CN112962523B - 一种堤坝防冻胀防护结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种堤坝防冻胀防护结构及施工方法，防护板沿堤坝长度方向依次固连在迎水侧，相邻两个防护板之间具有间隙，每个防护板上间隔开设有若干个防护孔，防护孔沿防护板的长度方向设置；沿过防护板宽度方向中心线的纵截面将防护板沿宽度方向切成两半，防护孔为等腰梯形，防护板具有两个工作面，靠近堤坝的一侧为第一工作面，相对远离堤坝的一侧为第二工作面，梯形长度较小的底边位于第一工作面上，长度较大的底边位于第二工作面上。本发明所述防护结构可以有效的减少冰的静冰压力对堤坝的损坏，而且采用内窄外宽的防护孔形式，不仅可以减小冰的静冰压力大小，还方便在枯水期时的维护清理。

Description

一种堤坝防冻胀防护结构及施工方法

技术领域

本发明涉及堤坝防护建筑技术领域，具体涉及一种堤坝防冻胀防护结构及施工方法。

背景技术

在我国北方地区，由于冬季寒冷的气候的影响，江河湖泊会存在一定厚度的冰层。在冰的静冰压力和土的冻胀力的影响下，堤坝护坡以及其他水工建筑物往往容易受到破坏，混凝土板受到挤压发生断裂，从而影响堤坝本身的功能。

混凝土结构受冰推力产生挤压破坏，需要及时进行修复，而维护的成本较高，管理也不方便。而且修复的时间存在滞后性，施工需要耗费很大的人力物力和时间，维护的效果并不明显。

发明内容

针对上述提到的问题，本发明的目的是提出一种分块式、防护孔式堤坝防冻胀防护结构，该结构能够解决在严寒地区河流、水库中水结冰产生的静冰压力对水工建筑物产生的挤压破坏问题，从而能够延长混凝土堤坝的使用寿命，并且能在一定程度上解决堤坝损坏后产生的高额维护费用的问题。

为了实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种堤坝防冻胀防护结构，包括若干个防护板，若干个防护板沿堤坝长度方向依次固连在迎水侧，相邻两个防护板之间具有间隙，每个防护板长度方向的顶端靠近堤坝顶部设置，底端固定于堤坝斜坡；

每个防护板上间隔开设有若干个防护孔，防护孔沿防护板的长度方向设置；沿过防护板宽度方向中心线的纵截面将防护板沿长度方向切成两半，从垂直于该纵截面的方向观察，防护孔为等腰梯形，该纵截面自防护板的顶端向下切，防护孔上依次被该纵截面切到的两个梯形面分别为上梯形面和下梯形面，防护板具有两个工作面，靠近堤坝的一侧为第一工作面，相对远离堤坝的一侧为第二工作面，等腰梯形长度较小的底边位于第一工作面上，长度较大的底边位于第二工作面上。

伸缩缝使得在混凝土发生冻胀时存在一定的膨胀空间，解决了结构冻胀发生的挤压破坏的问题。

具体地，防护板上防护孔的数量根据有效深度H和每个防护孔的大小确定，有效深度H以历年的最大冰厚的

倍进行设计，有效深度为防护板设置在堤坝斜坡上时，防护板上最底端的防护孔下表面距离最顶端的防护孔的下表面的竖直距离。

作为一个实施例，每个防护板上均开设有锚孔，通过在锚孔中插设锚杆，将每个防护板固连在堤坝斜坡上，每个防护板长度方向的顶端靠近堤坝顶部设置，底端固定于堤坝斜坡。

作为另一个实施例，相邻两个防护板于防护板的宽度方向通过三轴铰链连接，每个防护板长度方向的顶端靠近堤坝顶部设置，每个防护板长度方向的底端位于堤坝底部；每个防护板的底端均可拆卸连接有一个底部支撑板。

三轴铰链材料使用不锈钢材质，将各横向防护板柔性连接起来，使结构形成一个整体。底部支撑板通过嵌合与上部防护板形成一个整体，使得在冰推力以及水流推力下保持结构整体性完好，同时对上部防护结构起到支撑作用，从而避免了上部防护结构由于自重产生的下滑力发生的纵向位移。

