CN117107709A - 一种土石坝防冰推冰拔护坡结构及动、静冰压力计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土石坝防冰推冰拔护坡结构及动、静冰压力计算方法，所述护坡结构布置在死水位以上土石坝上游坝坡上，包括自下而上依次设置的砂砾石防冻胀破坏保温层、预制混凝土板和混凝土块防护层，其中混凝土块防护层由混凝土块拼接而成，混凝土块包括矩形底座，矩形底座上端面四角一体设有梯形体，中心设置有凹槽，四边开设有切口以及连通凹槽的泄水孔；拼接时，相邻梯形体间的凹陷位置砌水泥砂浆进行粘结，以使所有混凝土块形成一个整体。本发明防冰推冰拔能力强，能够避免寒区土石坝坝坡受冰荷载破坏，同时具备防冲刷性强、适应性好、成本低、维护简单等优点。

Description

一种土石坝防冰推冰拔护坡结构及动、静冰压力计算方法

技术领域

本发明属于水利工程技术领域，具体涉及一种土石坝防冰推冰拔护坡结构及动、静冰压力计算方法。

背景技术

位于寒区的土石坝经常受到冰的侵袭和威胁，冰对土石坝的作用力包括静冰压力和动冰压力两个重要部分，冰层升温膨胀产生的静冰压力将土石坝护坡推起造成破坏，冰盖层解冻时，冰块在水力和风力共同作用下产生的动冰压力使土石坝护坡被撞击破坏。因此，土石坝护坡受冰荷载的破坏是普遍存在的现象。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的是针对土石坝坝坡受冰荷载破坏的问题，提出一种土石坝防冰推冰拔护坡结构；本发明的第二目的是提出一种动、静冰压力计算方法。

技术方案：本发明所述的土石坝防冰推冰拔护坡结构，布置在死水位以上土石坝上游坝坡上，包括自下而上依次设置的砂砾石防冻胀破坏保温层、预制混凝土板和混凝土块防护层，其中混凝土块防护层由混凝土块拼接而成，混凝土块包括矩形底座，矩形底座上端面四角一体设有梯形体，中心设置有凹槽，四边开设有切口以及连通凹槽的泄水孔；拼接时，相邻梯形体间的凹陷位置砌水泥砂浆进行粘结，以使所有混凝土块形成一个整体。

凹槽、泄水孔及切口构成的连通结构能够增大冰的爬坡路径，且便于混凝土块内水流排出，增大水流流动速度，使水分子不易凝结成冰，从而减小冰压力，具有削弱冰荷载的效果。在混凝土块防护层下布置预制混凝土板，可使冰荷载均匀地传到土石坝坝坡上，同时增大与混凝土块之间的摩擦系数，以抵消沿坝坡方向的冰荷载。

进一步地，所述切口为圆弧形，以使受冰荷载后底座内力分布更加均匀。切口形状也可以是矩形或者其他形状，圆弧形切口为优选方案。

进一步地，所述凹槽为矩形，对称轴同矩形底座，深度为矩形底座厚度的一半。

进一步地，所述泄水孔以凹槽一半深度与其贯通。

进一步地，所述矩形底座厚度不小于15cm。具体的厚度通过计算冰荷载以满足要求后确定，厚度越大，混凝土块自重越大，与下垫层摩擦力越大，抵抗冰荷载的能力越强。

进一步地，所述矩形底座长度为75cm，宽度为65cm；梯形体底面矩形规格为20cm×15cm，顶面矩形规格为14cm×10.5cm，高度与矩形底座厚度相同；凹槽尺寸为20cm×15cm。

