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摘要：含有水的土体，当温度降到冻结温度(0°C)或冻结温度以下时，土中的孔隙水就会冻结成冰。冰体的出现，将胶结土的颗粒，各式各样土体的冰析作用，能使原来松散状态的介质，呈现出异常复杂的物理化学力学特性，而之前的物理力学特性有很大变化。把这种具有负温度以及冰，并且胶结着松散固体颗粒的土称为冻土。
我国是冻土较多的国家，为第三冻土大国。冻土面积占国土面积的70%以上，其中季节性冻土占50%以上。这些地区冬季气候寒冷，地表土层冻结，水面结冰，春季转暖融化。在这广大的冻土区进行工程建设，修建各类工程建筑物，必然遭到冻土和冰盖所带给建筑物的冻害破坏，影响工程建设。
我国东北地区的堤坝护坡，冰冻破坏是普遍存在的问题，特别是水浅、坝长、库区开阔的平原型水库尤其严重。如黑龙江省红旗泡水库的护坡，不论护坡为何种结构型式，如预制混凝土板、现浇混凝土板、浆砌石、沥青混凝土等均受到不同程度的冰冻破坏。因此，在季节冻土区如何防治土质堤坝护坡破坏是迫切需要解决的问题。本文将通过红旗泡水库状况及国内外相关研究资料，分析冰生消与气象因素的关系、探讨冰的物理力学性质、对红旗泡水库堤防护坡工程进行抗冰冻设计。
关键词：水库；护坡；抗冻；冰生消；静冰压力
前言
我国北方地区，每年的10月至次年4月，受蒙古气流的影响，天气寒冷，冬季温度极低，11月份有些地区河流逐渐被冻结，极少数区域甚至形成封冻[1]。大多数可见的情况为河流中的冰凌和水库的推坡受损。不光是河流，寒冷地区的一些水库同样受到冰害、冻害和浪淘的摧残，部分库面开阔、坝长的平原水库被破坏的更加厉害，1995年黑龙江省水科所立题研究“高寒地区平原水库护坡抗冰冻破坏新技术”，对该省北纬46°20'~48°的7座平原水库进行调查研究，7座水库中护坡出现巨大损伤的占所调查水库的42.8%。水库破坏比较典型的例子如：1966年黑龙江省卫星水库完工第一个冬季便因为冻胀把护坡拱翘、支起而受损，重修2年后局部护坡因为冻胀、浪淘等原因，护坡再次被破坏；吉林省太平池水库五次翻修大坝护坡依旧没有根治破坏情况；黑龙江省泥河水库己运行20年，其中1989年护坡被迫完全翻修，近7年，全长4000m、宽6m， 2.4万m3护坡全部再次受损[2]。
由于破坏因素的区别，冰冻对水库水工结构的破坏形式，一般能分成冰推破坏、冰拔破坏和动冰冲击破坏三种：冰推破坏即在水位变动较小的情况时，冰层膨胀导致的静冰压力把土坝的护坡推起形成的破坏。在我国东北、西北较寒冷地区的多数水库，都或多或少地有这种情况。
由于国内研究条件的局限，淡水冰的物理和力学性质研究不多。上世纪80年代，中国有一批湖河淡水冰科学工作者，他们努力研究了很久，积攒了一些成果。
因为河流冰塞和冰坝造成的危害较大，我国的研究队伍研究的内容在河冰方面较为全面，茅则育等(2007)对开河期冰盖纵向冰缝形成机理和纵向冰缝位置展开了研究且提出预测纵向冰缝位置的公式；张学成等(2002)在对黄河干流的冰生消研究总结出流量与气温的变动是影响冰厚的主要原因。肖建民依据对黑龙江省胜利水库冬季冰盖十余年资料的研究，结合冰盖与大气、水的热交换过程和水库水温变化对冰盖厚度的影响等因素，构建了寒区水库冰盖生长的一维数值模型且提供出解答方式[2]。