进一步地，底部支撑板用于连接防护板的一端为斜面，斜面上具有向外凸起的枢接头，从底部支撑板的侧面观察，枢接头的端面为直角三角形，防护板的底端开设有向内凹陷、并与枢接头适配的枢接口，通过防护板底端的枢接口枢接于底部支撑板的枢接头上，将防护板与底部支撑板固连在一起。

一种堤坝防冻胀防护结构的施工方法，包括以下步骤：

步骤1，对现场的堤坝边坡进行勘察测量参数，包括边坡的坡度，收集历年的最高水位、历年的冰厚规律以及历年的最大冰厚；

根据收集到的历年的最大水深和历年的最大冰厚计算得到参数k；

步骤2，根据坡角、防护板厚度确定单个防护孔的尺寸，再结合有效深度来确定每个防护板上开设防护孔的数量；

步骤3，当

时，采用与底部支撑板嵌合的防护结构，在河流枯水期首先将底部支撑板结构依次排放，每块底部支撑板之间间隔成收缩缝，然后等底部支撑板完成后，依次将防护板嵌合入底部支撑板中，每块防护板之间间隔成收缩缝，待结构稳定后，进行相邻两个防护板于防护板宽度方向设置的三轴铰链结构的锚固，最终形成完整的防冻胀防护结构；

当

时，采用锚孔连接形式的防护结构，首先在原有堤坝与防护结构的相应部位打孔，然后插入高强度钢筋，通过高强度钢筋将每块防护板和原有堤坝固定在一起，每块防护板之间间隔成收缩缝，待结构稳定，用箍筋将高强度钢筋固定住，最终形成完整的防冻胀防护结构。

进一步地，步骤1所述参数

历年的最大冰厚为h_冰、历年的最大水深为h_水。

进一步地，步骤2所述结构设计高度考虑冰压力的不确定性，有效深度H以历年的最大冰厚的

倍进行设计，上下各多出

倍历年的最大冰厚；

优选地，步骤3所述底部支撑板用于连接防护板的一端为斜面，斜面上具有向外凸起的枢接头，从底部支撑板的侧面观察，枢接头的端面为直角三角形abc，其中ac为直角三角形的斜边，防护板的底端开设有向内凹陷、并与枢接头适配的枢接口，通过防护板底端的枢接口枢接于底部支撑板的枢接头上，将防护板与底部支撑板固连在一起。

进一步地，枢接头与枢接口的尺寸按以下公式计算：

h₁＝h sinα；

h₂＝h·sinαcosα；

h₃＝h·sin²α；

h₄＝h-h sin²α。

其中，h为防护板的厚度，α为堤坝斜坡坡角，h₀为底部支撑板的厚度；h₁为直角三角形位于底部支撑板上表面的直角边，即直角边ab的长度；h₂为直角三角形顶点b至斜边ac的垂直距离；h₃为直角三角形顶点b至防护板第二工作面的垂直距离；h₄为直角三角形顶点b至防护板第一工作面的垂直距离。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明所述防护结构采用分块式结构，便于快速安装，方便运输，使各分块之间存在一定的收缩距离，可以减少在结构发生热胀冷缩时发生的挤压破坏。采用防护孔的防护结构可以有效的减少冰的静冰压力对堤坝的损坏，而且采用内窄外宽的防护孔形式，不仅可以降低静冰压力沿着边坡的作用力大小，降低对堤坝的挤压破坏程度，还方便在枯水期时的维护清理。各个防护板之间柔性连接在一起，使防护结构与堤坝形成一个整体。本发明所述防护结构解决了在严寒地区河流、水库中水结冰产生的静冰压力对水工建筑物产生的挤压破坏问题，从而延长了混凝土堤坝的使用寿命，并且解决了堤坝损坏后产生的高额维护费用。

本发明所述方法不需要对原有堤坝或者护坡进行改动，可以适应各种不同深度、长度、坡角的河流或者水库，自身可以作为一个整体来防护堤坝，从而减少了对原有堤坝进行改动所需的费用。