进一步地，所述砂砾石防冻胀破坏保温层厚度为30cm。

进一步地，预制混凝土板长度为4.2m，宽度为50cm，厚度为10cm，采用混凝土编号为C30W4F200。

进一步地，在所述土石坝防冰推冰拔护坡结构底部设置由混凝土浇筑的挡边，以避免其在水位较低情况下沿坝坡向下发生位移。

本发明所述的动、静冰压力计算方法，土石坝坝坡采用上述的土石坝防冰推冰拔护坡结构，所述动、静冰压力计算方法包括：

计算动冰压力P：

其中，P为动冰压力，kN/m；α为坝坡形状系数，矩形为1，多边形或圆形为0.9；β为坝坡材料系数，取值范围为0.7～1.0；γ为接触系数，取值范围为0.4～0.7；λ为坝坡坡度系数，上游坝坡倾角为0～15°时，取0.75，倾角为15°～30°时，取0.75，倾角为30°～45°时，取0.5；v为当日平均风速，m/s；v₀为参照速度，取1.0m/s；h为计算冰厚，取历年最大冰厚的0.8倍，m；σ_c为冰的抗压强度，kPa，流冰期可按450kPa计算；

计算静冰压力F：

其中，F为静冰压力，kN/m；σ_c为冰的抗压强度，kPa；h_c为当日最大冰厚，m；▽t为一天最高与最低气温差的绝对值，℃；t为初始气温，一般为负值，按早上8时气温计算，℃；T为升温时间，按6h计算；T₀为参照时间，取1h；

确定混凝土块厚度，然后根据公式(1)和(2)计算冰荷载，当计算后的冰荷载沿平行坝坡方向的分力能被混凝土块防护层与预制混凝土板的摩擦力抵消时，则认为护坡结构能够对土石坝坝坡起到保护作用，否则增大混凝土块厚度，重新进行核算，直至满足要求。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：

(1)能够避免土石坝坝坡冰推冰拔破坏；可适应不同坡比、坝高、坝长的土石坝，适用性强；维护时，只需更换磨损的混凝土块即可，操作简单，成本低；汛期时，该护坡结构具有降低波浪爬高和防冲刷的作用。

(2)静冰压力和动冰压力计算方法弥补了国内外相关规范中动冰压力计算公式单位不统一、静冰压力只有经验值无法精确计算的缺点，且更结合寒区土石坝工程实际，计算结果更为精确。

附图说明

图1是本申请实施例提供的土石坝防冰推冰拔护坡结构示意图；

图2是本申请实施例中混凝土块的结构示意图；

图3是图2的侧视图；

图4是本申请实施例中混凝土块间连接方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

附图1至4中的附图标记如下：

1，土石坝；2，上游马道；3，挡边；4，砂砾石防冻胀破坏保温层；5，预制混凝土板；6，混凝土块防护层；7，矩形底座；8，梯形体；9，凹陷位置；10，泄水孔。

如图1所示，为本申请实施例提供的一种土石坝防冰推冰拔护坡结构，该护坡结构布置在土石坝1上游马道2以上坝坡坝体填筑材料上，上游马道2高程高于死水位高程。护坡结构包括自下而上依次设置的砂砾石防冻胀破坏保温层4、预制混凝土板5和混凝土块防护层6，其中混凝土块防护层6由混凝土块拼接而成。如图2至图4所示，拼接混凝土块防护层6的混凝土块包括均匀厚度的矩形底座7，在矩形底座7上端面四角一体设有同尺寸的梯形体8。矩形底座7中心设置有一个矩形凹槽，四边开设有圆弧形的切口以及连通凹槽的泄水孔10。矩形凹槽的对称轴与矩形底座7相同，深度为矩形底座7厚度的一半。矩形底座7四周的泄水孔10以矩形凹槽一半的深度与其贯通。拼接时，相邻梯形体8间的凹陷位置9砌水泥砂浆进行粘结，以使所有混凝土块形成一个整体。此外，在土石坝防冰推冰拔护坡结构底部设置由混凝土浇筑的挡边3，以避免其在水位较低情况下沿坝坡向下发生位移。

本实施例中，矩形底座7长度为75cm，宽度为65cm，厚度不小于15cm；梯形体8底面矩形规格为20cm×15cm，顶面矩形规格为14cm×10.5cm，高度与矩形底座7厚度相同；矩形凹槽尺寸为20cm×15cm。砂砾石防冻胀破坏保温层4厚度为30cm。预制混凝土板5长度为4.2m，宽度为50cm，厚度为10cm，采用混凝土编号为C30W4F200。

