东北冻土地区水利工程抗冻设计关键技术研究

1 水利工程冻害类型及成因

1.1 冻胀破坏

冻胀是东北冻土地区水利工程最常见的冻害类型之一。当土体中的水分冻结成冰时，体积会膨胀约 9% ，从而对周围的工程结构产生向上或向外的冻胀力。在渠道、涵闸等水利设施中，冻胀力可能导致基础隆起、墙体开裂、衬砌板变形等问题。冻胀破坏的主要成因是土体中的水分在低温下发生迁移和冻结。在冻结过程中，土颗粒周围的弱结合水首先冻结，形成冰透镜体，随着温度继续降低，未冻结的水分会不断向冰透镜体迁移并冻结，使得冰透镜体不断增大，从而产生冻胀力。

1.2 融沉破坏

融沉是指冻土在融化过程中，由于土体结构的改变和水分的排出，导致地面下沉的现象。在水利工程中，融沉可能使大坝、堤岸等结构产生不均匀沉降，进而引发裂缝、滑坡等险情。融沉破坏的主要原因是冻土中的冰在融化后变成水，土体颗粒间的胶结力减弱，土体结构变得松散，在自身重力和上部荷载的作用下发生沉降。同时，融化后的水分在土体中重新分布，也会导致土体的物理力学性质发生变化，进一步加剧融沉现象。

1.3 冰压力破坏

在寒冷的冬季，水体表面会结冰形成冰盖。随着气温的变化，冰盖会发生膨胀和收缩，从而对周围的水工建筑物产生冰压力。冰压力可分为静冰压力和动冰压力。静冰压力是由于冰盖膨胀而对建筑物产生的水平推力，而动冰压力则是在流冰过程中冰块对建筑物的撞击力。冰压力破坏主要发生在水库大坝、取水建筑物等临水结构上，可能导致建筑物的墙体破裂、基础损坏等问题。冰压力的大小与冰层厚度、冰盖的温度变化、水流速度以及建筑物的结构形式等因素密切相关。

2 抗冻设计关键技术

2.1 材料选择与配合比优化

（1）抗冻混凝土材料

在东北冻土地区水利工程中，选用合适的混凝土材料是提高工程抗冻性能的关键。应优先选择抗冻性能好的水泥，如硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，其熟料含量高，早期强度增长快，有利于抵抗冻融循环的破坏。

骨料的质量对混凝土的抗冻性也有重要影响。应选用坚固性好、吸水率低的骨料，如石灰岩、花岗岩等。骨料的粒径和级配要合理，以保证混凝土具有良好的和易性和密实性。此外，可适当掺加一些优质的掺合料，如粉煤灰、矿渣粉等，它们不仅可以改善混凝土的工作性能，还能提高混凝土的后期强度和抗渗性，从而间接提高混凝土的抗冻性。

（2）混凝土配合比优化

合理的混凝土配合比设计是提高混凝土抗冻性能的重要手段。在设计配合比时，要严格控制水胶比，水胶比越小，混凝土的密实度越高，抗冻性越好。一般来说，对于抗冻要求较高的水利工程，水胶比应控制在0.45以下。

掺加引气剂是提高混凝土抗冻性的有效措施之一。引气剂可以在混凝土内部引入大量微小、均匀且稳定的封闭气泡，这些气泡在混凝土遭受冻融循环时能够起到缓冲作用，缓解因水分冻结膨胀产生的压力，从而提高混凝土的抗冻性能。通常，混凝土的含气量应控制在 4%～6% 之间，具体数值可根据工程的抗冻等级要求进行调整。

2.2 结构设计优化

（1）基础设计

在东北冻土地区，水利工程的基础设计应充分考虑冻土的特性。对于浅基础，可采用换填法，将冻胀性较大的土换填为非冻胀性或弱冻胀性的材料，如砂、砾石等，以减小基础底面的冻胀力。同时，基础的埋深应根据当地的冻土深度和工程要求确定，一般应大于最大冻土深度，以避免基础受到冻胀的影响。

