冻融循环对新疆高寒地区水利工程结构的影响及防护技术

冻融循环对新疆高寒地区水利工程结构的影响及防护技术

艾尼瓦尔·阿卜力克木

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摘要：新疆高寒地区属于典型大陆性气候，冬季严寒漫长、极端低温显著，冻融循环频繁且持续时间长，水利工程结构长期处于这种极端环境中，易发生性能劣化、结构损坏等问题，严重影响工程安全稳定运行和使用寿命。本文结合新疆高寒地区气候与地质特征，系统探究冻融循环对水利工程核心结构的影响机制，分析不同结构类型的损伤规律，提出兼具创新性与实用性的防护技术体系，结合新型材料与智能管控思路，为新疆高寒地区水利工程抗冻设计、施工及运维提供理论支撑与技术参考，助力区域水利工程高质量发展。

关键词：冻融循环；新疆高寒地区；水利工程结构；防护技术

新疆高寒地区地域辽阔，水利工程作为区域水资源调配、灌溉供水、防洪减灾的核心基础设施，对保障当地农业生产、生态安全和民生福祉具有不可替代的作用。该区域冬季极端低温可达零下38℃以上，最大冻深超1米，春季气温回升迅速，导致水利工程结构及周边土体经历频繁的冻融循环过程。冻融循环作为寒区水利工程的主要环境胁迫因素，其反复作用会打破工程结构的力学平衡，引发一系列结构损伤，如混凝土剥落、砌体开裂、地基沉降等，不仅增加工程运维成本，还可能引发安全事故。当前，现有防护技术多存在针对性不足、长效性欠缺等问题，难以适应新疆高寒地区复杂的气候与地质条件。基于此，深入研究冻融循环对水利工程结构的影响机制，探索新型高效防护技术，具有重要的理论价值与工程实践意义，也是推动寒区水利工程技术升级的关键方向。

一、冻融循环对新疆高寒地区水利工程结构的影响

1.1 对混凝土结构的影响

混凝土是新疆高寒地区水利工程的核心构筑材料，广泛应用于大坝、渠道衬砌、渡槽等结构中，其抗冻性能直接决定工程使用寿命。冻融循环对混凝土结构的损伤主要源于内部孔隙水的相变作用，水分渗入混凝土内部孔隙后，冬季低温下结冰体积膨胀，产生巨大的内应力，破坏混凝土内部的微观结构，导致孔隙扩大、裂缝萌生；春季气温回升后，冰体融化，水分进一步向内部渗透，经过多次冻融循环，微观裂缝不断扩展连通，形成贯通性裂缝，最终导致混凝土表层剥落、强度下降、防渗性能恶化。新疆高寒地区水利工程的混凝土结构长期暴露在室外，无有效保温防护时，冻融循环会加速混凝土碳化进程，降低混凝土与钢筋的粘结力，甚至引发钢筋锈蚀，进一步加剧结构损伤。

1.2 对砌体结构的影响

砌体结构在新疆高寒地区小型水利工程中应用广泛，如灌渠边坡、小型挡水建筑物等，其主要由砌块与砂浆粘结而成，结构整体性和抗冻性相对较弱。冻融循环对砌体结构的损伤主要集中在砂浆层和砌块与砂浆的粘结界面，砂浆内部的孔隙水在冻融作用下反复膨胀收缩，导致砂浆强度降低、酥化脱落，破坏砌块之间的连接，使砌体结构出现缝隙、松动，甚至局部坍塌。同时，冻融循环会导致砌体内部水分迁移，使砌块自身发生冻融损伤，出现开裂、掉角等现象，进一步降低砌体结构的整体性和承载能力。

1.3 对地基基础的影响

地基基础是水利工程的承载核心，新疆高寒地区地基土多为冻胀性土，冻融循环对地基基础的损伤主要表现为冻胀融沉作用，直接影响工程结构的稳定性。冬季低温时，地基土中的自由水和毛细水结冰膨胀，使地基土体积增大，产生冻胀力，导致地基隆起，带动上部结构变形；春季气温回升，冰体融化，地基土体积收缩，产生融沉现象，导致地基不均匀沉降，进而引发上部结构开裂、错位等损伤。新疆高寒地区地下水位较高，地基土含水量大，冻融循环的冻胀融沉效应更为显著，尤其是在输水渠道、小型水库等工程中，地基不均匀沉降会导致渠道衬砌开裂、水库坝体位移，严重时会引发工程渗漏、结构失稳等安全隐患。

