DB21／T 3381-2021 标准规范下载简介
DB21／T 3381-2021 北方寒区水工结构防冰冻技术规程.pdfDB21/T 3381202
北方寒区水工结构防冰冻技术
本文件规定了北方寒区水工结构冰盖开槽法、保温板法、压力水射流法、压力空气吹泡法、风机叶 泡法、门叶电热法、埋件电热法等防冰冻技术、防冰冻技术评价指标和监测的要求。 本文件适用于北方寒区挡水和泄水建筑物、取水和输水建筑物、泵站和电站建筑物、闸涵建筑物 水工金属结构等防冰冻设计与管理
下列文件申的内容通过文申的规范性引用而构成本 仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件 文件。 GB50199水利水电工程结构可靠性设计统一标准 GB/T50662水工建筑物抗冰冻设计规范 NB/T35024水工建筑物抗冰冻设计规范 SL211水工建筑物抗冰冻设计规范
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下列术语和定义适用于本文件。
整个冰冻期内日平均温度低于0℃的日平均气温逐日积累值。
水体表面形成的大面积冰层
本表面形成的大面积冰层
静止冰盖升温膨胀对水工结构产生的作用力
一 水工结构防冰冻技术设计应符合下列基本规定：
4.1水工结构防冰冻技术设计应符合下列基本规定：
水工结构防冰冻技术设计应充分掌握水工结构所在地的自然条件、施工和运行条件等基本资 料； C 应根据冰冻作用的因素、危害程度、建筑物的级别及其型式，确定防冰冻技术设计方案，并 应提出对施工和运行方面的要求； d 对受冰冻作用严重的工程应进行专门研究； e）可结合具体工程采用防冰冻作用的先进技术， 4.2水工结构的防冰冻技术设计除应满足本文件规定外，尚应符合现行国家及行业有关标准的规定
水工结构的防冰冻技术设计，应根据需要取得水工结构的建筑物级别、工程地点的气象、冰情等 斗
水工结构的防冰冻技术设计时，应根据水工建筑物级别，采用不同结构安全级别，选用不同结构安 全系数。水工结构及结构构件的安全级别，根据其在水工建筑物中的部位、本身破坏对水工建筑物的 安全影响，可比水工建筑物的结构级别降低一级，但不应低于Ⅲ级。水工建筑物结构安全级别的划分应 符合GB50199中的规定，结构安全系数的选取应符合本文件表1的规定
表1水工建筑物结构安全级别及安全系数
气象资料应包括工程地点的年平均气温、最冷月平均气温、最低日平均气温、冻结指数、冬季风 速等。气象资料应采用当地或条件相似的邻近气象台（站）的实际观测值，其统计系列年限不应 近20年。
设计采用的冻结指数应取历年最大值，其统计系列年限不应少于最近20年
冰情资料应包括封冰（冻）日期、解冰（冻）日期、流冰历时、冰厚、冰块尺寸、冰流量、流冰总 量、流冰种类及性质、武开江概率等。冰情资料应根据当地或冰情相似的河流、水库的观测资料确定。 无实测资料时，宜通过实地调查确定：条件不具备时，可按照GB/T50662确定的方法执行。
冰盖开槽法防冰冻技术适用于水工金属结构和水工混凝土结构迎水侧。该技术简单直接，但险 低且存在安全隐惠，适用于各级别的水利工程
6.2.1采用冰盖开槽法时，在水工结构前冰盖上用人工或机械开一冰槽露出水面，并将碎冰捞出，且 需定时循环作业，同时要注意人身安全和设备安全。 6.2.2人工开槽采用的主要设备为冰，机械除冰采用的主要设备为电动冰钻等。 6.2.3采用冰盖开槽法防止水工结构承受静冰压力作用时，水槽宽度由开槽设备确定，但不宜小于 400mm，并应始终保持水槽内结冰厚度不大于10mm。 6.2.4采用冰盖开槽法防冰冻技术还应符合GB/T50662中的规定。
保温板法防冰冻技术适用于 工程级别 较低的中小型水利工程
7.2.1采用保温板法防止门叶承受静冰压力作用时，可在结冰初期沿闸门跨度连续铺设保温板，其上 覆盖一层塑料薄膜，并在其上与四周压载防风。当采用聚苯乙烯泡沫板，板的导热率2≤0.03W/（m℃） 和体积吸水率W≤2%时，其保温板尺寸可按公式（1）和公式（2）计算：
式中： 6x 聚苯乙烯保温板厚度（m）； B 聚苯乙烯保温板的铺设宽度（m）； dimax 水库冰盖最大厚度（m），可按照GB/T50662确定的方法计算。 7.2.2采用保温板法防冰冻技术还应符合SL211中的规定
B = 3.08imo
