嚴(yán)寒地區(qū)高地下水大型渠道坡面凍脹特征研究

馬棟和，陳立秋，朱海波

(中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，水利部寒區(qū)工程技術(shù)研究中心,吉林 長(zhǎng)春 130021)

我國(guó)北方各省市的有關(guān)科研院校和設(shè)計(jì)單位特別是從20世紀(jì)80年代開始專門進(jìn)行了實(shí)際工程或現(xiàn)場(chǎng)的渠道凍脹規(guī)律的研究，并取得了一定的成果，其中成熟的研究成果已納入抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范。國(guó)外以日本研究較多，并提出了相應(yīng)的渠道凍脹規(guī)律和防凍措施。

雖然國(guó)內(nèi)外有關(guān)水利水電部門對(duì)水工建筑物的凍害問題進(jìn)行了大量研究，并制定了相應(yīng)的規(guī)程規(guī)范，但由于冰凍問題的復(fù)雜性，凍害現(xiàn)象仍時(shí)有發(fā)生，水利設(shè)施經(jīng)過多年的運(yùn)行，有的已經(jīng)破壞無法運(yùn)行，有的帶病運(yùn)行，難以發(fā)揮效益。渠道凍害仍然是嚴(yán)重影響并制約寒冷地區(qū)的農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)發(fā)展的重要問題。因此，依托哈達(dá)山水利樞紐工程進(jìn)行了嚴(yán)寒地區(qū)高地下水大型渠道渠坡凍脹特征研究，對(duì)于特別是大型渠道的設(shè)計(jì)，以及對(duì)冰凍學(xué)科技術(shù)的發(fā)展均具有重要意義[1- 4]。

1 渠道試驗(yàn)段凍結(jié)深度

本次研究在哈達(dá)山輸水干渠不同渠段設(shè)置了試驗(yàn)觀測(cè)段，選擇樁號(hào)2+525～2+715(以下簡(jiǎn)稱2km試驗(yàn)段)，4+700～4+860(以下簡(jiǎn)稱4km試驗(yàn)段)，12+350～12+860(以下簡(jiǎn)稱12km試驗(yàn)段)，47+020～47+270(以下簡(jiǎn)稱47km試驗(yàn)段)四個(gè)渠段，對(duì)渠坡凍脹規(guī)律進(jìn)行了觀測(cè)研究。

各試驗(yàn)段基土凍結(jié)過程及消融過程如圖1所示，符合凍融的一般性規(guī)律[5- 6]。對(duì)坡面不同位置的最大東深進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表1，陰坡的凍深大于陽坡凍深。渠坡的陰陽坡凍深比值達(dá)到1.3甚至更大。47km試驗(yàn)段的凍深比2km和4km試驗(yàn)段的凍深大，相差30cm左右，這可能與不同區(qū)域的小氣候條件有關(guān)。

圖1 2km試驗(yàn)段陰坡凍融過程線

試驗(yàn)段護(hù)坡形式坡向坡頂坡上坡下坡腳2km土坡陰坡150140130107陽坡158106100804km土坡陰坡15014213077陽坡150106917247km土坡陰坡20018016032

2 試驗(yàn)段地下水位特征

凍前地下水位的高低及其在凍結(jié)期內(nèi)的動(dòng)態(tài)對(duì)

表2 試驗(yàn)段渠底凍前地下水位 單位：m

注：H為渠底高程；D為地下水位，m；Δ為地下水位-渠底的距離，(-)值表示地下水位在渠底以下，(+)值表示在渠底以上，即渠內(nèi)存水。

圖2 試驗(yàn)段土坡最大凍脹量

土的凍脹具有重大作用。表2為渠底凍前地下水位和渠道地下水位分布。從表2可見，除2km試驗(yàn)段2008—2009年度的凍前地下水位較低，距離渠底達(dá)到2.01m外，其余的地下水位均較高，距離渠底在1.0m左右，而且年際間變化不大。特別是47km試驗(yàn)段由于是深挖方渠道，兩岸有充分地下水補(bǔ)給和渠道未通，以致渠內(nèi)積水深達(dá)2.2m。

試驗(yàn)段的這種地下水位條件和由此導(dǎo)致的堤內(nèi)含水率高，加之渠基土的脹性，決定了各試驗(yàn)段均將產(chǎn)生強(qiáng)烈的凍脹。

3 試驗(yàn)段渠坡的凍脹特征

渠坡基土的凍脹性質(zhì)決定著護(hù)坡結(jié)構(gòu)受凍脹作用的程度和性狀。因此，在各試驗(yàn)段布置了土坡的凍脹觀測(cè)。觀測(cè)結(jié)果如圖2所示。從圖2中可見，各試驗(yàn)段土坡的最大凍脹量都很大，屬于強(qiáng)凍脹和特強(qiáng)凍脹土，按GB/T 50662—2011《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》土的凍脹級(jí)別劃分基本上均屬于Ⅴ級(jí)。

圖3是土坡的凍脹、融沉過程。從圖3中可見，在11月中旬進(jìn)入穩(wěn)定凍結(jié)期后，土坡就開始產(chǎn)生凍脹，并隨時(shí)間穩(wěn)步增大，至翌年3月中達(dá)到最大值。自3月下旬開始，隨著氣溫回升和地表凍結(jié)層底面融化，凍脹量很快減小，坡面快速下沉。需要說明的是，由于渠道通水，而此時(shí)坡面的凍土層尚未融透，加之渠道通水后土坡變形，因而未能測(cè)得坡面下部的最終融沉值，以致圖中顯示仍有部分殘余凍脹量，但從圖中所示的融沉速度推斷，坡面最終有可能回歸到凍前的位置。

圖3 2011—2012年土坡凍脹、融沉過程線

圖4是土坡凍脹量沿坡面分布。從圖中可見，坡上部的凍脹量較小，自坡頂向下凍脹量逐漸增大，大致在距坡頂5.0m以下增速加大。這是由于達(dá)到地下水影響范圍后越向下與地下水位的距離越小，水分遷移[7- 8]越強(qiáng)烈形成的。

圖4 2011—2012年土坡凍脹量沿坡面分布圖

4 結(jié)論

(1)試驗(yàn)段陰坡的凍深大于陽坡凍深，其比值達(dá)到1.3甚至更大，坡頂和坡腳的陰陽坡凍深相差不大。建議設(shè)計(jì)時(shí)遮陰系數(shù)可取1.3。

(2)試驗(yàn)段的地下水位較高，加之渠基土的凍脹性，決定了各試驗(yàn)段均將產(chǎn)生強(qiáng)烈的凍脹。試驗(yàn)段的渠基土屬于強(qiáng)凍脹和特強(qiáng)凍脹土，按GB/T 50662—2011中土的凍脹級(jí)別劃分基本上均屬于Ⅴ級(jí)。

(3)坡上部的凍脹量較小，自坡頂向下凍脹量逐漸增大，大致在距坡頂5.0m以下凍脹量增速加大。自3月下旬開始，隨著氣溫回升和地表和凍結(jié)層底面融化，坡面快速下沉。雖由于渠道通水未能測(cè)得坡面下部的最終融沉值，但從融沉速度推斷，坡面最終有可能回歸到凍前的位置。