一种土石坝防冰推冰拔结构及其施工方法与流程

1.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：

2.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。


技术实现要素：

3.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。
4.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。
5.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。
6.进一步地，干砌石的抗压强度大于30mpa，容重不小于17kn/m3。
7.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：
8.(1)收集土石坝历年冬季最低气温及最大冰厚h；
9.(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；
10.(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。
11.进一步地，冰推力f＝t1 t2 f；冰与干砌石之间的冻结力t1＝mα
t
α1γhs1，m为干砌石表面形状系数，α
t
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n为干砌石数量，α3为面积系数，ai为干砌石第i个侧面面
为干砌石两个平行底面的面积。
29.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。
30.(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。
31.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。
32.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α
t
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。
33.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。
34.表1
35.冰厚/mt1/(kn/m)t2/(kn/m)f/(kn/m)f/(kn/m)规范值(kn/m)0.4030.6273.448.50112.56850.6045.93110.168.50164.591800.8061.24146.888.50216.622151.0076.55183.608.50268.652451.2091.85220.328.50320.67280


技术特征：
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。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。3.一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；(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。4.根据权利要求3所述的施工方法，其特征在于：冰推力f＝t1 t2 f；冰与干砌石之间的冻结力t1＝mα
t
α1γhs1，m为干砌石表面形状系数，α
t
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n为干砌石数量，α3为面积系数，a
i
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。5.根据权利要求3所述的施工方法，其特征在于：防冰推冰拔箱内放置的干砌石粒径小于80cm。

技术总结
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。成本低等优点。成本低等优点。


技术研发人员：李卓 方艺翔 蒋景东 毕朝达 范光亚 杨阳 江超 张大伟
受保护的技术使用者：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院
技术研发日：2022.04.19
技术公布日：2022/7/12