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8.2.1压力水射流法可采用全段定时或分段定时射流，不宜采用连续射流。 8.2.2 采用压力水射流法时，所提供的水温不应低于0.4℃。 8.2.3压力水射流法的射流管与水工结构迎水侧外缘的距离不应小于3m。 8.2.4压力水射流法可采用潜水泵供水，具体要求应符合GB/T50662中的规定 8.2.5潜水泵流量可按公式（3）计算：
8.2.10射流管上的射流孔射流速度可按公式
时流管上的射流孔射流速度可按公式（9）计算：
式中： 射流孔的出口流速（m/s）； Vc 到水面或到冰盖下的射流冲击速度，可采用vc≥0.3m/s； 射流管放置水深（m）； d 射流孔直径（m）。 8.2.11潜水泵的功率可按公式（10）计算：
式中： N一一水泵功率（kW）； n一—潜水泵效率，一般可取0.65~0.85。 8.2.12射流管放置水深hg应在现场进行调试。射流管应能随水工结构迎水侧水位变动而保持其最佳放 置水深。 8.2.13冰盖的融化速度可按公式（11）计算：
压力空气吹泡法防冰冻技术适用于水工金属结构和水工混凝土结构迎水侧，该技术设备初期投资较 高、功耗较大，除冰成本高，适用于大中型水利工程
9.2.1压力空气吹泡法可采用全段定时或分段定时吹泡，不宜采用连续吹泡， 9.2.2压力空气吹泡法的吹气喷嘴与水工结构迎水侧外缘的距离不应小于3m。 9.2.3 压力空气吹泡法采用空压机供气，应设两台空压机并联，并应互为备用。 9.2.4 压力空气吹泡法可按压力水射流法的计算方法计算，但其中的水温应改为气温。 9.2.5采用压力空气吹泡法防止水工结构承受冰静压力作用时，风压可取0.6MPa，喷嘴淹没水深可取 2m～5m，应由试验确定。 9.2.6压力空气吹泡法所用的空压机排气量应符合GB/T50662中的规定，具体按式（12）计算：
9.2.5采用压力空气吗
2m~5m，应由试验确定
式中： Q 空压机排气量（m/min）； 结构安全系数，按表1选用； Lo 水工结构防冰冻区域长度（m）； qa 消耗气流量指标，可取q,=0.03m/（m·min)
风机吹泡法防冰冻技术适用于钢闸门等水工金属结构、水工混凝土结构以及水工护岸结构，该技术 具有初期投资低、能耗低、易维护的特点，适用于各级别的水利工程。
乱机吹泡法可采用全段定时或分段定时吹泡，不
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10.2.2风机吹泡法的吹气喷嘴与水工结构迎水侧外缘的距离不应小于3m。 10.2.3风机吹泡法采用离心式风机供气，可多台风机串联统一控制，也可对每台风机进行单独控制 10.2.4气喷头淹没深度不宜小于0.20m，可根据工程实际和现场试验进行调整。 10.2.5采用风机吹泡法选取风机时，风压可按下列公式（13）~（15）计算：
P = y(Pw Pw = PwgH.. d
式中： P 风机的风压（Pa）： Y 结构安全系数，按表1选用； Pw 吹气喷嘴所处水深H处的水压（Pa）； Pf 气压损失（Pa）； Pw 水工结构前水的密度，一般宜取pw=1.0×10kg/m； 9 重力加速度，可取g=9.81N/kg； H 吹气喷嘴所处水深（m）； 入f 气体沿程阻力系数； Lp 输气管长度（m）； dp 输气管内径（m）； 5 气体局部阻力系数（m）； Pa 空气密度（kg/m），一般宜取p。=1.293kg/m； u 气体流速（m/s） .2.6风机吹泡法所用的风机流量可按照GB/T50662中确定的方法计算
N,通过门叶钢板向过冷水中传热所需的加热功率（kw）
Ksw 由TJ叶钢板向过冷水申的传热系数，Ksw=0.233kW/（m·C）； 门叶内部空气加热温度（℃）； tk 设置地点的极端最低温度平均值（℃）； Aw—一门叶钢板与过冷水的接触面积（m） 11.2.4通过门叶钢板向冷空气的传热所需的加热功率可按公式（18）计算：
N2一一通过门叶钢板向冷空气传热所需的加热功率（kW）； Ksa——由门叶钢板向冷空气的传热系数，可取Ksa=0.025kW/(m·℃)； Aa一门叶钢板与冷空气的接触面积（m） .2.5通过门叶保温板向冷空气传热所需的加热功率可按公式（19）计算
N一一门叶内加热所需的总功率（kW）； 一一结构安全系数，按表1选用。 11.2.7门叶电热法防冰冻技术要求还应符合GB/T50662中的规定