附图说明

图1显示了防护板连接在混凝土堤坝上的结构；

图2显示了静冰压力对未设防冻胀防护结构堤坝的横向分力；

图3显示了静冰压力对设置防冻胀防护结构堤坝的横向分力；

图4显示了防护板上防护孔的尺寸设计；

图5显示了防护板上防护孔的受力情况；

图6显示了防护板底端的结构；

图7显示了防冻胀防护结构的实施例1结构，其中防冻胀防护板底端与底部支撑板连接；

图8显示了实施例1所述防冻胀防护结构连接在混凝土堤坝上；

图9显示了防冻胀防护结构的实施例2结构，其中防冻胀防护板通过预制混凝土孔的形式连接在混凝土堤坝上；

图10显示了实施例2所述防冻胀防护结构连接在混凝土堤坝上；

图11显示了三轴铰链的结构；

图12显示了静冰压力T在防护孔下梯形面的分力分为沿着下梯形面的力F₁和垂直于下梯形面的力F₂；

图13显示了沿着下梯形面的力F₁分为沿着边坡的力和垂直于边坡的力；

图14显示了垂直于下梯形面的力F₂可分为沿着边坡的力和垂直于边坡的力；

图中标记：1、底部支撑板，2、防护孔，3、防护板，4、枢接头，5、锚固装置，6、转轴，7、钢板，8、堤坝，9、锚孔，10、伸缩缝。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

实施例1

如图9、10所示，一种堤坝防冻胀防护结构，包括若干个防护板3，若干个防护板沿堤坝长度方向依次设置在迎水侧，相邻两个防护板之间具有间隙，形成伸缩缝10；每个防护板上均开设有锚孔，通过在锚孔中插设锚杆，将每个防护板固连在堤坝斜坡上，每个防护板长度方向的顶端靠近堤坝顶部设置，底端固定于堤坝斜坡；

每个防护板上间隔开设有若干个防护孔2，防护孔沿防护板的长度方向设置；沿过防护板宽度方向中心线的纵截面将防护板沿长度方向切成两半，从垂直于该纵截面的方向观察，防护孔为等腰梯形，该纵截面自防护板的顶端向下切，防护孔上依次被该纵截面切到的两个梯形面分别为上梯形面和下梯形面，防护板具有两个工作面，靠近堤坝的一侧为第一工作面，相对远离堤坝的一侧为第二工作面，前述梯形长度较小的底边位于第一工作面上，长度较大的底边位于第二工作面上。

如图1所示，以实施例1所述防护板为例，这里取上一个防护孔的下表面到下一个防护孔的下表面为一个单元，所有单元组成的深度作为有效深度H，即防护板设置在堤坝斜坡上时，防护板上最底端的防护孔下表面距离最顶端的防护孔的下表面的竖直距离，如图1所示历年的最大冰厚为h_冰、历年的最大水深为h_水，有效深度H以历年的最大冰厚的

倍进行设计，上下各多出

倍最大冰厚；

在这里引入一个比例系数

当

时，使用防护板通过锚孔、锚杆连接在堤坝的结构形式。当

时，使用防护板底端与底部支撑板嵌合结构形式。

当k的值较大时，即冰厚度较大时，有效深度与水深的比值较大，即有效深度部分混凝土重量比重大，相对下滑力也更大，有效深度部分，即防护孔部分设计总高度下滑力较大，因此使用底部支撑板嵌合结构，底部支撑板形式可以有效支撑这种较大的下滑力；当k的值较小时，有效深度部分混凝土重量比重较小，相对下滑力也较小，采用锚孔、锚杆形式就可以抵消这种下滑力，无需使用底部支撑板，同时具有经济效益。

防护板上防护孔的数量根据有效深度H和每个防护孔的大小确定，有效深度H以历年的最大冰厚的

倍进行设计。有效深度为防护板设置在堤坝斜坡上时，防护板上最底端的防护孔下表面距离最顶端的防护孔的下表面的竖直距离。

如图4所示，每个防护孔的尺寸可根据下述公式计算结果取值：

l₀＝h cotβ

l′＝l₁-2h cotβ

其中：

α为堤坝斜坡坡角，β为防护孔的上梯形面或下梯形面与堤坝表面的夹角，β要小于堤坝或者护坡的坡脚α，h为防护板的厚度，l₀为上梯形面沿着堤坝方向的投影长度，l₁为相邻两个防护孔在第一工作面上的间距，l＇为相邻两个防护孔在第二工作面上的间距，l₂为防护孔底边沿着堤坝方向的长度。

