程玉輝，周賀達(dá)

(吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林長(zhǎng)春 130021)

0 引言

哈達(dá)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(wàn)hm2，同時(shí)通過(guò)濕地補(bǔ)水和直接供水,可大量減輕地方性氟中毒的影響，并改善當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境。該工程輸水干渠渠長(zhǎng)96 km，設(shè)計(jì)引水流量175 m3/s。渠道護(hù)坡的防凍脹是輸水干渠工程面臨的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

總干渠地處嚴(yán)寒地區(qū)，渠床多為強(qiáng)凍脹土，渠道沿線地下水位高，凍脹問(wèn)題非常突出。為了確保輸水干渠襯砌設(shè)計(jì)的科學(xué)、可行，以及輸水干渠的長(zhǎng)期安全運(yùn)行，于2008年10月開始進(jìn)行渠道襯砌防凍脹試驗(yàn)。渠道襯砌試驗(yàn)選擇了地質(zhì)條件具有代表性的4處試驗(yàn)段，總長(zhǎng)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(guó)內(nèi)同類實(shí)驗(yàn)中最長(zhǎng)的原型試驗(yàn)工程。主要目的是研究哈達(dá)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(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)場(chǎng)的基本情況

試驗(yàn)場(chǎng)位于總干渠附近，試驗(yàn)場(chǎng)地質(zhì)結(jié)構(gòu)與總干渠相同，試驗(yàn)?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(jì)提供基礎(chǔ)依據(jù)。

在試驗(yàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)了9個(gè)不同保溫處理的試驗(yàn)方案，其中8個(gè)試驗(yàn)方案為不同保溫板厚度的溫度監(jiān)測(cè)方案，1個(gè)為無(wú)保溫處理的對(duì)比段，測(cè)試方案分別為：對(duì)比段、1 cm、2 cm、3 cm、4 cm、5 cm、6 cm、8 cm、10 cm 厚保溫板，對(duì)比段及保溫板上砌筑13 cm厚預(yù)制混凝土砌塊。試驗(yàn)方案的試驗(yàn)面積均為6 m×6 m，每種試驗(yàn)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(yàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)了1組分層凍脹量觀測(cè)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(cè)設(shè)計(jì)方案

為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)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(yàn)周期凍結(jié)環(huán)境，在輸水干渠首部設(shè)有氣象觀測(cè)設(shè)備，在試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)設(shè)有凍結(jié)深度監(jiān)測(cè)設(shè)備、分層凍脹量監(jiān)測(cè)裝置、不同厚度保溫板的保溫效果監(jiān)測(cè)設(shè)備、地下水位觀測(cè)等。

3 觀測(cè)內(nèi)容

試驗(yàn)場(chǎng)主要觀測(cè)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(chǎng)變化情況及凍脹量值、地下水變化過(guò)程、基土性質(zhì)及含水率的變化情況等內(nèi)容。

4 試驗(yàn)場(chǎng)測(cè)試成果

4.1 地下水埋深的變化

試驗(yàn)場(chǎng)封凍前地下水1.25 m左右，到1月11日地下水埋深達(dá)到最大1.89 m，之后地下水位回升，在凍結(jié)過(guò)程中，試驗(yàn)場(chǎng)地下水位降幅0.64 m。試驗(yàn)場(chǎng)地下水埋深的變化過(guò)程線見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)場(chǎng)地下水埋深的變化過(guò)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(guò)程中都會(huì)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(guò)程中水分遷移量的多少，也決定了土體凍脹量的大小。試驗(yàn)場(chǎng)2008年11月30日及2009年3月10日各層土含水率分布見(jiàn)圖2。

由圖2可見(jiàn)，試驗(yàn)場(chǎng)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(dá)到8%。

4.3 地溫變化規(guī)律

圖2 試驗(yàn)場(chǎng)含水率分布圖

在凍結(jié)期，各層地溫隨著時(shí)間推移呈下降趨勢(shì)，在2月下旬至3月初地溫開始回升，此時(shí)，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(duì)比段地溫在40 cm范圍內(nèi)溫度受氣溫波動(dòng)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(dòng)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(dá)到穩(wěn)定期。保溫板厚5 cm試驗(yàn)單元地溫過(guò)程線與對(duì)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(guò)程線受氣溫波動(dòng)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(jiàn)，保溫板的保溫效果非常明顯。對(duì)比段和保溫板厚5 cm試驗(yàn)單元各層地溫變化過(guò)程線見(jiàn)圖 3，圖 4。