国际上，不光对冰塞有非常全面的研究，并且对水库结构物的冰问题同样有全面的研究。但因为各地环境条件的不同，这些研究成果不仅有共性，同时有个性。在水库结构物的冰问题中，首先是淡水冰生长的评估，这部分完善了区域性的数值预报模式，其次强调不同环境中冰晶体结构的不同，强调冰力学性质的系统研究，进而确保数据的覆盖面和代表性。最近的热门研究，是河流和水库流动冰块对边坡泥土的挖掘和侵蚀，有关成果对水库和河流开封时期的管理保护有直接指导意义[2]。
为防治北方地区冰冻作用对建筑物的破坏或对正常运行不利的影响，针对建筑物冰冻害系列问题，从冰的形成与消退，冰的性质，冻害破坏特征入手，根据红旗泡水库现象，分析红旗泡水库出现冻害破坏的原因机理，提出红旗泡水库堤防护坡工程防治冻害的抗冻设计方法和抗冻措施。
冻害破坏特征
从各种水工混凝土建筑物冻融破坏的形式看，堤坝护坡在冰压力、冻胀及不均匀冻胀的作用下，产生的冰推、冰拔、流冰撞击及冻胀的破坏，所表现的破坏特征主要有以下几个方面：
冰冻裂缝
无论什么型式的护坡都出现了规则的裂缝，常出现在越冬水位以上2~4m范围处。对于块石护坡在隆起的条带下坝体产生裂缝，对于现浇的混凝土板护坡、沥青混凝土坝坡在隆起处形成纵缝和横缝，而对于沥青混凝土护面又常为全坡面不规则的龟纹裂缝，大的裂缝可穿透沥青混凝土层伸入坝体。裂缝宽度、长度、大小不等，小的几毫米、几厘米，大的长度可达数米。春季冻土融化后，裂缝不能复位，受到渗水、水流的淘刷，使护坡下土体淘空、塌滑、塌陷、塌坑，最后使护坡全部破坏。
隆起
发生在主冻胀带冰面以上1.5~4m范围内，对于预制混凝土板和现浇混凝土板常在接缝处裂开，板鼓起、松动、错位、搭架、滑落。当发生冰推作用，使护坡板沿垫层整体向上推移时，也产生大面积的隆起或局部的隆起。由于冰层以上护坡被推动，冰层底面处发生脱缝(见图4-2)。隆起高度多在5~8cm，有的高达10~20cm。下面脱空，垫层破坏。对于块石护坡、浆砌石护坡等，会产生护坡上推、块石滚动、坝面起拱，高度最大可达40~50cm。坝面成折线或波浪式变形，严重的大面积隆起，变成一堆抛石。
图混凝土预制板衬砌冻胀变位示意图
护坡板整体向上推移
沿着护坡与垫层间或护坡与冻土层沿着冻融交界处整体上移。前者多在冻结初期，冰层较薄，护坡轻和冰面以上护坡较短的情况下产生(见图4-4 a)；后者多在冻结后期，冰层较厚，冰压力和冻结力均较大的情况下发生(见图4-4 b)。表面除产生前述的隆起特征外，在冰层下缘处护坡块石或混凝土板被推开20~40cm的缝，同时，上缘处护坡向上移动，高出坝顶上翘。有的由于冰与护坡间冻结力小，形成冰爬坡的现象。有的高达数米，呈上翘的弧面，此情况对坡面破坏较小(见图4-5)。
护坡剪切破坏
常发生于沥青混凝土护坡、水泥土护坡等承受抗拉能力较小的坡中，冰压力将护坡剪断或削掉呈一个圆弧形的层面，上下部分脱节，上部护坡沿坝坡上移(见图4-6)。
冰拔或冰拉
