劉忠富，馬棟和，徐伯孟

（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)山水利樞紐工程水庫總庫容為6.084×108m3，裝機(jī)容量27.6 MW。由取水樞紐工程、防護(hù)區(qū)防護(hù)工程和輸水工程組成。凍結(jié)時(shí)間每年5個(gè)月，最低氣溫-37.8℃。

輸水干渠地層巖性為壤土、泥炭土、淤泥質(zhì)壤土、細(xì)砂、中砂、礫質(zhì)粗砂等組成，地下水位高出渠底2.9～4.5 m，地震基本裂度為Ⅶ度，凍結(jié)深度為1.80～1.90 m。

本次進(jìn)行3個(gè)試驗(yàn)段和1個(gè)試驗(yàn)場研究，試驗(yàn)段1（樁號2+525～2+725）屬于半填半挖渠道；試驗(yàn)段2（樁號4+700～4+870）屬于半填半挖渠道；試驗(yàn)段3（樁號47+000～47+285）屬于深挖方渠道。試驗(yàn)場設(shè)計(jì)9個(gè)不同厚度的保溫試驗(yàn)和1組分層凍脹量觀測。

2 研究的依據(jù)和原則

依據(jù)的主要規(guī)程、規(guī)范：GBT50662—2011《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》；SL551—2011《土石壩安全觀測技術(shù)規(guī)范》。

根據(jù)試驗(yàn)段的地質(zhì)條件和襯砌形式，按照突出重點(diǎn)、統(tǒng)籌安排、合理布置的原則確定觀測斷面。以凍脹變形觀測為主，同時(shí)進(jìn)行凍深、溫度、冰壓力、地下水位等試驗(yàn)，不同觀測項(xiàng)目的儀器盡可能集中布置，以便試驗(yàn)結(jié)果相互驗(yàn)證解釋，現(xiàn)場原型觀測與巡視檢查相結(jié)合。

3 研究內(nèi)容及儀器布置

目前國內(nèi)研究凍脹問題的主要方法：基土試驗(yàn)和原型觀測。

3.1 基土試驗(yàn)研究

基土試驗(yàn)主要進(jìn)行土料物理力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容為：凍前和凍后含水率、密度、比重和顆粒分析，每個(gè)試驗(yàn)段布置1個(gè)斷面，在陰坡的坡底、坡中、坡頂各布置1孔，每孔間隔0.2 m取1點(diǎn)，取土深度2 m，每個(gè)斷面共計(jì)3孔，3個(gè)試驗(yàn)段9個(gè)孔，每孔10組，共計(jì)90組。

3.2 原型觀測

主要觀測項(xiàng)目：凍脹、凍深、地下水位、地溫、冰溫、渠道冰壓力、護(hù)坡與基土脫空觀測、渠基凍脹（單點(diǎn)位移計(jì)）觀測。

1）凍脹觀測。在試驗(yàn)段1，2和3利用鋼管作基點(diǎn)，采用不銹鋼金屬圓頭制成。試驗(yàn)段1布置9個(gè)斷面108個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)布置在陰坡，每個(gè)斷面布置11～12個(gè)測點(diǎn)，間距1 m左右，重點(diǎn)是坡腳、腳槽（或冰面）。試驗(yàn)段2測點(diǎn)布置與試驗(yàn)段1基本相同。試驗(yàn)段3布置6個(gè)觀測斷面，每個(gè)斷面陰坡和陽坡都布置9～10個(gè)測點(diǎn)，間距1 m，重點(diǎn)是坡腳、腳槽（或冰面）。

2）渠道平行坡面位移觀測。在3個(gè)試驗(yàn)段的渠道堤頂位置安裝測試點(diǎn)，在鋼管外壁焊接不銹鋼，共安裝25個(gè)測試斷面，通過測試基點(diǎn)與坡頂凍脹測點(diǎn)之間距離變化，觀測渠道平行坡面位移。

3）凍深觀測。凍深觀測采用凍深器進(jìn)行，在試驗(yàn)段1土坡和鉸鏈?zhǔn)侥４抛o(hù)坡陰坡的坡頂、坡中和坡腳各布置1個(gè)凍深器，在鉸鏈?zhǔn)侥４抛o(hù)坡腳槽的內(nèi)外也各布置1個(gè)，采用鉆孔形式進(jìn)行埋設(shè)，埋深2.1 m，共布置8個(gè)儀器。在試驗(yàn)段的2布置與試驗(yàn)段1基本相同。在試驗(yàn)段3的不同護(hù)坡形式的坡中間陰陽坡各布置2個(gè)凍深器，其中在鉸鏈?zhǔn)侥４抛o(hù)坡陰坡的坡頂、坡中和坡腳布置3個(gè)儀器，共6種護(hù)坡形式布置13個(gè)儀器。

4）地下水位觀測。在試驗(yàn)段渠道堤頂和渠道中間布置水位孔，安裝水位計(jì)進(jìn)行觀測，其中試驗(yàn)段3在模袋混凝土坡頂鉆孔，深4.8 m，在坡中鉆孔，深2.4 m，陰陽坡共鉆4個(gè)孔，3個(gè)試驗(yàn)段和試驗(yàn)場共布置9個(gè)地下水位孔。