本申请实施例还提供一种动、静冰压力计算方法，包括动冰压力计算和静冰压力计算两部分。

动冰压力P计算公式如下：

其中，P为动冰压力，kN/m；α为坝坡形状系数，其中矩形为1，多边形或圆形为0.9；β为坝坡材料系数，与坝坡表面材料硬度有关，取值范围为0.7～1.0；γ为接触系数，与冰速有关，取值范围为0.4～0.7；λ为坝坡坡度系数，上游坝坡倾角为0～15°时，取0.75，倾角为15°～30°时，取0.75，倾角为30°～45°时，取0.5；v为当日平均风速，m/s；v₀为参照速度，取1.0m/s；h为计算冰厚，取历年最大冰厚的0.8倍，m；σ_c为冰的抗压强度，kPa，流冰期可按450kPa计算；

静冰压力F计算公式如下：

其中，F为静冰压力，kN/m；σ_c为冰的抗压强度，kPa；h_c为当日最大冰厚，m；▽t为一天最高与最低气温差的绝对值，℃；t为初始气温，一般为负值，按早上8时气温计算，℃；T为升温时间，按6h计算；T₀为参照时间，取1h；

具体实施时，首先收集当地气候资料，如土石坝历年冬季最大冰厚，气温资料，风速等；然后，确定混凝土块厚度(初始可确定为15cm)，然后根据公式(1)和(2)计算冰荷载，当计算后的冰荷载沿平行坝坡方向的分力能被混凝土块防护层与预制混凝土板的摩擦力抵消时，则认为护坡结构能够对土石坝坝坡起到保护作用，否则增大混凝土块厚度，重新进行核算，直至满足要求。确定满足冰荷载承受要求的混凝土块后，进行混凝土块的制作。

制作预制混凝土板5，先用木板钉制空心矩形体模型，在模型的空心部分布上钢筋后，用混凝土灌满空心部分，等干后敲去木板。

最后，将砂砾石防冻胀破坏保温层4、预制混凝土板5、混凝土块防护层6依次布置在上游马道2以上的坝体填筑材料上，布置方向为预制混凝土板5短边、混凝土块长边与坝坡方向平行，相邻混凝土块梯形体8间的凹陷位置9涂抹水泥进行粘结。

在一个具体的示例中，土石坝历年最大冰厚为0.8m，那一天早上8时气温为-15℃，平均风速为5m/s，最大温差为10℃，上游坝坡坡度为1：2。土石坝上游马道以上坝体填筑材料上布置该土石坝防冰推冰拔护坡结构，其中混凝土块厚度设置为15cm。

首先，利用公式(1)计算动冰压力P。采用该防冰推冰拔护坡结构后，坝坡形状系数取1.0，坝坡材料系数取0.95，接触系数取0.5，坝坡坡度系数取0.75，计算冰厚为0.64m，计算得动冰压力P为9.328kN/m。

其次，利用公式(2)计算静冰压力F。代入数据后得静冰压力为217.772kN/m。

则，总的冰荷载为227.1kN/m，对冰荷载沿平行和垂直坝坡方向分解，计算得平行坝坡方向的冰荷载分力为203.124kN/m。

单位长度混凝土块自重为4060kN，与预制混凝土板的摩擦系数取0.7，计算得单位长度混凝土块的摩擦力为2541.96kN，远大于冰推力，表明该护坡结构可防止冰荷载对土石坝坝坡造成破坏。

将公式所得静冰压力和动冰压力计算值与参照《水工建筑物抗冰冻设计规范》(SL211-2006)所得冰荷载进行对比，结果表明，公式计算结果与规范值较为符合。

表1动冰压力对比表

冰厚(m)	公式求值/(kN/m)	规范求值/(kN/m)	误差百分比
				0.4	4.664	4.277	9.06％
0.6	6.996	6.591	6.16％
				0.8	9.328	9.016	3.47％
1.0	11.661	11.548	0.97％
				1.2	13.993	14.184	1.35％