冬季冰层与坡面冻结后，库水位涨落或冰层在降温时体积收缩变形，冰层对冻结在一起的护坡作用产生冰拔或冰拉。当库水位上升时，冰盖对护坡体、坡脚齿墙产生上拔力，表现为使其拔起、旋转或转动。若库水位上升速度慢，冰层随水位上而抬高，冰层与坝坡脱开，库水进入其间，由于上升速度慢，冰层与坡面易冻结成一体或冻牢，则易产生冰拔或冰拉破坏。反之，库水位上升速度稍快，大于上述值时，使冰层与坝面间的水体很难冻结牢靠为一体，因此不易产生冻拔破坏。
当库水位下降时则与上述相反。水位下降越慢，冰拔可能性越小；水位下降越快，冰拔可能性越大。水位的迅速降低，与冰层冻结的护坡将承受相当范围内的冰层荷载的弯矩，可把护坡翘起，坡脚齿墙向库内倾斜(见图4-7)。
冰层的收缩变形，可将与冰层冻结在一起的护坡拉离坡面，使护坡翘起错位。
水位升降时冰层对护坡的拔力
冰爬坡防浪墙破坏
在初春水库冰层融化，当进库水位升高时，冰层破碎，在风力或水力作用下，流冰撞击坝坡，使坝坡破坏，同时，浮冰被推上坝坡，形成冰爬坡，直至坝顶，甚至超过坝顶，撞坏防浪墙。冰层爬坡分为初冬结冰过程中冰层冻结膨胀变形的冰爬坡、春季冰层升温过程中冰层热膨胀变形的冰爬坡[11]。
(1)初冬结冰过程中冰层冻结膨胀变形的冰爬坡
红旗泡水库冰层爬坡一般每个结冰季节发生两次。第一次发生在12月上旬封库结束之后；第二次发生在3月中旬开春融冰开库前。两次冰爬坡在机理上有本质的区别。第一次冰爬坡是在初冬水库封冻时，其产生的机理是因水结冰相变过程的体积增大所引起。随着入冬气温下降，水库表层水温降至冰点，沿护坡边缘开始结冰，然后逐渐向水库中部发展，最后整个水库封冻。众所周知，冰的密度小于水的密度，其物理机理是在水冻结成冰的过程中伴随约9%的体积膨胀，如果质量保持不变，体积就要增加。
水库起初结冰的体积膨胀占据水库中未冻结水区的空间，但当水库封库后这部分空间失去。由于结冰初期，对应的结冰是快速生长的粒状冰，在空间方向以相同速度沿平面和向下生长，对应粒状冰为各向同性材料，生长过程中在冰面内所产生的膨胀压力沿各方向基本相同。封库后，冰下的水继续以相同速度生长粒状冰并逐渐向柱状冰过渡(2008年至2009年冬季的分界出现在21cm深度处，2009年至2010年冬季的分界出现在37cm处)[11]。这样结冰过程水平方向的体积增加因受到约束，而产生冰内应力。当该应力大于冰与护坡表面冻结强度或者对应冰厚度的屈曲临界应力时，冰层向水库护坡方向产生一次水平位移，导致冰层断裂和爬坡、堆积。堆积在冰脊上的碎冰块，因低气温和弱动力，就附着在冰脊上，保持边缘隆起、上翘和架空状态(如图4-8所示)，直到来年融冰。根据上述分析这次爬坡应发生在冰生长速度快的凌晨，所以一般不易观测到堆积过程。此外，因为这次爬坡对应冰厚小于40cm，其爬坡作用力不会给护坡带来太大破坏。
由于冰是一种固体材料，它也同样具有热胀冷缩性质。第一次冰爬坡后，冰层下水的冻结速度减慢，冰晶体由粒状向柱状过渡，相应冰在水平面方向的生长速度开始小于垂直冰底向下的生长速度。另外冰面温度降低时，冰层发生收缩，冰层与护坡的边界条件的冻结状态决定冰层不能自由收缩，冰层只能在内部形成宽度、长度和深度大小不同的裂缝。此时冰层因收缩裂缝引起体积减小，而隆冬季节水库气温持续寒冷，冰层不断生长增厚。此时期冰层冰底水相变引起的9%的体积膨胀主要表现为对冰下水层的压缩，静冰压力的作用也是主要表现为对水层的作用。而在水平方向增加的体积引起的应力集中不抵表层收缩裂缝释放应力，而在隆冬季节，冰层持续增厚，同时冰面最少出现0.5%的收缩裂缝，相应冰层不再会发生爬坡现象。
