CN114737529B - 一种土石坝防冰推冰拔结构及其施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种土石坝防冰推冰拔结构及其施工方法，防冰推冰拔箱包括长方体结构的框架，框架中放置干砌石，框架各个面上设有铁丝，用以围挡干砌石。防冰推冰拔箱沿土石坝坝轴线方向依次布置在马道上，马道位于大坝上游坝坡冬季水位变动区。施工时，首先收集土石坝历年冬季最低气温及最大冰厚，然后计算冰推力，制作能够满足静冰压力要求的防冰推冰拔箱；最后将防冰推冰拔箱沿土石坝坝轴线方向依次布置在上游坝坡马道上。本发明具有防冰推冰拔能力强的优点，能够避免土石坝护坡冰推冰拔破坏；并且不需要改变原大坝护坡，可适应不同结构、坡比、坝高和坝长的土石坝，适用性强；还具有施工简单、成本低等优点。

Description

一种土石坝防冰推冰拔结构及其施工方法
技术领域
本发明属于土石坝防护建筑工程技术领域，具体涉及一种土石坝防冰推冰拔结构及其施工方法。
背景技术
高寒区水库护坡的冰冻破坏是普遍存在的问题，土石坝护坡在冬季负温作用下会产生冻胀变形和冰拔破坏，春季温度上升使其融化产生融沉变形，春季在风浪作用下产生冰推力，在反复冻融、冰推冰拔和风浪作用下，土石坝护坡会产生破坏。
发明内容
发明目的：本发明的目的是针对上述问题，提出一种能够消除寒区土石坝护坡冰冻破坏，延长土石坝使用寿命的土石坝防冰推冰拔结构，本发明的第二目的是提出该土石坝防冰推冰拔结构的施工方法。
技术方案：本发明所述的土石坝防冰推冰拔结构，包括若干在大坝上游坝坡冬季水位变动区马道上沿着土石坝坝轴线方向依次布置的防冰推冰拔箱；防冰推冰拔箱包括长方体结构的框架，框架中放置干砌石，框架各个面上设有铁丝，用以围挡干砌石。
本发明中，冰推力首先作用于干砌石空隙，其次通过空隙传导至干砌石，最后通过干砌石之间挤压错动作用于整个结构。冰推力由冰与干砌石接触面之间的冻结力、干砌石与相邻干砌石接触面之间的摩擦力、干砌石与马道路面之间的摩擦力三者共同抵消。干砌石表面越粗糙，接触面积越大，冻结力与摩擦力也越大，防冰推冰拔能力越强。从而，本发明的防冰推冰拔结构具有防冰推冰拔能力强的优点，可防止冰推力对土石坝护坡的破坏。特别地，其仅需要设置在坝坡马道上，不需要改变原大坝护坡，可适应不同结构、坡比、坝高和坝长的土石坝，适用性强。
进一步地，干砌石的抗压强度大于30MPa，容重不小于17kN/m3。
本发明还保护一种土石坝防冰推冰拔结构的施工方法，包括如下步骤：
(1)收集土石坝历年冬季最低气温及最大冰厚H；
(2)计算冰推力，制作能够满足《水工建筑物荷载设计规范》(SL744-2016)静冰压力要求的防冰推冰拔箱；
(3)将防冰推冰拔箱沿土石坝坝轴线方向依次布置在上游坝坡马道上。
进一步地，冰推力F＝T1+T2+f；冰与干砌石之间的冻结力T1＝mαTα1γHS1，m为干砌石表面形状系数，αT为温度系数，α1为冰和干砌石之间的接触条件系数，γ为冰的容重，S1为冰与干砌石的接触面积；相邻干砌石之间由于冰推而产生的摩擦力T2＝α2γHS2，α2为干砌石表面粗糙程度，S2为干砌石与相邻干砌石的接触面积；干砌石与马道路面的摩擦力f＝f1mg，f1为干砌石的摩擦系数，m为干砌石质量，g为重力加速度；干砌石总表面积
Figure BDA0003603160040000021
n为干砌石数量，α3为面积系数，ai为干砌石第i个侧面面积，i取1至n，F1、F2为干砌石两个平行底面的面积。
进一步地，防冰推冰拔箱内放置的干砌石粒径小于80cm。