对于深基础，如桩基础，要考虑冻土对桩身的负摩阻力。在设计桩长和桩径时，应充分考虑负摩阻力的作用，确保桩基础具有足够的承载能力和稳定性。此外，还可以采用一些特殊的桩型，如扩底桩、灌注桩等，以提高桩基础的抗冻性能。

（2）上部结构设计

在水利工程的上部结构设计中，应采取合理的结构形式和构造措施来提高结构的抗冻能力。例如，对于渠道衬砌结构，可以采用柔性衬砌，如土工膜衬砌或预制混凝土板衬砌，这些衬砌形式能够适应土体的冻胀变形，减少裂缝的产生。同时，在衬砌板之间设置伸缩缝，并填充合适的止水材料，以防止水分渗入，加剧冻害。

对于大坝等水工建筑物，应加强坝体的防渗措施，减少坝体内部的含水量，降低冻融破坏的风险。在坝体结构设计中，要合理布置排水系统，及时排除坝体内的积水，避免积水在冬季冻结对坝体造成破坏。此外，还可以通过增加坝体的护坡厚度、采用抗冻性能好的护坡材料等措施来提高坝体的抗冻稳定性。

2.3 保温与排水措施

（1）保温措施

设置保温层是减少水利工程结构受冻的有效方法之一。在工程结构的外侧或底部铺设保温材料，如聚苯乙烯泡沫板、聚氨酯泡沫板等，可以有效地阻止热量的传递，降低结构表面的温度降幅，减少冻融循环对结构的影响。保温层的厚度应根据当地的气候条件、工程结构的类型以及抗冻要求等因素综合确定。

此外，还可以采用一些其他的保温措施，如对建筑物的外露部分进行包裹保温、在渠道表面覆盖草帘等。这些措施可以在一定程度上提高工程结构的保温性能，降低冻害发生的概率。

（2）排水措施

良好的排水系统对于防止水利工程冻害至关重要。在工程设计中，应合理布置排水设施，确保能够及时排除土体中的水分和建筑物内部的积水。对于渠道工程，可在渠道底部和边坡设置排水盲沟，将地下水引至集水井或排水渠道中排出。在大坝工程中，要设置完善的坝体排水系统，包括坝面排水、坝基排水和坝体内部排水等，以降低坝体的浸润线，减少水分在坝体内的积聚。

同时，要定期对排水系统进行检查和维护，确保其畅通无阻。在冬季，还应采取适当的防冻措施，如对排水管道进行保温处理，防止管道内的水冻结，影响排水效果。

3 工程实例分析

以东北地区某大型水库为例，该水库位于季节性冻土区，冬季最低气温可达-35℃。在水库的建设过程中，充分考虑了抗冻设计要求，采用了一系列抗冻技术措施。

在材料选择方面，大坝混凝土采用了硅酸盐水泥，并掺加了适量的粉煤灰和矿渣粉，同时严格控制骨料的质量和级配。通过优化混凝土配合比，使混凝土的水胶比控制在0.42，含气量保持在 5% 左右，提高了混凝土的抗冻性能。

在结构设计方面，大坝基础采用了换填法，将冻胀性较大的粉质土换填为砂和砾石，基础埋深大于当地最大冻土深度。大坝坝体采用了防渗性能好的混凝土面板，并在面板之间设置了伸缩缝和止水带。在坝体内部和表面设置了完善的排水系统，及时排除坝体内的积水。

此外，在大坝的迎水面和背水面均铺设了聚苯乙烯泡沫板保温层，保温层厚度为10cm。通过采取这些抗冻技术措施，该水库在投入运行后，历经多年的冬季严寒考验，未出现明显的冻害问题，保证了水库的安全稳定运行。

4 结束语

综上，东北冻土区水利工程抗冻设计需结合冻土特性与气候条件，通过材料优化、结构改进等技术提升抗冻性能。实例验证了技术有效性，但气候变暖带来新挑战。未来需深化冻土变化研究，研发新型材料与技术，强化工程监测，为该地区水利工程可持续发展提供支撑。

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