结冰初期冰爬坡现象
(2)春季冰层升温过程中冰层热膨胀变形的冰爬坡
第二次冰层爬坡发生在春季回暖时，这时冰层厚度达到最大。此次冰爬坡是由于冰温升高引起冰的热膨胀，是冰固体材料的热胀冷缩性质的表现。由于冰厚度大，第二次冰爬坡对护坡的破坏大于第一次。
冰层热膨胀是以不同介质间热交换为基础，气-冰-水相互之间发生热交换。在冰层得到正能量时，冰层温度升高，冰内晶粒体积增大。由于冰为固体材料，微观层次的冰晶粒体积增大最终表现为冰层的体积增大。另外因冰层裂缝的存在，冰层热膨胀体积增大时首先致使冰层内部冰裂缝愈合，在冰裂缝完全愈合后，加之冰面积雪融水和裂缝内的冻结，冰层成为大面积的“完整体”。冰层剩余体积增量将会使冰层产生内应力，最后以冰层水平运动、冰层断裂和爬坡的形式卸载。直至抵抗冰层运动的摩擦力同冰层推力达到平衡时冰层才会停止运动直到融化。根据上述分析，第二次冰爬坡一般会在下午迅速升温之后发生。
护坡破坏原因分析
红旗泡水库的大坝系均质粘土坝，护坡为模袋混凝土材料，在季节冻土区，土质堤坝护坡破坏是冻胀、冰压力、风浪等的综合作用的结果，加上护坡本身抗冰冻能力低，表现在结构型式上，护坡厚度小，连续性、整体性差，强度、刚度低，护坡的反滤、垫层厚度小。同时，外部的环境、温度、水分补给、风力及风向、约束条件的不同，设计、施工、管理等方面的不足，加大了上述三种作用。以下作一一分析。
冻胀融沉对护坡的破坏
对于均质坝护坡的基土常为冻胀性强的黏性土，填筑土的压实密度又不高，迎水坡防冻保护层厚度不够，总厚度小于设计冻深，又有水分的充分补给，故在负温时产生很大的冻胀，冻胀量最大可达几十厘米，而坡面的护坡较薄、重量较轻，结构的连续性和整体性较差，其刚度和强度较低，不足以抵抗作用在护坡上的冻胀力，从而护坡被抬起，衬砌间的接缝张开、错位、架空、滑落。
坡面冻胀条件不同，可产生不均匀冻胀，在不均匀冻胀力的作用下，护坡隆起、拱翘、错位，坡面呈折线形或波浪形，产生较大的弯矩或剪力，在薄弱处产生裂缝或折断。
护坡是否由于土的冻胀而破坏，主要决定于产生冻胀基土的土质、水分、温度等条件。对于在冬季库水位以上的土坝坡面，土体在冻结过程中，由于毛细水的作用，仍可不断地上升补给冻结锋面，使坝体不断形成冰晶体，从而使库水位以上的坝体成为强冻胀区，冻胀量可达20~30cm以上，致使护坡隆起。
春季消融后，由于冻胀使护坡隆起、架空、错位、接缝开裂、裂缝等不能复位，几次冻融后，间隙逐渐扩大，垫层、反滤失去保护，渗水使基土含水量增加，抗剪强度降低，基土发生松动，容易沿着抗剪强度低的界面下滑、塌陷。融化期可产生较大的不均匀沉陷，失去防渗、防冲能力，在风浪和水流的作用下，导致滑坡大面积的破坏，不能正常运用。
冰压力对坝坡的破坏
冰压力包括动冰压力和静冰压力。动冰压力对坝坡的破坏是指初春冰层解冻、冰裂成块时，在水力或风力作用下的开库和坝坡迎风情况下，大量的冰块运动撞击坝坡和防浪墙而造成的。
静冰压力对坝坡的破坏是指冰层在受热升温、冰体膨胀受到约束的条件下，产生的作用于约束体上的力，即静冰压力作用的结果。