该施工方法简便，经济。如前所述，施工形成的防冰推冰拔结构能够有效避免寒区土石坝护坡冰推冰拔破坏。此外，在汛期时，防冰推冰拔箱还可作为防汛物资放置在坝顶。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：
(1)能够避免土石坝护坡冰推冰拔破坏，延长土石坝护坡使用寿命，降低维护成本；
(2)不需要改变原大坝护坡结构，可适应不同结构、坡比、坝高和坝长的土石坝，适用性强；
(3)施工简单，成本低；
(4)汛期，防冰推冰拔箱可作为防汛物资放置在坝顶。
附图说明
图1是防冰推冰拔箱设置在马道上的示意图；
图2是防冰推冰拔箱的结构示意图；
图3是干砌石受力图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1和图2所示，一种土石坝防冰推冰拔结构，包括若干个防冰推冰拔箱1，防冰推冰拔箱由框架2、铁丝3和干砌石4组成，框架2为长方体结构，铁丝3焊接固定在框架2的六个面上，框架2中放置若干干砌石4。铁丝3采用优质低碳钢丝，严格按照BS1052:1986标准通过自动化精密设备排焊加工成形后，采用电镀锌进行表面钝化、塑化处理，铁丝网孔为长方形。马道6位于上游坝坡冬季水位变动区，防冰推冰拔箱1沿土石坝5坝轴线方向依次布置于马道6上。
一种土石坝防冰推冰拔结构的施工方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)收集土石坝历年冬季最低气温及最大冰厚H，如图1，对应的冬季水深为H1。
(2)计算冰推力，制作能够满足《水工建筑物荷载设计规范》(SL744-2016)静冰压力要求的防冰推冰拔箱。
冰推力F＝T1+T2+f；如图3所示，冰推力F由冰与干砌石接触面之间的冻结力T1、干砌石与相邻干砌石接触面之间的摩擦力T2、干砌石与马道路面之间的摩擦力f三者共同抵消。
冰与干砌石之间的冻结力T1＝mαTα1γHS1，m为干砌石表面形状系数，αT为温度系数，α1为冰和干砌石之间的接触条件系数，γ为冰的容重，S1为冰与干砌石的接触面积；相邻干砌石之间由于冰推而产生的摩擦力T2＝α2γHS2，α2为干砌石表面粗糙程度，S2为干砌石与相邻干砌石的接触面积；干砌石与马道路面的摩擦力f＝f1mg，f1为干砌石的摩擦系数，m为干砌石质量，g为重力加速度；干砌石总表面积
Figure BDA0003603160040000031
n为干砌石数量；α3为面积系数，与干砌石表面粗糙度有关；ai为干砌石第i个侧面面积，i取1至n，F1、F2为干砌石两个平行底面的面积。
F、T1、T2和f的单位为kN；γ的单位为kN/m3；H的单位为m；S1、S2和S的单位为m2；an、F1和F2的单位为m2；m的单位为kg；g的单位为m/s2。
(3)将防冰推冰拔箱沿土石坝坝轴线方向依次布置在上游坝坡马道上。
需要注意的是，防冰推冰拔箱内放置的干砌石粒径小于80cm。填充干砌石时，在迎水面和背水面必须分层码实块径较大的干砌石，空隙用小干砌石填塞，其它部位可分两层码满网格高度。防冰推冰拔箱外露面干砌石应人工铺砌整平，保证美观。
在一个具体的实施例中，土石坝历年冬季最低气温为-20℃，历年最大冰厚H为1.00m，防冰推冰拔箱1尺寸为2m×2m×2m，干砌石表面形状系数为0.63，温度系数αT为1.00，冰和干砌石之间的接触条件系数α1为0.50，干砌石表面粗糙程度α2为1.20，面积系数α3为1.50，干砌石与冰的容重分别为17.00kN/m3、9.00kN/m3，单位体积干砌石表面积为36.00m2，假设冰与干砌石的接触面积为27.00m2，则干砌石与相邻干砌石的接触面积为9.00m2。冻结力T1＝0.63×1.00×0.50×9.00×1.00×27.00＝76.55kN，干砌石之间由于冰推而产生的摩擦阻力T2＝1.2×17.00×1.00×9.00＝183.60kN，干砌石与马道路面的摩擦力f＝0.50×17.00＝8.50kN，单位体积防冰推冰拔箱所承担的冰推力F＝T1+T2+f＝76.55+183.60+8.50＝268.65kN。
