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        哈達(dá)山高地下水輸水干渠基土凍脹特征研究

        2015-11-11 09:15:24苗金和張洪龍張軼輝馬棟和
        東北水利水電 2015年3期
        關(guān)鍵詞:凍結(jié)深度基土哈達(dá)

        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(kāi)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(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,吉林 長(zhǎng)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(chǎng)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(zhǎng)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(shì)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(lèi)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(guò)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(kāi)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(huì)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(kāi)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(guò)程

        從圖1可見(jiàn),輸水干渠基土凍-融過(guò)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(dòng),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(kāi)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(dòng)會(huì)有有短暫的波動(dòng),但總體趨勢(shì)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(zhǎng)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(duì)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(kāi)始自上而下融化。此后,凍層底面亦開(kāi)始自下而上融化,直至凍層全部融解消失??梢?jiàn)凍層的融化是雙向進(jìn)行的。但是,由于底面只依賴(lài)地?zé)崃?,而其作用遠(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(guò)程會(huì)因氣象條件的不同會(huì)有所變化,主要表現(xiàn)在:各階段凍結(jié)與消融的時(shí)間會(huì)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(chǎng),試驗(yàn)場(chǎng)各年地表最大凍脹量和凍脹率如表1所示。從表1可見(jiàn),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(jí)別的劃分均屬于Ⅳ級(jí)凍脹。

        表1 試驗(yàn)場(chǎng)各年地表最大凍脹量

        4 凍脹過(guò)程中的水分遷移

        由于凍結(jié)過(guò)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(lái)越短,也就勢(shì)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(jiàn),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(yǔ)

        1)哈達(dá)山輸水干渠基土凍-融過(guò)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(guò)程會(huì)因氣象條件的不同會(huì)有所變化,主要表現(xiàn)在:各階段凍結(jié)與消融的時(shí)間會(huì)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(jí)別劃分基本上均屬于Ⅴ級(jí)。

        3)土層凍結(jié)過(guò)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(guó)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(zhǎng)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.

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