5）地溫觀測。采用熱敏電阻和讀數(shù)儀進(jìn)行觀測，埋設(shè)深度分別為 0，0.05，0.2，0.4，0.8，1.2，1.6 m和2.0 m，共計(jì)8個(gè)測點(diǎn)。試驗(yàn)段1布置4個(gè)斷面，每個(gè)斷面堤頂、邊坡上、邊坡下和坡腳布置4個(gè)溫度計(jì)，每個(gè)斷面32支，共計(jì)128支。試驗(yàn)段2布置3個(gè)斷面，每個(gè)斷面堤頂、邊坡上、邊坡下和坡腳布置4個(gè)溫度計(jì)，每個(gè)斷面32支，共計(jì)96支。試驗(yàn)段3布置4個(gè)斷面，每個(gè)斷面堤頂、邊坡上、邊坡下和坡腳布置4個(gè)溫度計(jì)，每個(gè)斷面32支，共計(jì)128支。

6）冰壓力觀測。采用弦式壓力計(jì)進(jìn)行觀測，在試驗(yàn)段3設(shè)2個(gè)斷面，埋設(shè)深度距離冰面分別為0～0.1，0.2～0.3，0.4～0.5，0.6～0.7，0.8～0.9 m，每個(gè)斷面 5支儀器，共計(jì)10支儀器。

7）冰溫度觀測。采用弦式溫度計(jì)進(jìn)行，在試驗(yàn)段3布置2個(gè)斷面，埋設(shè)位置與儀器布置同冰壓力觀測。

8）渠道垂直坡面位移觀測。在試驗(yàn)段2和試驗(yàn)段3渠道坡中和底部坡腳位置安裝單點(diǎn)位移計(jì)，垂直渠道邊坡鉆孔安裝埋設(shè)，坡中埋深2 m，坡腳埋深2.5 m，每個(gè)試驗(yàn)段布置2個(gè)斷面，共布置6支單點(diǎn)位移計(jì)。

9）護(hù)坡與基土脫空觀測。在試驗(yàn)段2和試驗(yàn)段3布置2個(gè)斷面，每個(gè)斷面在邊坡中和下部位安裝測縫計(jì)，在護(hù)坡與基土中間鉆孔安裝埋設(shè)，在3個(gè)試驗(yàn)段布置6個(gè)斷面，每個(gè)斷面2支儀器，共計(jì)布置6支儀器。

4 技術(shù)要求

4.1 觀測時(shí)間和頻次

觀測時(shí)間從每年11月中旬～次年的4月底，觀測土的凍脹和融化回沉過程。凍脹測點(diǎn)間隔15 d觀測一次，其中每年11月17日至第二年2月20日，間隔15 d測試一次，2月20日至3月10日，間隔5 d測試一次，3月10日至4月25日，間隔15 d測試一次。凍脹觀測采取水準(zhǔn)法進(jìn)行，位移計(jì)、測縫計(jì)和冰壓力在安裝后進(jìn)行初始值觀測，測次同凍脹測點(diǎn)方式相同。每次觀測后及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，分析測試數(shù)據(jù)合理性及變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常立即進(jìn)行補(bǔ)測。

4.2 巡視檢查

檢查渠道在冬季凍融期間的結(jié)構(gòu)完整性，發(fā)現(xiàn)異常跡象或裂縫現(xiàn)象，及時(shí)進(jìn)行記錄，發(fā)現(xiàn)時(shí)間、部位、主要特征，一般用眼看、手摸等直觀方法，輔以錘、鋼卷尺、放大鏡等簡單工具檢查，并做好記錄。

5 結(jié)論

根據(jù)基土試驗(yàn)和原型觀測資料，要給出以下成果：

1）填筑土料物理力學(xué)性質(zhì)研究報(bào)告。

2）冬季地下水位變化規(guī)律。

3）典型地段渠道地溫、凍深、地下水位變化規(guī)律。

4）典型地段渠道凍脹和凍融變化與氣溫、負(fù)氣溫指數(shù)、土質(zhì)、地下水位等因素的相互關(guān)系。

5）不同襯砌結(jié)構(gòu)凍結(jié)和凍融期沿坡面的凍脹變形規(guī)律，不同典型地段較適宜的襯砌結(jié)構(gòu)。

[1]蔡峰，安國華.寒冷地區(qū)襯砌渠道凍融破壞分析與治理[J].新疆水利，2005（6）.

[2]于生清.堤防混凝土護(hù)坡凍脹破壞原因分析[J].東北水利水電，2005（11）.

[3]王庭文，杜學(xué)勤，侯學(xué)紅.凍土地區(qū)水電工程襯砌渠道及建筑物凍脹破壞的因素及防范措施[J].水利工程建設(shè)與管理，2008（6）.

[4]廖云，劉建軍，陳少峰.混凝土渠道凍脹破壞機(jī)制與抗凍技術(shù)研究進(jìn)展[J].巖土力學(xué)，2008（11）.