3结语
综上所述，应根据工程地点的气象、冰情、工程地质和冻土基本资料，并结合建筑物规模、建筑材料以及同类建筑物抗冰冻经验，灵活运用抗冰冻机理，对水工建筑物进行科学设计，保证水工建筑物在冰冻环境下能够安全运行。
参考文献：
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