程玉輝，周賀達

(吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院，吉林長春 130021)

0 引言

哈達山水利樞紐工程是吉林省增產(chǎn)百億斤商品糧能力建設(shè)的骨干水源工程。工程建成后，年均可向吉林省西部供水19億m3，可發(fā)展灌溉面積19萬hm2，同時通過濕地補水和直接供水,可大量減輕地方性氟中毒的影響，并改善當?shù)氐淖匀画h(huán)境。該工程輸水干渠渠長96 km，設(shè)計引水流量175 m3/s。渠道護坡的防凍脹是輸水干渠工程面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題。

總干渠地處嚴寒地區(qū)，渠床多為強凍脹土，渠道沿線地下水位高，凍脹問題非常突出。為了確保輸水干渠襯砌設(shè)計的科學(xué)、可行，以及輸水干渠的長期安全運行，于2008年10月開始進行渠道襯砌防凍脹試驗。渠道襯砌試驗選擇了地質(zhì)條件具有代表性的4處試驗段，總長911 m，共布置了10種結(jié)構(gòu)型式，37種不同規(guī)格、坡向的襯砌方案，是目前國內(nèi)同類實驗中最長的原型試驗工程。主要目的是研究哈達山輸水干渠襯砌工程在其不同工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件下可行工程措施，并為施工圖設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗場的基本情況

試驗場位于總干渠附近，試驗場地質(zhì)結(jié)構(gòu)與總干渠相同，試驗?zāi)康氖菫榱私沂颈镜貐^(qū)凍結(jié)、凍脹規(guī)律，為優(yōu)化渠道襯砌防凍脹設(shè)計提供基礎(chǔ)依據(jù)。

在試驗場設(shè)計了9個不同保溫處理的試驗方案，其中8個試驗方案為不同保溫板厚度的溫度監(jiān)測方案，1個為無保溫處理的對比段，測試方案分別為：對比段、1 cm、2 cm、3 cm、4 cm、5 cm、6 cm、8 cm、10 cm 厚保溫板，對比段及保溫板上砌筑13 cm厚預(yù)制混凝土砌塊。試驗方案的試驗面積均為6 m×6 m，每種試驗方案周圍用6 cm厚的保溫板封閉，封閉深度為2 m。

硬質(zhì)聚氨酯保溫板密度為40～45 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.02 W/（m·k），吸水率不大于2%，壓縮性能不小于228 kPa，尺寸穩(wěn)定性不大于0.3%。

在試驗場設(shè)計了1組分層凍脹量觀測裝置，分層凍脹量的埋置深度分別為 0，20，40，60，80，100，120，140，160，180，200 cm。

2 凍結(jié)凍脹規(guī)律研究觀測設(shè)計方案

為準確評價聚氨酯保溫材料的保溫效果，系統(tǒng)研究松原灌區(qū)地基土凍結(jié)、凍脹規(guī)律及本試驗周期凍結(jié)環(huán)境，在輸水干渠首部設(shè)有氣象觀測設(shè)備，在試驗場內(nèi)設(shè)有凍結(jié)深度監(jiān)測設(shè)備、分層凍脹量監(jiān)測裝置、不同厚度保溫板的保溫效果監(jiān)測設(shè)備、地下水位觀測等。

3 觀測內(nèi)容

試驗場主要觀測基土的分層凍脹量，在鋪設(shè)不同厚度保溫板條件下基土的溫度場變化情況及凍脹量值、地下水變化過程、基土性質(zhì)及含水率的變化情況等內(nèi)容。

4 試驗場測試成果

4.1 地下水埋深的變化

試驗場封凍前地下水1.25 m左右，到1月11日地下水埋深達到最大1.89 m，之后地下水位回升，在凍結(jié)過程中，試驗場地下水位降幅0.64 m。試驗場地下水埋深的變化過程線見圖1。

圖1 試驗場地下水埋深的變化過程線

4.2 土壤含水率的變化情況

一般情況下，凍脹敏感性土質(zhì)在凍結(jié)過程中都會有水分重分布的現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在下層土中的水分向凍結(jié)鋒面遷移，形成冰夾層或冰透鏡體，使土體體積增大，宏觀上表現(xiàn)出土體表面發(fā)生凍脹。在相同的凍結(jié)環(huán)境下，土體的性質(zhì)和地下水位決定了凍結(jié)過程中水分遷移量的多少，也決定了土體凍脹量的大小。試驗場2008年11月30日及2009年3月10日各層土含水率分布見圖2。

由圖2可見，試驗場土層在凍結(jié)深度（120 cm）范圍內(nèi)水分重分布的現(xiàn)象非常明顯，水分遷移量約達到8%。

4.3 地溫變化規(guī)律

圖2 試驗場含水率分布圖

在凍結(jié)期，各層地溫隨著時間推移呈下降趨勢，在2月下旬至3月初地溫開始回升，此時，在120 cm處地溫降低到0℃以下，凍結(jié)深度為125 cm。3月中旬后消融開始，表層地溫迅速抬升，對比段地溫在40 cm范圍內(nèi)溫度受氣溫波動影響較為敏感，地溫升降變化較明顯。而在40 cm以下土層受氣溫波動影響較小，尤其是在120 cm以下土層，溫度緩慢下降，在4月初達到穩(wěn)定期。保溫板厚5 cm試驗單元地溫過程線與對比段有明顯的區(qū)別，在凍結(jié)期，受保溫板隔熱的影響，地中熱流受到保溫板的阻滯，使得保溫板上面0 cm處地溫過程線受氣溫波動影響更為敏感，其極值地溫接近-22℃，在保溫板下各層地溫緩慢下降，溫度線變化平緩，保溫板下10 cm處地溫在0℃左右，僅處于凍結(jié)的臨界溫度。同樣，在消融階段，在保溫板下層基土升溫速度也較慢。由此可見，保溫板的保溫效果非常明顯。對比段和保溫板厚5 cm試驗單元各層地溫變化過程線見圖 3，圖 4。