静冰压力P对坝面的作用表现为静冰压力沿坝面方向向上的分力PH和垂直坝坡面方向上的分力Pv(见图4-9)[10]：
； (4-1)
冰压力PH通过冰与护坡间的冻结力P0作用于护坡上，使护坡沿坡面方向向上滑动，形成冰推的作用；抵抗向上滑动的为作用于滑动面上的摩擦力Pf，根据受力情况不同，可分为以下几种情况:
(1)当PH>P0＋Pf时。当护坡面抗冰推强度较大(Pf较大)，而且大于冰与护坡间的冻结力或坡面光滑，冻结力P0≈0时，在PH的作用下，首先在冰与护坡间剪断，冰盖板沿护坡面上爬(见图4-10)，冰压力释放随即消失。此种情况一般不对坝坡产生大面积的破坏，仅对个别的质量不佳的护坡产生局部破坏。若护坡的抗冰推强度小于冻结力，此时首先在护坡垫层间滑动，发生冰推破坏坝坡的现象，而不产生冰爬坡的现象。上述两种情况一般在冻结初期产生。
(2)当PH<P0＋Pf时。当冰压力和冻结力都大于坝坡抗冰推强度时，冰层不上爬，冰压力通过冻结力施加给护坡，产生冰推坝坡的破坏现象。若坝坡整体性好，冰推坝坡的破坏面可有两个：?坡沿垫层间整体向上推移，一般发生在冻结初期；?护坡与冻土层一起沿冻融界面整体向上推移，此时常发生在冰冻后期，护坡与坝体冻结在一起。
若坝护坡整体性差、不平衡、个体质量小，彼此之间联系差、传力不均匀、承受拉力小，常产生局部隆起、滚动、挤出、接缝间鼓起、上下断裂、脱开等现象。
当护坡沿垫层推移时，坝坡抗冰推强度，主要为冰层以上护坡的重量和沿坝坡方向阻止上滑护坡重量形成的摩擦力，即 (见图)[10]。
冰压力对坝坡衬砌作用示意图
根据力平衡原理，护坡沿坝坡方向的抗滑安全系数K为：
h—冰厚，m；
t—护坡厚度，m；
f—护坡材料与垫层间摩擦系数；
α—坡面与水平线交角。
满足式(4-3)的要求，显然护坡要有足够的厚度和冰层以上有足够的高度，但在小型及平原水库中，很难达到，因此，平原水库护坡破坏较多。但是在有的水库即使有足够的抗冰推强度，由于护坡下为强冻胀性土，也因冻胀而破坏。反之，有的水库护坡下为非冻胀性土、垫层很厚或者为黏土心墙砂壳坝，护坡一直作用良好。这就说明护坡的冻害破坏是综合因素的结果，坝坡的土体冻胀是破坏的主要原因，冰推力的作用加重了破坏的力量。因此，根据具体情况要采取综合措施来防治坝坡的破坏。
风浪作用对护坡的破坏
以往设计均按风浪作用确定护坡结构型式及厚度，没有考虑冻胀及冰压力的作用。护坡在冻胀和冰压力作用下隆起、推移、错位、裂缝等。融化时护坡不能复位原有强度降低，基土融化使土含水量增加，呈松软和过湿状态，强度降低，产生不均匀的沉陷、滑塌，在风浪的作用下，波浪压力、板上浮力、静水压力、水流的冲刷使原设计能抵抗风浪作用的护坡无法继续起到防止风浪、水流冲刷的作用，护坡将发生大面积的淘刷、拖拽等形式的破坏。
上述三种原因是季节冻土区堤坝护坡冻害破坏的主要原因，它们的破坏作用既是独立发生的，又是互相联系、互相影响的。除此之外，也有设计方面的，如设计不合理，没有考虑冻胀和冰压力的作用问题，护坡本身的抗冰冻能力差等；有施工方面的，如施工质量不符合抗冰冻等设计要求；有运行监测、养护、修理、管理方面的问题。因此，要根据具体情况采取综合措施来防治坝坡的破坏。
土坝护坡冰冻害防治措施
