哈達(dá)山高地下水輸水干渠基土凍脹特征研究

苗金和，張洪龍，張軼輝，馬棟和

（1.松原市哈達(dá)山水利樞紐暨松原灌區(qū)開發(fā)有限公司，吉林 松原138000；2.松原市哈達(dá)山水利樞紐工程管理局，吉林 松原138000；中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長春130061）

1 工程概況

哈達(dá)山水利樞紐工程(一期)壩址位于吉林省松原市城區(qū)東南約20 km的第二松花江干流上，距第二松花江與嫩江匯合口約60 km，輸水干渠渠線自哈達(dá)山引水渠首利用前郭灌區(qū)一總干約25 km，在紅光廣場出一總干后，經(jīng)套浩太北、戎字井、大遐字井、西南唐字井，在民字井附近轉(zhuǎn)向乾安縣北，經(jīng)翔字井、龍字井到達(dá)花敖泡，渠線全長95.93 km。

哈達(dá)山輸水干渠渠首至花敖泡主要為沖洪積—冰水平原、沖湖積平原和河谷沖積平原。地勢低平，大致自東南向西北呈微傾斜，地面高程為138～143 m。區(qū)內(nèi)地下水類型主要為細(xì)及礫質(zhì)粗砂中的孔隙潛水，粘性土層中局部存在上層滯水及微承壓水、基巖裂隙水，沿線地下水位較高。

2 土的凍結(jié)過程與凍結(jié)深度

在季節(jié)性凍土區(qū)域，氣溫是影響土壤凍結(jié)的上邊界條件，隨著氣溫的季節(jié)周期性變化，大地表層土壤發(fā)生凍融交替。根據(jù)松原地區(qū)多年氣象資料，在10月下旬至11月上旬，氣溫開始出現(xiàn)負(fù)溫，當(dāng)?shù)乇硗寥罍囟鹊陀谕寥浪c(diǎn)溫度時(shí)，土壤顆粒表面水分就會結(jié)冰，將土壤顆粒結(jié)成一體形成凍土，隨著氣溫逐漸降低，凍結(jié)鋒面也逐漸向下層土層推進(jìn)直至到達(dá)最大凍結(jié)深度。之后，氣溫回暖，凍結(jié)層開始雙向消融，一方面是氣溫升高，地表上層土壤消融；另一方面，在地中熱流的影響下，由下層向上部消融，土體凍結(jié)層在5月中旬至5月下旬融通。

圖1 哈達(dá)山輸水干渠基土凍—融過程

從圖1可見，輸水干渠基土凍-融過程可大致經(jīng)歷以下幾個(gè)階段：

第一階段為不穩(wěn)定凍結(jié)階段：一般發(fā)生在10月下旬至11月上旬，此階段氣溫在0℃附近波動，使得表層土壤夜凍晝?nèi)?，凍融交替頻繁，不能形成穩(wěn)定的凍結(jié)層。

第二階段為持續(xù)凍結(jié)階段：一般發(fā)生在11月下旬，當(dāng)日平均氣溫降低至穩(wěn)定負(fù)溫后，凍深開始增大，至2月下旬達(dá)到或基本達(dá)到最大凍深。在這一階段里，盡管凍深隨氣溫的波動會有有短暫的波動，但總體趨勢逐步增大。

第三階段為穩(wěn)定凍結(jié)階段：一般發(fā)生在2月下旬至3月下旬，當(dāng)凍深達(dá)到或接近最大值后，有長達(dá)一個(gè)多月的時(shí)間，由于凍結(jié)界面基本處于熱量平衡狀態(tài)，使得凍結(jié)鋒面相對穩(wěn)定，即凍深基本不再發(fā)展或減小。

第四階段為解凍階段：當(dāng)3月下旬日平均氣溫達(dá)到正溫后，地表開始自上而下融化。此后，凍層底面亦開始自下而上融化，直至凍層全部融解消失?？梢妰鰧拥娜诨请p向進(jìn)行的。但是，由于底面只依賴地?zé)崃鳎渥饔眠h(yuǎn)不及氣溫，因此凍土層的融化主要是自上而下進(jìn)行，其融化深度約占整個(gè)凍深的80%～90%。

在不同的凍融周期中，土壤凍結(jié)和消融一般都經(jīng)歷以上階段，但年際間的凍融過程會因氣象條件的不同會有所變化，主要表現(xiàn)在：各階段凍結(jié)與消融的時(shí)間會有所提前或推后，各階段歷時(shí)不同，造成凍結(jié)歷時(shí)、凍結(jié)深度、凍結(jié)速率、消融速率在年際間略有不同。

3 地表總凍脹量

為研究輸水干渠土質(zhì)凍脹規(guī)律，在輸水干渠48 km北側(cè)建立了一處凍脹規(guī)律試驗(yàn)場，試驗(yàn)場各年地表最大凍脹量和凍脹率如表1所示。從表1可見，地表凍脹量均屬于強(qiáng)凍脹，按GB/T50662-2011《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》中凍脹級別的劃分均屬于Ⅳ級凍脹。

表1 試驗(yàn)場各年地表最大凍脹量

4 凍脹過程中的水分遷移

由于凍結(jié)過程中地下水位不斷接近凍結(jié)鋒面，即水分遷移的路徑越來越短，也就勢必產(chǎn)生的大量的水分遷移和強(qiáng)烈凍脹。圖2為哈達(dá)山輸水干渠47 km陰坡凍前、凍后含水率變化規(guī)律。由圖2可見，凍結(jié)深度達(dá)到最大時(shí)，下臥土層向凍結(jié)層遷移的水量在深0.5 m處最大達(dá)到含水率20%。同時(shí)還表明，凍結(jié)面以下一定深度的土層內(nèi)含水率減小，發(fā)生了脫水現(xiàn)象。

圖2 渠基土凍結(jié)前后水分度重分布圖

5 結(jié) 語

1）哈達(dá)山輸水干渠基土凍-融過程大致可分為不穩(wěn)定凍結(jié)、持續(xù)凍結(jié)、穩(wěn)定凍結(jié)、解凍4個(gè)階段。在不同的凍融周期中，土壤凍結(jié)和消融一般都經(jīng)歷以上階段，但年際間的凍融過程會因氣象條件的不同會有所變化，主要表現(xiàn)在：各階段凍結(jié)與消融的時(shí)間會有所提前或推后，各階段歷時(shí)不同，造成凍結(jié)歷時(shí)、凍結(jié)深度、凍結(jié)速率、消融速率在年際間略有不同。

2）哈達(dá)山輸水干渠渠基土屬于強(qiáng)凍脹和特強(qiáng)凍脹土，按GB/T 50662—2011土的凍脹級別劃分基本上均屬于Ⅴ級。

3）土層凍結(jié)過程中發(fā)生了強(qiáng)烈的水分遷移和凍層內(nèi)的水分重分布。達(dá)到最大凍深時(shí)，下臥土層向凍結(jié)層遷移的水量在深0.5 m處最大達(dá)到含水率20%。同時(shí)還表明，凍結(jié)面以下一定深度的土層內(nèi)含水率減小，發(fā)生了脫水現(xiàn)象。

［1］GB/T 50662—2011，水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國計(jì)劃出版社，2011.

［2］李麗娜.季節(jié)性凍土凍脹機(jī)理與近水基礎(chǔ)凍拔試驗(yàn)研究［D］.長春：吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，2009.

［3］陳立杰，王正中，蔡雪雁.基于夾雜體本構(gòu)理論的混凝土渠道凍脹模擬［J］.路基工程，2011（5）：7—10.