二、新疆高寒地区水利工程结构冻融防护技术

2.1 材料改性防护技术

材料改性是提升水利工程结构抗冻性能的核心手段，结合新疆高寒地区的气候特点，通过优化材料配比、添加改性剂等方式，改善材料的微观结构，提升其抗冻融能力，是当前防护技术的重要创新方向。针对混凝土结构，可在混凝土配合比设计中掺入引气剂、复合防冻剂和纤维材料，引气剂能在混凝土内部形成均匀分布的微小气泡，缓冲冰体膨胀产生的内应力，减少裂缝萌生；复合防冻剂可降低混凝土的冰点，减少内部水分结冰量，延缓冻融损伤；纤维材料能增强混凝土的抗拉强度和韧性，抑制裂缝扩展，提升混凝土的抗冻融循环能力。同时，可采用新型高韧性混凝土和多功能防护涂层，新型高韧性混凝土具备优异的抗冻、抗裂性能，能适应冻融循环带来的变形；多功能防护涂层可阻断水分渗透，隔绝外界低温环境，减少冻融循环对混凝土结构的侵蚀，延长结构使用寿命。

2.2 结构优化防护技术

结构优化是提升水利工程结构抗冻能力的重要保障，结合新疆高寒地区冻融循环特点和工程结构类型，通过优化结构设计、增设防护构件等方式，减少冻融循环对结构的影响，实现主动防护。针对混凝土渠道、大坝等结构，可在结构表层设置保温层，采用聚氨酯泡沫板、复合保温砂浆等保温材料，阻断外界低温传导，减少结构内部的温度变化，降低冻融循环频率和强度，减少结构损伤。同时，优化结构断面设计，采用弧形、梯形等合理断面，减少应力集中，提升结构的抗冻胀能力，例如在渠道设计中采用弧底梯形断面，可适应地基冻胀融沉带来的变形，减少衬砌开裂。针对地基基础，可采用渠基换填技术，将冻胀性强的地基土替换为级配砂砾石等弱冻胀材料，阻断毛细水上升路径，降低地基冻胀潜势；同时增设排水系统，在地基内部铺设排水盲沟、无砂混凝土管等，及时排出地基内部的水分，减少冻融循环的冻胀融沉效应，提升地基基础的稳定性。

2.3 运维养护防护技术

运维养护是延长水利工程结构使用寿命、保障抗冻性能的关键环节，结合新疆高寒地区冻融循环的季节性特点，建立常态化、智能化的运维养护体系，实现冻融损伤的早发现、早处理，提升防护技术的长效性。建立冻融损伤智能监测体系，采用分布式光纤温度传感器、应变计等设备，实时采集工程结构的温度、应力、应变等数据，通过物联网技术传输至管理平台，利用机器学习算法构建冻融风险预测模型，提前预警潜在损伤区域，为运维养护提供科学依据。冬季来临前，对水利工程结构进行全面检查，及时修补已出现的裂缝、剥落等损伤，对混凝土、砌体结构表面进行保温处理，覆盖保温被、涂刷保温涂层，减少低温对结构的侵蚀；春季融冻期，及时清除结构表面的积雪、积水，排查地基沉降、结构变形等问题，对排水系统进行疏通，确保水分及时排出，减少融沉损伤。同时，建立定期检修制度，每年冻融循环结束后，对工程结构进行全面检测评估，根据损伤情况优化防护措施，及时更新老化的防护材料和构件，确保防护技术持续有效，保障水利工程长期安全稳定运行。

结语

冻融循环是新疆高寒地区水利工程结构损伤的主要诱因，对混凝土、砌体、地基基础等核心结构均会产生显著破坏，影响工程安全与使用寿命。本文研究表明，材料改性、结构优化与运维养护协同作用的防护技术体系，能有效抵御冻融循环损伤，提升工程抗冻能力。新型高韧性材料的应用、刚柔结合的结构设计及智能化运维养护，是寒区水利工程防护技术的发展方向。后续可进一步优化复合防护技术，结合新疆高寒地区不同区域的气候、地质差异，实现防护技术的针对性适配，为区域水利工程高质量、长效化运行提供更有力的支撑。

参考文献

[1]李辉,陈勇升,李鑫林,等.高寒地区厚煤层上冻土体冻融循环后破坏特征研究[J].矿业研究与开发, 2024, 44(3):114-120.

[2]魏筱祺.高寒干旱地区水利工程堤坝防渗施工技术创新研究[J].  2025(10):140-143.