如表1，根据《水工建筑物荷载设计规范》(SL744-2016)，冰厚为1m时，静冰压力为245kN/m，小于计算值，表明防冰推冰拔箱可防止冻胀对土石坝护坡的破坏。进一步，计算冰厚分别为0.4m、0.6m、0.8m、1.2m时，作用在单位长度防冰推冰拔箱上的冰推力，与《水工建筑物荷载设计规范》(SL744-2016)给出的静冰压力值进行对比。结果显示，公式计算结果与规范值非常接近。
表1
冰厚/m T<sub>1</sub>/(kN/m) T<sub>2</sub>/(kN/m) f/(kN/m) F/(kN/m) 规范值(kN/m)
0.40 30.62 73.44 8.50 112.56 85
0.60 45.93 110.16 8.50 164.59 180
0.80 61.24 146.88 8.50 216.62 215
1.00 76.55 183.60 8.50 268.65 245
1.20 91.85 220.32 8.50 320.67 280

Claims (4)

1.一种土石坝防冰推冰拔结构，其特征在于：包括若干在大坝上游坝坡冬季水位变动区马道上沿着土石坝坝轴线方向依次布置的防冰推冰拔箱；防冰推冰拔箱包括长方体结构的框架，框架中放置干砌石，框架各个面上设有铁丝，用以围挡干砌石；
计算冰推力，制作能够满足《水工建筑物荷载设计规范》（SL744-2016）静冰压力要求的防冰推冰拔箱；冰推力
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；冰与干砌石之间的冻结力
Figure 259558DEST_PATH_IMAGE002
，m为干砌石表面形状系数，α T 为温度系数，α 1为冰和干砌石之间的接触条件系数，γ为冰的容重，H为土石坝历年冬季最大冰厚，S 1为冰与干砌石的接触面积；相邻干砌石之间由于冰推而产生的摩擦力
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，α 2为干砌石表面粗糙程度，S 2为干砌石与相邻干砌石的接触面积；干砌石与马道路面的摩擦力
Figure 339640DEST_PATH_IMAGE004
，f 1为干砌石的摩擦系数，m为干砌石质量，g为重力加速度；干砌石总表面积
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，n为干砌石数量，α 3为面积系数，a i 为干砌石第i个侧面面积，i取1至n，F 1、F 2为干砌石两个平行底面的面积。
2.根据权利要求1所述的土石坝防冰推冰拔结构，其特征在于：干砌石的抗压强度大于30MPa，容重不小于17kN/m3。
3.根据权利要求1所述的土石坝防冰推冰拔结构，其特征在于：防冰推冰拔箱内放置的干砌石粒径小于80cm。
4.一种权利要求1所述土石坝防冰推冰拔结构的施工方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）收集土石坝历年冬季最低气温及最大冰厚H；
（2）计算冰推力，制作能够满足《水工建筑物荷载设计规范》（SL744-2016）静冰压力要求的防冰推冰拔箱；
（3）将防冰推冰拔箱沿土石坝坝轴线方向依次布置在上游坝坡马道上。
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