4.4 不同試驗單元凍結(jié)期地溫統(tǒng)計

在同一試驗單元，隨著測溫深度的增加，與對比單元相比其凍結(jié)期平均溫度提高值逐漸減小。在不同厚度保溫板試驗單元，隨著保溫板厚度的增大，與對比單元相比其凍結(jié)期平均溫度提高且逐漸增大。如：與對比單元同位置相比：在6 cm厚保溫試驗單元，10 cm處凍結(jié)期平均溫度可提高5.7℃，200 cm處溫度僅提高1.4℃。在80 cm處，1 cm保溫板與對比單元相比其凍結(jié)期平均溫度提高1.3℃，10 cm保溫板與對比單元相比其凍結(jié)期平均溫度提高3.7℃。在凍結(jié)期各試驗單元在不同深度地溫平均值及地溫提高值見表 1，2。

圖3 對比段地溫過程線

圖4 保溫5 cm試驗單元地溫過程線

表1 凍結(jié)期不同厚度保溫板不同深度地溫平均值 /℃

表2 凍結(jié)期不同厚度保溫板不同深度地溫提高值 /℃

4.5 對比單元與保溫單元凍結(jié)過程

在2008—2009年凍融觀測期內(nèi)，從2008年11月中旬地表開始封凍，到2009年3月上旬達到最大凍深，最大凍深為125 cm，3月下旬開始消融，至5月上旬融通。最大凍深為60 cm，3月下旬開始消融，至4月下旬融通。由2條凍結(jié)線對比分析，在凍結(jié)期，保溫板對凍結(jié)鋒面的推進起到了明顯的抑制作用，起始凍結(jié)時間推遲約15 d的時間，且其凍結(jié)速率較??；在融化階段，由于保溫板導(dǎo)熱系數(shù)小，阻滯了地表土壤與大氣的熱交換速度，其消融速度也較緩。對比單元凍融過程線的速率明顯大于保溫板試驗單元，2 cm厚保溫板消減凍深65 cm，消減率達到52%。對比單元與保溫單元凍深過程線（以2 cm厚板保溫單元為例）見圖5。

圖5 對比單元與2 cm厚板保溫單元凍深過程線

4.6 各試驗單元特征值

各試驗單元最大凍深特征值見表3。

表3 各試驗單元凍深特征值

4.7 凍脹量變化情況

4.7.1 分層凍脹量凍脹過程與特征值

為研究地基土各層次凍脹量的大小，采用了單體基準法對各土層的凍脹量進行了監(jiān)測，每層土層厚度為20 cm。隨著凍結(jié)深度的發(fā)展，由上而下各層基土依次開始發(fā)生凍脹，達到最大凍脹量后，從3月中旬依次開始融沉，至6月上旬全部復(fù)位，各土層凍脹過程線見圖6。

圖6 分層凍脹量凍脹過程線

表層凍脹量最大值13.6 cm，在40～60 cm的凍脹量最大達到4.7 cm，凍脹率達到23.5%，由于凍結(jié)深度為125 cm，在120～140 cm仍有1.1 cm的凍脹量，而在凍層以下140～180 cm則出現(xiàn)0.4 cm的沉降（或冷縮），凍結(jié)層內(nèi)平均凍脹率為11%。分層凍脹量統(tǒng)計結(jié)果見表4。

表4 分層凍脹量（率）特征值表

4.7.2 不同厚度保溫板試驗單元的凍脹量過程和特征值

各試驗單元隨著保溫板厚度的增加，凍脹起始時間依次滯后，至3月中下旬達到凍脹最大值，之后開始融沉，到5月中旬逐步復(fù)位。對比單元凍脹量為16.0 cm，1 cm厚保溫板試驗單元雖然凍深消減了36%，但凍脹量依然達到16.2 cm，可見凍結(jié)深度與凍脹量并不成正比關(guān)系，凍結(jié)深度不大時，較緩慢的凍結(jié)速率有可能形成更劇烈的水分遷移，也會產(chǎn)生更大的凍脹量。當保溫層達到5 cm時，沒有產(chǎn)生凍脹量。不同厚度保溫板試驗單元的凍脹量過程線見圖7。

與對比單元相比，2，3，4 cm厚保溫板試驗單元產(chǎn)生凍脹的時間分別推遲了4，30，45，60 d，分別消減凍脹量46%，71%，94%，體現(xiàn)出保溫板的保溫效果非常明顯。不同試驗單元凍脹量特征值統(tǒng)計見表5。

圖7 不同厚度保溫板試驗單元凍脹量過程線

表5 分層凍脹量（率）特征值表

5 結(jié)語

哈達山水利樞紐工程（一期）輸水干渠護坡通過試驗論證后，采用聚氨酯保溫板防凍脹方法技術(shù)可行、經(jīng)濟合理，實際施工中輸水干渠陰坡、陽坡分別采用了6 cm、5 cm厚聚氨酯保溫板防凍脹，聚氨酯保溫板具有導(dǎo)熱系數(shù)小，吸水率低，鋪設(shè)厚度較薄，施工簡便等優(yōu)點，可以在水利工程中進一步地推廣應(yīng)用。

［1］程玉輝，等.哈達山水利樞紐工程初步設(shè)計報告［R］.吉林：吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院，2008，9.

［2］安益民.高寒地區(qū)襯砌渠道防凍脹破壞及其成因［J］.中國農(nóng)村水利水電（增刊）.

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