表2静冰压力对比表

冰厚(m)	公式求值/(kN/m)	规范求值/(kN/m)	误差百分比
				0.4	89.847	85	5.70％
0.6	178.449	180	0.86％
				0.8	217.558	215	1.19％
1.0	243.785	245	0.49％
				1.2	263.780	280	5.80％

Claims (10)

1.一种土石坝防冰推冰拔护坡结构，其特征在于，布置在死水位以上土石坝上游坝坡上，包括自下而上依次设置的砂砾石防冻胀破坏保温层、预制混凝土板和混凝土块防护层，其中混凝土块防护层由混凝土块拼接而成，混凝土块包括矩形底座，矩形底座上端面四角一体设有梯形体，中心设置有凹槽，四边开设有切口以及连通凹槽的泄水孔；拼接时，相邻梯形体间的凹陷位置砌水泥砂浆进行粘结，以使所有混凝土块形成一个整体。

2.根据权利要求1所述的土石坝防冰推冰拔护坡结构，其特征在于，所述切口为圆弧形。

3.根据权利要求2所述的土石坝防冰推冰拔护坡结构，其特征在于，所述凹槽为矩形，对称轴同矩形底座，深度为矩形底座厚度的一半。

4.根据权利要求3所述的土石坝防冰推冰拔护坡结构，其特征在于，所述泄水孔以凹槽一半深度与其贯通。

5.根据权利要求3所述的土石坝防冰推冰拔护坡结构，其特征在于，所述矩形底座厚度不小于15cm。

6.根据权利要求5所述的土石坝防冰推冰拔护坡结构，其特征在于，所述矩形底座长度为75cm，宽度为65cm；梯形体底面矩形规格为20cm×15cm，顶面矩形规格为14cm×10.5cm，高度与矩形底座厚度相同；凹槽尺寸为20cm×15cm。

7.根据权利要求1所述的土石坝防冰推冰拔护坡结构，其特征在于，所述砂砾石防冻胀破坏保温层厚度为30cm。

8.根据权利要求1所述的土石坝防冰推冰拔护坡结构，其特征在于，预制混凝土板长度为4.2m，宽度为50cm，厚度为10cm，采用混凝土编号为C30W4F200。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的土石坝防冰推冰拔护坡结构，其特征在于，在所述土石坝防冰推冰拔护坡结构底部设置由混凝土浇筑的挡边，以避免其在水位较低情况下沿坝坡向下发生位移。

10.一种动、静冰压力计算方法，土石坝坝坡采用权利要求1至9中任一项所述的土石坝防冰推冰拔护坡结构，其特征在于，所述动、静冰压力计算方法包括：

计算动冰压力P：

其中，P为动冰压力，kN/m；α为坝坡形状系数，矩形为1，多边形或圆形为0.9；β为坝坡材料系数，取值范围为0.7～1.0；γ为接触系数，取值范围为0.4～0.7；λ为坝坡坡度系数，上游坝坡倾角为0～15°时，取0.75，倾角为15°～30°时，取0.75，倾角为30°～45°时，取0.5；v为当日平均风速，m/s；v₀为参照速度，取1.0m/s；h为计算冰厚，取历年最大冰厚的0.8倍，m；σ_c为冰的抗压强度，kPa，流冰期可按450kPa计算；

计算静冰压力F：

其中，F为静冰压力，kN/m；σ_c为冰的抗压强度，kPa；h_c为当日最大冰厚，m；▽t为一天最高与最低气温差的绝对值，℃；t为初始气温，一般为负值，按早上8时气温计算，℃；

T为升温时间，按6h计算；T₀为参照时间，取1h；

确定混凝土块厚度，然后根据公式(1)和(2)计算冰荷载，当计算后的冰荷载沿平行坝坡方向的分力能被混凝土块防护层与预制混凝土板的摩擦力抵消时，则认为护坡结构能够对土石坝坝坡起到保护作用，否则增大混凝土块厚度，重新进行核算，直至满足要求。