如图2所示，未设防护结构时，静冰压力T对原有堤坝的横向分力Tcosα会造成对堤坝的损伤，如图3所示，加设防护板后，防护板上相邻防护孔之间为外窄内宽的梯形体，可以减少冰体与堤坝结构的接触面积，使得静冰压力的横向分力不连贯，从而减小对堤坝破坏的可能性。

如图5所示，冰体的静冰压力T在防护孔内分为三个主方向的力，分别是对原有堤坝的力T₁、对防护孔上梯形面的挤压力T₂以及下梯形面的挤压力T₃，从而减少作用在堤坝上的力，大大减小了对原有堤坝的挤压破坏。

静冰压力T在防护孔下梯形面的分力

可分为沿着下梯形面的力F₁＝Fcos(α-β)和垂直于下梯形面的力F₂＝F sin(α-β)，如图12所示。

而沿着下梯形面的力F₁可分为沿着边坡的力T₄和垂直于边坡的力F₁′＝F·cos(α-β)sinβ，其中F₁′垂直于边坡，对结构造成的影响不大，在此忽略，如图13所示。

而垂直于下梯形面的力F₂可分为沿着边坡的力T₃和垂直于边坡的力F₂′＝F cosβ·sin(α-β)，其中F₂′垂直于边坡，对结构造成的影响不大，在此忽略，如图14所示。

T₁沿着边坡方向的分力为：

装上防护结构后，静冰压力对防护结构沿着边坡的作用力为：

(其中

为l′部分对应的力)

即

装上防护结构后，静冰压力对原有堤坝沿着边坡的作用力为：

T₀＝T₄+T₁′

即

需要满足的条件：l₁ tanβ≥2h，α≥β，通过改变β，h，l₁，l₂中一项或者几项参数的大小，使结构达到最佳的防护效果。

实施例2

如图7、8所示，一种堤坝防冻胀防护结构，包括若干个防护板3，若干个防护板沿堤坝长度方向依次设置在迎水侧，相邻两个防护板之间具有间隙，形成伸缩缝10，且相邻两个防护板于防护板的宽度方向通过三轴铰链连接，每个防护板长度方向的顶端靠近堤坝顶部设置，每个防护板长度方向的底端位于堤坝底部；每个防护板上间隔开设有若干个防护孔2，防护孔沿防护板的长度方向设置，位于最底端的防护孔距离防护板顶端的距离根据有效深度确定，有效深度为防护板设置在堤坝斜坡上时，防护板上最底端的防护孔下表面距离最顶端的防护孔的下表面的竖直距离，有效深度以该堤坝历年的最大冰厚的

倍进行设计；沿过防护板宽度方向中心线的纵截面将防护板沿宽度方向切成两半，观察防护孔的投影为梯形，该纵截面自防护板的顶端向下切，防护孔上依次被该纵截面切到的两个梯形面分别为上梯形面和下梯形面，防护板具有两个工作面，靠近堤坝的一侧为第一工作面，相对远离堤坝的一侧为第二工作面，前述梯形长度较短的底边位于第一工作面上，长度较长的底边位于第二工作面上；

每个防护板的底端均可拆卸连接有一个底部支撑板1，底部支撑板用于连接防护板的一端为斜面，斜面上具有向外凸起的枢接头4，从底部支撑板的侧面观察，枢接头的端面为直角三角形abc，防护板的底端开设有向内凹陷、并与枢接头相适配的枢接口，通过防护板底端的枢接口枢接于底部支撑板的枢接头上，将防护板与底部支撑板固连在一起。

如图6所示，枢接头与枢接口的结构形式，从剖面来看，枢接头与枢接口的尺寸计算：

h₁＝h sinα；

h₂＝h·sinαcosα；

h₃＝h·sin²α；

h₄＝h-h sin²α。

其中，h₀为底部支撑板的厚度；h₁为直角三角形位于底部支撑板上表面的直角边，即直角边ab的长度；h₂为直角三角形顶点b至斜边ac的垂直距离；h₃为直角三角形顶点b至防护板第二工作面的垂直距离；h₄为直角三角形顶点b至防护板第一工作面的垂直距离。