从防止或者消减冻胀和冰压力作用及增加水库护坡的抗冰能力两方面入手，采取积极有效的措施，防止冰害的扩大化和再次发生，保证护坡工程的安全运行，主要措施如下。
换填法
换填法是指用粗砂、砾石等非冻胀性材料置换冻胀性土。此法已被广泛使用，并积累了许多成功的经验。我国北京等几个地区在土坝护坡下都铺设了较厚的碎石、砂等垫层或反滤层，取得了显著的效果，但是必须注意以下几个问题才有成效：
（1）必须有足够的换填深度。土坝护坡下垫层厚度由于没有考虑坝体、冻深、土质等条件而设置过薄造成破坏的事例很多；反之，很多水库护坡由于有足够厚的垫层，而成功运用了很多年。因此，必须有足够的填换深度，据黑龙江、新疆、甘肃、青海等省(区)的经验，土坝护坡应根据当地的冻深和土壤中毛细水上升高度来确定垫层厚度。垫层的厚度应满足在垫层加上护坡材料厚度条件下，基础下冻胀土层的冻胀量不超过允许冻胀量。土坝护坡实例见图4-14。
黏性土质坝的上游坡应设非冻胀性土的防冻层，对于标准冻深大于1.2m的地区或水库厚度大于0.6~1.2m的工程，在历年冬季最高水位以上2.0m至最低水位以下1.0m高程的坡长范围内。当坝坡土的冻胀级别属IV、V级时，防冻层厚度(包括护面层和砂砾垫层)宜等于或大于1.0倍设计冻深；当坝坡土的冻胀级别属1、2、3级时，最小应大于0.8倍设计深度。对于其他冻深和冰厚的地区的防冻层厚度也应大于0.6倍设计冻深。计算防冻层厚度时，取水(冰)面以上1.0m高度处作为设计冻深的计算点。对于黏土心墙、斜墙、防渗铺盖应防止运行期和施工期冻结，也应覆防冻层，厚度应大于设计冻深[10]。
(2)必须满足换填材料的质量要求。垫层材料一般采用碎石、砾石、砂等粗砾土。要严格控制垫层中黏、粉粒的含量应小于10%。对于垫层间的颗粒组成，不能厚度不均、层次混杂，要严格掌握施工质量要求。对于却少砾石的地区，可以采用土工织物反滤层，此种做法正在广泛推广之中。
采用抗冻较好的结构型式和材料
堤坝护坡应用足够的厚度和重量，应满足式(4-2)的要求。砌筑整体性要好，表面要平整，护坡封顶要严密，镇脚齿墙要牢固，死水位时齿墙要埋入冰层厚度以下稳定的土坡中。
土石坝护坡结构除按风浪计算外，还应根据冰压力大小和类似工程经验选择确定。
(1)抛石(堆石)护坡。适于当地有丰富的良好石料且有机械化施工的条件，护坡层的水平宽度不宜小于3.0cm，采用开采级配堆筑，其内侧可用残余细石料作垫层，水面宽度不应小于1.0m。
(2)干砌石护坡。应采用良好的块石，石料的最小边长宜大于300~350mm，层厚应大于350~400mm，砌筑缝隙不宜大于30mm。若采用方石，其短边长宜大于300mm，层厚应大于250~300mm，砌缝不宜大于30mm。
无大块石料时，可采用钢筋混凝土菱形格内砌块石护坡，菱形框格顺坡对角线长宜为3~5m，框格内断面尺寸宽度为300mm、高度400~500mm，并嵌入垫层内，钢筋混凝土框格混凝土强度和抗冻等级分别不宜低于C25、F300[10]。
(3)混凝土砌块护坡。每边尺寸不宜小于350mm，厚度不宜小于300mm，砌缝不宜大于10mm。现浇混凝土板尺寸，边长宜大于3000mm，厚度应大于200mm，混凝土强度和抗冻等级分别宜为C30、F300[10]。