理件电热法防冰冻技术适用于大型水利工程
.2.1埋件电热法加热元件可采用电热缆、电热管等，并应配置具有温控和保护功能的控制柜或 2.2埋件电热法根据加热连续性可分为定时加热或连续加热。加热功率可按公式（21）和公式 行计算。 a）定时加热。只要求将钢埋件工作表面上厚度有限的冰融化一定厚度，所需加热功率可按 （21)计算：
12.2.1埋件电热法加热元件可采用电热缆、电热管等，并应配置具有温控和保护功能的控制柜或控制 智。 12.2.2埋件电热法根据加热连续性可分为定时加热或连续加热。加热功率可按公式（21）和公式（22） 进行计算。 a）定时加热。只要求将钢埋件工作表面上厚度有限的冰融化一定厚度，所需加热功率可按公式
式中： N—加热功率（kW）； 需要融化的冰厚，可取0.01（m）：
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A 钢埋件加热面积（m）； T一一拟定的加热时间（h）。 b）连续加热。不允许钢埋件工作表面上结冰，钢埋件工作表面部分在空气中和部分在水中，其 加热功率可按公式（22）计算： N = 0.03(1 2tk)Aα + 0.3Aw （22) 式中： N一加热功率（kW）； 设置地点的极端最低温度平均值（℃）； 8—需要融化的冰厚，可取0.01（m）； 钢埋件与冷空气的加热面积（m）； Aw 钢埋件与过冷水的加热面积（m）。 2.2.3埋件电热法防冰冻技术要求还应符合GB/T50662中的规定，
Ai 钢理件加热面积（m）； T 拟定的加热时间（h）。 b）连续加热。不允许钢埋件工作表面上结冰，钢埋件工作表面部分在空气中和部分在 加热功率可按公式（22）计算：
13防冰冻技术评价指标
防冰冻技术评价指标共包括3个，即技术性指标、经济性指标和节能性指标，可作为防冰冻技术优 选的参考依据。
技术性指标为采用防冰冻技术后的实际防冰冻效果，包括不冻区（或冰槽）宽度、不结冰天数、水 工结构冰冻破坏情况
经济性指标为采用防冰冻技术在水工结构每米防冰冻长度内发生的成本，采用静态分析方法，即 考虑时间因素对资金价值的影响。经济性指标可按公式（23）计算：
式中： 经济性指标； 采用防冰冻技术发生的年折算费用（元）； 水工结构防冰冻区域长度（m）。 采用防冰冻技术发生的年折算费用Z可按公式（24）计算
C一年生产成本（元） —采用防冰冻技术的投资额（元） R.基准投资收益率。
节能性指标为采用防冰冻技术在水工结构每米防冰冻长度内消耗的功率，可按公式（25）
e 节能性指标； W—设备功率（kw）； 水工结构防冰冻区域长度（m）
对于北方寒区水工结构，除按常规进行监测设计外，还应根据建筑物等级及场地的气象、冰情 资料进行冰冻害巡视检查和冰冻观测
14.2.1巡视检查的主要内容为裂缝及变形检查和冻融剥蚀检查。 4.2.1.1裂缝及变形检查是指检查建筑物在冰冻作用下有无裂缝、滑动、倾斜、沉陷、鼓起、塌滑等 现象，记录裂缝及变形的形式、大小、位置和时间等情况。 14.2.1.2冻融剥蚀检查是指检查建筑物表面有无冻融剥蚀现象，记录冻融剥蚀的部位、冻融剥蚀程度， 绘制草图或拍照。 4.2.1.3巡视检查记录宜采用数据库形式进行保存。 4.2.2冰冻观测的主要内容为冰情观测与冰压力监测。 14.2.2.1冰情观测应包括封冰（冻）日期、解冰（冻）日期、流冰历时、冰厚、冰块尺寸、冰流量 流冰总量、流冰种类及性质等。 14.2.2.2应根据冰厚大小，在冰面以下布置压力和温度传感器，封冰（冻）期进行静冰压力和冰温监 测，同时还应监测气温。 14.2.2.3在水工结构前缘适当位置布置压力传感器，在流冰时，进行冻冰压力监测，同时还应监测风 速和风向。 14.2.2.4在封冰（冻）期，冰压力观测宜为每日2次，若遇持续升温或降温天气，应适当增加测次， 14.2.2.5冰冻观测其他要求还应符合NB/T35024中的规定。 14.2.3根据不同建筑物的级别、运行及冰冻危害特点，应设置不同的观测断面及观测项目。 14.2.4应及时整理冰冻观测资料，分析各测点气象、冰压力、建筑物变形等之间的关系。 4.2.5水准测量的基准点和工作基点应设置在不冻胀地基土上或采取防冻胀措施。 14.2.6北方寒区的安全监测设施应满足低温环境运行要求，避免结霜、冰冻或冻胀的影响。