如图11所示，三轴铰链包括钢板7、锚固装置5和转轴6，钢板具有四块，四块钢板之间均通过转轴6连接，其中位于两侧的两块钢板分别通过锚固装置固定在防护板上，锚固装置可以为铆钉、螺钉、螺栓、锚杆等。

实施例3

一种堤坝防冻胀防护结构的施工方法，包括以下步骤：

步骤1，先对现场的堤坝边坡进行勘察测量参数，包括边坡的坡度，边坡的高程，原有护坡装置的形式，厚度等。收集历年的水位高度、历年的冰厚规律以及历年的最大冰厚。

根据收集到的历年的水深和历年的最大冰厚计算得到参数k，当

时，使用实施例1的防护结构，即防护板通过锚孔、锚杆连接在堤坝上。当

时，使用实施例2的防护结构，即防护板底端与底部支撑板嵌合。

步骤2，根据坡角、防护板厚度确定单个防护孔的尺寸，再结合有效深度来确定每个防护板上开设防护孔的数量。

步骤3，若

时，使用实施例2所述防护结构。使用底部支撑板形式的话，可在河流枯水期首先将底部支撑板结构依次排放，每块底部支撑板之间间隔成收缩缝，然后等底部支撑板完成后，依次将防护板嵌合入底部支撑板中，每块防护板之间间隔成收缩缝，待结构稳定后，进行三轴铰链结构的锚固，最终形成完整的防冻胀防护结构。

在

时，使用预制混凝土孔的形式。首先在原有堤坝与防护结构的相应部位打孔，然后插入高强度钢筋，通过高强度钢筋将每块防护板和原有堤坝固定在一起，每块防护板之间间隔成收缩缝，待结构稳定，用箍筋将高强度钢筋固定住，最终形成完整的防冻胀防护结构。这种形式可以减去下部结构的造价费用，但是剪切力较大，适用于冰厚相对较小的情况。

实施例4

本实施例在实施例1、3的基础上，采用锚孔连接方式，防护板顶端锚孔圆心距离防护板顶端为15cm，其余的锚孔圆心在防护孔之间混凝土连接体的中间位置；锚孔圆心距离两侧边缘都为15cm，孔的直径可根据混凝土板重量取值。

设计每块防护板的宽度为1.5m，每块防护板之间间隔成收缩缝为5cm。在防护板的第二工作面上，防护孔左右边缘至防护板左右两侧的距离各为25cm，最顶端的防护孔上边缘距离防护板顶端为30cm。

本实施例中，α＝40°，β＝35°，h＝8cm，l₁＝30cm，l₂＝15cm，则原有的静冰压力对边坡的破坏力大小为：F＝Tcosα≈0.766T。

加装上防护结构后，静冰压力对防护结构的作用力：T’≈0.3035T。

加装上防护结构后，静冰压力对原有堤坝的作用力：T₀≈0.4625T。

所以在以上的数据下可以将原有的静冰压力减少到60.38％。

如表1所示，在此以α＝40°的边坡为例，改变其中一项或几项自变量，都可以降低静冰压力所造成的冻害程度。

表1

由上可知，可以根据对上述参数的大小来灵活改造装置的形式。

Claims (7)

1.一种堤坝防冻胀防护结构，其特征在于，包括若干个防护板，若干个防护板沿堤坝长度方向依次固连在迎水侧，相邻两个防护板之间具有间隙，每个防护板长度方向的顶端靠近堤坝顶部设置，底端固定于堤坝斜坡；

每个防护板上间隔开设有若干个防护孔，防护孔沿防护板的长度方向设置；沿过防护板宽度方向中心线的纵截面将防护板沿长度方向切成两半，从垂直于该纵截面的方向观察，防护孔为等腰梯形，该纵截面自防护板的顶端向下切，防护孔上依次被该纵截面切到的两个梯形面分别为上梯形面和下梯形面，防护板具有两个工作面，靠近堤坝的一侧为第一工作面，相对远离堤坝的一侧为第二工作面，等腰梯形长度较小的底边位于第一工作面上，长度较大的底边位于第二工作面上；