4.4 不同試驗(yàn)單元凍結(jié)期地溫統(tǒng)計(jì)

在同一試驗(yàn)單元，隨著測(cè)溫深度的增加，與對(duì)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(yàn)單元，隨著保溫板厚度的增大，與對(duì)比單元相比其凍結(jié)期平均溫度提高且逐漸增大。如：與對(duì)比單元同位置相比：在6 cm厚保溫試驗(yàn)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(duì)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(duì)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(yàn)單元在不同深度地溫平均值及地溫提高值見(jiàn)表 1，2。

圖3 對(duì)比段地溫過(guò)程線

圖4 保溫5 cm試驗(yàn)單元地溫過(guò)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(duì)比單元與保溫單元凍結(jié)過(guò)程

在2008—2009年凍融觀測(cè)期內(nèi)，從2008年11月中旬地表開始封凍，到2009年3月上旬達(dá)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(duì)比分析，在凍結(jié)期，保溫板對(duì)凍結(jié)鋒面的推進(jìn)起到了明顯的抑制作用，起始凍結(jié)時(shí)間推遲約15 d的時(shí)間，且其凍結(jié)速率較?。辉谌诨A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(duì)比單元凍融過(guò)程線的速率明顯大于保溫板試驗(yàn)單元，2 cm厚保溫板消減凍深65 cm，消減率達(dá)到52%。對(duì)比單元與保溫單元凍深過(guò)程線（以2 cm厚板保溫單元為例）見(jiàn)圖5。

圖5 對(duì)比單元與2 cm厚板保溫單元凍深過(guò)程線

4.6 各試驗(yàn)單元特征值

各試驗(yàn)單元最大凍深特征值見(jiàn)表3。

表3 各試驗(yàn)單元凍深特征值

4.7 凍脹量變化情況

4.7.1 分層凍脹量?jī)雒涍^(guò)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(zhǔn)法對(duì)各土層的凍脹量進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，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(dá)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(guò)程線見(jiàn)圖6。

圖6 分層凍脹量?jī)雒涍^(guò)程線

表層凍脹量最大值13.6 cm，在40～60 cm的凍脹量最大達(dá)到4.7 cm，凍脹率達(dá)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(jì)結(jié)果見(jiàn)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(yàn)單元的凍脹量過(guò)程和特征值

各試驗(yàn)單元隨著保溫板厚度的增加，凍脹起始時(shí)間依次滯后，至3月中下旬達(dá)到凍脹最大值，之后開始融沉，到5月中旬逐步復(fù)位。對(duì)比單元凍脹量為16.0 cm，1 cm厚保溫板試驗(yàn)單元雖然凍深消減了36%，但凍脹量依然達(dá)到16.2 cm，可見(jiàn)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(shí)，較緩慢的凍結(jié)速率有可能形成更劇烈的水分遷移，也會(huì)產(chǎn)生更大的凍脹量。當(dāng)保溫層達(dá)到5 cm時(shí)，沒(méi)有產(chǎn)生凍脹量。不同厚度保溫板試驗(yàn)單元的凍脹量過(guò)程線見(jiàn)圖7。

與對(duì)比單元相比，2，3，4 cm厚保溫板試驗(yàn)單元產(chǎn)生凍脹的時(shí)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(yàn)單元凍脹量特征值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5。

圖7 不同厚度保溫板試驗(yàn)單元凍脹量過(guò)程線

表5 分層凍脹量（率）特征值表

5 結(jié)語(yǔ)

哈達(dá)山水利樞紐工程（一期）輸水干渠護(hù)坡通過(guò)試驗(yàn)論證后，采用聚氨酯保溫板防凍脹方法技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理，實(shí)際施工中輸水干渠陰坡、陽(yáng)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(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，可以在水利工程中進(jìn)一步地推廣應(yīng)用。

［1］程玉輝，等.哈達(dá)山水利樞紐工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.吉林：吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)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(guó)農(nóng)村水利水電（增刊）.

［3］余書超，宋玲，歐陽(yáng)輝，等.剛性襯砌渠道受凍脹襯砌層受力的試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2001(9)：32-33.

［4］杜彬，程加明．聚氨酯保溫保濕材料在新疆石門子水庫(kù)工程中應(yīng)用［J］.水利水電施工，2002(2)：23-25．

［5］張漢軍.聚苯乙烯保溫板在渠道襯砌中防凍脹應(yīng)用技術(shù)［J］.甘肅水利水電技術(shù)，2003（12）：294-295.