(4)土工织物模袋混凝土护坡。模袋混凝土材料，能够抑制波浪爬升，红旗泡水库属于平原型水库，库区面积大，处于季风区域，春夏季刮东南风，秋冬季刮西北风，风力吹程长，风力比较大时，坝坡处涌浪很高，由于混凝土板护坡表面比较光滑，浪头顺护坡爬升很高，风力大时水头甚至能够越过坝顶，大坝背水坡没有防护，受水流冲刷，对大坝安全造成威胁。模袋混凝土施工由于是将混凝土充满进模袋成型，每个模袋大小可以根据需要进行加工制作，施工特点决定模袋混凝土护坡表面自然形成规律的凹凸起伏，能够有效阻止波浪爬高，减少风浪对坝坡的破坏。模袋混凝土平均厚度可取150~200mm，底部应平整，设置土工织物作反滤层。当冰推力较大时，模袋混凝土中在顺坡方向应加设穿插钢筋。
(5)块石混凝土护坡。采用良好的块石，块石料边长宜大于200mm，浇筑块石混凝土。黑龙江省联丰水库，块石混凝土尺寸100cm×100cm×32cm。泥河水库大板块石混凝土尺寸为300cm×500cm×40cm。经过多年运行，曾经多次发生冰盖层爬坡、上卷，但坝坡稳定，抗冰作用效果较好。
防冰措施
(1)构造措施。在流冰较严重的地区，坝顶超高应按常规设计和抗冰要求计算，并取两种设计超高的较大值。据东北、西北地区经验，抗冰冻设计超高，对于流冰期库水位为正常蓄水位运行的水库，在正常蓄水位以上设蓄冰库容，蓄冰库容不宜小于年流冰总量的1/3~1/2。在蓄冰最高水位以上，按常规计算超高。对于不设蓄冰库容的水库，考虑在开江时可能出现的冰块堆积，超高不宜小于开始流冰时库水位以上水库内最大冰厚的1.5~2.0倍，而武开江年份较多的水库应加大到最大冰厚的3~6倍。上述超高值只算至坝顶，不得算至防浪墙顶，防浪墙一般不能防御动冰撞击，为防止冰爬坡撞坏防浪墙应设置防冰墩，在防浪墙前，设置陡直段或导滑齿，使顺坡上爬的冰层在未到防浪墙前折断，或者加固防浪墙。若坝顶为冻胀土，应考虑冻胀力的作用，按抗冻胀设计要求确定埋深尺寸。
(2)破冰措施。常用人工破冰和机械破冰。人工破冰用人工多、不安全；机械破冰效率高、安全可靠，常用破冰机、轮锯式和锐式破冰机。一般在冰层达8~10cm时，在坝前距坝10m左右，平行坝轴线开凿一道2m左右宽的冰槽，槽内无冰块，保持活水。应注意破冰的时期，在冻结初期和温度回升转暖的冻结后期，应始终保持在全坝范围内冰槽为活水。依据红旗泡水库施工管理经验，在冰厚达30~70cm间分3次破冰，破冰深度分别为20cm、40cm、60cm，冰槽宽为50cm，破冰槽至坡脚距为30m左右，在冰厚达到70cm时停止破冰。经多年观察，整体效果还可以。但是，如按此方法破冰，仅主坝而言，按破冰104m/d人计算，应每日保证28人，而整个冬季从冰冻至冻融约120d，用工量将非常大，费用也不可接受，如果整个冬季破冰槽始终保持明水，破冰时必须注意安全[10]。无论哪种破冰方式都必须掌握好破冰的时期，每次破冰都必须达到宽度和深度的要求。为减少破冰量，可以根据冰压力发生的规律，采取间歇破冰。在温度变化剧烈的初冬和尾冬加强破冰，而在持续降温或气温变化缓慢的天气停止破冰。