防护板上防护孔的数量根据有效深度H和每个防护孔的大小确定，有效深度H以该堤坝历年的最大冰厚的

倍进行设计，有效深度为防护板设置在堤坝斜坡上时，防护板上最底端的防护孔下表面距离最顶端的防护孔的下表面的竖直距离；防护孔的上梯形面或下梯形面与堤坝表面的夹角小于堤坝斜坡坡角。

2.根据权利要求1所述的一种堤坝防冻胀防护结构，其特征在于，每个防护板上均开设有锚孔，通过在锚孔中插设锚杆，将每个防护板固连在堤坝斜坡上，每个防护板长度方向的顶端靠近堤坝顶部设置，底端固定于堤坝斜坡。

3.根据权利要求1所述的一种堤坝防冻胀防护结构，其特征在于，相邻两个防护板于防护板的宽度方向通过三轴铰链连接，每个防护板长度方向的顶端靠近堤坝顶部设置，每个防护板长度方向的底端位于堤坝底部；每个防护板的底端均可拆卸连接有一个底部支撑板。

4.根据权利要求3所述的一种堤坝防冻胀防护结构，其特征在于，底部支撑板用于连接防护板的一端为斜面，斜面上具有向外凸起的枢接头，从底部支撑板的侧面观察，枢接头的端面为直角三角形，防护板的底端开设有向内凹陷、并与枢接头适配的枢接口，通过防护板底端的枢接口枢接于底部支撑板的枢接头上，将防护板与底部支撑板固连在一起。

5.一种如权利要求1所述一种堤坝防冻胀防护结构的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对现场的堤坝边坡进行勘察测量参数，包括边坡的坡度，收集历年的最高水位、历年的冰厚规律以及历年的最大冰厚；

根据收集到的历年的最高水位和历年的最大冰厚计算得到参数k，参数

历年的最大冰厚为h_冰、历年的最大水深为h_水；

步骤2，根据坡角、防护板厚度确定单个防护孔的尺寸，再结合有效深度来确定每个防护板上开设防护孔的数量；有效深度H以历年的最大冰厚的

倍进行设计；

步骤3，当

时，采用与底部支撑板嵌合的防护结构，在河流枯水期首先将底部支撑板结构依次排放，每块底部支撑板之间间隔成收缩缝，然后等底部支撑板完成后，依次将防护板嵌合入底部支撑板中，每块防护板之间间隔成收缩缝，待结构稳定后，进行相邻两个防护板于防护板宽度方向设置的三轴铰链结构的锚固，最终形成完整的防冻胀防护结构；

当

时，采用锚孔连接形式的防护结构，首先在原有堤坝与防护结构的相应部位打孔，然后插入高强度钢筋，通过高强度钢筋将每块防护板和原有堤坝固定在一起，每块防护板之间具有间隔成收缩缝，待结构稳定，用箍筋将高强度钢筋固定住，最终形成完整的防冻胀防护结构。

6.根据权利要求5所述的一种堤坝防冻胀防护结构的施工方法，其特征在于，步骤3所述底部支撑板用于连接防护板的一端为斜面，斜面上具有向外凸起的枢接头，从底部支撑板的侧面观察，枢接头的端面为直角三角形abc，其中ac为直角三角形的斜边，防护板的底端开设有向内凹陷、并与枢接头适配的枢接口，通过防护板底端的枢接口枢接于底部支撑板的枢接头上，将防护板与底部支撑板固连在一起。

7.根据权利要求6所述的一种堤坝防冻胀防护结构的施工方法，其特征在于，枢接头与枢接口的尺寸按以下公式计算：

h₁＝h sinα；

h₂＝h·sinαcosα；

h₃＝h·sin²α；

h₄＝h-h sin²α；

其中，h为防护板的厚度，α为堤坝斜坡坡角，h₀为底部支撑板的厚度；h₁为直角三角形位于底部支撑板上表面的直角边，即直角边ab的长度；h₂为直角三角形顶点b至斜边ac的垂直距离；h₃为直角三角形顶点b至防护板第二工作面的垂直距离；h₄为直角三角形顶点b至防护板第一工作面的垂直距离。

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