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)
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)。
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。
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。
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。
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
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%。
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。
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 /℃
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
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
4.7.1 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
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.
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