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为便于在执行本文件条文时区别对待，对要求严格程度不同的用词说明如下： a）表示需要满足要求： 正面词采用“应”，反面词采用“不应”； 表示推荐或指导，其中肯定形式用来表达建议的可能选择或认为特别适合的行动步骤，无需 提及或排除其他可能性，否定形式用来表达某种可能选择或行动步骤不是首选的但也不是禁 止的： 正面词采用“宜”，反面词采用“不宜”； C） 表示允许： 正面词采用“可”，反面词采用“不可”； 表示需要去做或完成指定事项的才能、适应性或特性等能力： Q 正面词采用“能”，反面词采用“不能”； 表示预期的或可想到的物质、生理或因果关系导致的结果： 正面词使用“可能”，反面词采用“不可能”。
为便于在执行本文件条文时区别对待，对要求严格程度不同的用词说明如下： a）表示需要满足要求： 正面词采用“应”，反面词采用“不应”； b 表示推荐或指导，其中肯定形式用来表达建议的可能选择或认为特别适合的行动步骤，无需 提及或排除其他可能性，否定形式用来表达某种可能选择或行动步骤不是首选的但也不是禁 止的： 正面词采用“宜”，反面词采用“不宜”； C 表示允许： 正面词采用“可”，反面词采用“不可”； 表示需要去做或完成指定事项的才能、适应性或特性等能力： 正面词采用“能”，反面词采用“不能”； e 表示预期的或可想到的物质、生理或因果关系导致的结果： 正面词使用“可能”，反面词采用“不可能”。
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我国北方严寒和寒冷地区的水工结构，在冬季运行过程中均存在冰冻或冻融作用的问题，使不少工 程结构遭受不同程度的破坏。因此，规定水工结构防冰冻设计的基木原则、方法和技术要求，对水电水 利工程建设具有重要作用。本文件所涉及的防冰冻技术适用于北方寒区淡水环境下水工结构，海水环境 下水工结构可参考执行。
由于本规范涉及范围较广，冰冻问题的自然因素较复杂，因此，本条中规定了水工结构防冰冻设计 应遵循的基本原则和方法，包括在执行本规范的同时还可结合具体工程条件进行试验研究，并在此基础 上采用先进技术，从而也可为补充和完善本规范提供依据
7.2本条是根据黑龙江黑河市卧牛河水SY／T 6385-2016 覆压下岩石孔隙度和渗透率的测定方法， 和试验资料提出的。当地最低气温 最大冰厚为1.48m。保温板厚度8%=0.15m，宽度8.=3.0m，考虑一定安全系数后得出，
目的是防止钢闸门的腐蚀加剧。 9.2.5本条是根据辽宁省窝水库等工程实践经验，并参照国外工程实践提出的
10.2.4本条是根据室内试验和辽宁省三湾水利枢纽工程的现场试验资料提出的。室内试验测试气喷头 不同淹没水深的防冰冻效果，试验结果表明在0.20m没水深情况下防冰冻效果良好，可靠性良好，节 能性指标良好。
12.2.2本条中的加热功率是按下列公式导出的。
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4.1寒区水工结构除了其有非寒区水工结构的特点外，还有承受冰冻害的特点。因此，除应按照《混 疑土坝安全监测技术规范》（DL/T5178）、《土石坝安全监测技术规范》（SL60）进行常规项目的监 则外，尚应满足寒区水工建筑物的特殊要求，进行冰冻害巡视检查和冰冻观测。 4.2.1冰冻害巡视检查包括在冰冻作用下的裂缝及变形破坏检查、冻融剥蚀检查等内容，巡视检查时 对发现的各种冰冻破坏现象应进行详细记录。 4.2.2~14.2.4冰冻观测的主要内容包括冰情及冰压力观测等。应根据不同建筑物运行及冰冻害特点 设置不同的观测断面及观测项目，并对观测资料及时进行整编分析，以根据观测资料进行预测和采取防 范措施，为工程设计和运行提供依据。 14.2.5为保证竖向位移观测的精确性，竖向位移观测的基准点允许冻拨量应为零。因此，规定竖向位 移观测的基准点不应受地基土冻胀变形影响或对基准点采取抗冻胀措施。 4.2.6我国北方地区许多大坝坝顶水平或垂直位移测点和观测基点都有变位，分析时常被视为坝体的 时效变位，造成误差。有时，甚至观测廊道内引张线和垂线也结霜或结露。因此，设计建筑物的安全监 则设施时应避免监测设施受到结霜、冰冻或冻胀的影响。例如，变形观测基点和测点采用深锚筋与下部 基岩或混凝土连接等方法。同时，设计中在分析和使用已有观测成果时应考虑有无受结霜、冰冻或冻胀 的影响。