(3)塑料薄膜引滑。利用塑料薄膜(常用聚乙烯)的不透水、光滑与冰不冻结的特点，在冰冻结时，可以使冰盖与坝坡完全分开。薄膜与冰的冻结强度远远小于冰体本身的强度。通过试验，薄膜与冰的黏结力C=0，它的抗剪强度τ=Ptanφ，内摩擦角φ为18°~25°。因此，当冰体膨胀时坝坡产生的沿坝坡面向上的冰推力，由于薄膜光滑，其推力远远大于薄膜与冰的冻结强度，而使薄膜与冰脱开，冰盖沿塑料薄膜上爬，从而减轻了对坝坡的作用。黑龙江省数十座水库运用此法，效果良好，而且成本低、简单实用。
铺设方法：当冰冻3~5cm时，沿坝坡打开一道1.5m左右宽的冰沟，将准备好的足够宽的塑料薄膜平铺于冰沟的水面上，宽的依据最大破坏冰层深度确定，常为0.8~1.4m，然后用木耙推入水中，用卵石作为配重，将薄膜沉入水中贴在坡面上，薄膜上边缘高出水面5cm左右，用圆钉直接钉在坡面上，防止下滑(见图4-15)[10]。铺设后在重新封冻前，注意检查，以防被浪掀起或丢失。
(4)调节水位法。水库在冬季运行中，只要保持一定的水位上升速度，冰层随水位上升而抬起，这样冰层就很难与护坡牢固冻结，可以防治冰拔破坏。但是在冬季很难实现水库水位的人为抬升，而水位下降可以受人控制，在冰层厚度达10~20cm时，开始放水，使水位下降20cm，形成隔离层减小冰压力。但是这种方法水量损失很大，红旗泡水库的自然环境更接近静水条件的湖泊，因此很难应用，经济上也不合适。
目前，土坝护坡多采用块石或混凝土板（块）砌筑，其下铺以垫层，实践证明，这两种护坡对抵御风浪作用有一定效果，但不能抵抗静冰压力的推移，更不能抵御动冰压力的撞击。因为块石护坡单层厚仅0.30~0.35m,双层厚约0.4~0.6m，混凝土护坡的混凝土板一般为50×50cm的方形板块，以上尺寸都是考虑风浪作用设计的，故不能抵御冰冻的破坏。若考虑冰压力的作用，则块石和混凝土板的体积将会太大，这样既不经济，又给施工造成困难。结合红旗泡水库具体状况，大庆市冬季极端气温-39.3°C，而模袋混凝土可抵抗-40°C气温，因此，从施工及经济的角度考虑，可利用土工织物模袋混凝土技术保护护坡免遭冻胀破坏。
也可综合应用上文中的防冻措施。在土坝护坡下铺设较厚的碎石、砾石、砂等粗粒土作为垫层，并设置防冻层，最上层铺筑良好的干砌块石，砂浆灌注。当冰冻3~5cm时，开始实施塑料薄膜引滑措施，待到次年开春，温度回升转暖，冰开始融化时，采用机械进行破冰，防止产生冰推力，对护坡造成破坏。。
结语
冰冻对水库的破坏，在我国东北、西北和华北较寒冷地区的多数水库，都不同程度地存在这种现象。本文借鉴已有的2008年12月19日至2009年4月8日在黑龙江省红旗泡水库的实测数据以及研究分析，对水库冰的形成与消退、冰的物理力学性质和土坝护坡破坏特征进行了分析，并提出了解决护坡抗冰冻问题的措施，后期能有效增加水库的使用年限，充分发挥水库的作用，减小寒区平原型水库因冻胀破坏问题造成的翻修费用以及经济损失，对水资源可持续发展、改善环境、国民经济的持续发展都具有重大意义。
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论文作者:姜磊
论文发表刊物:《防护工程》2018年第31期
论文发表时间:2019/1/18
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