哈達山輸水干渠高地下水抗凍脹研究方案設計

劉忠富，馬棟和，徐伯孟

（中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130061）

1 工程概況

哈達山水利樞紐工程水庫總庫容為6.084×108m3，裝機容量27.6 MW。由取水樞紐工程、防護區防護工程和輸水工程組成。凍結時間每年5個月，最低氣溫-37.8℃。

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

本次進行3個試驗段和1個試驗場研究，試驗段1（樁號2+525～2+725）屬于半填半挖渠道；試驗段2（樁號4+700～4+870）屬于半填半挖渠道；試驗段3（樁號47+000～47+285）屬于深挖方渠道。試驗場設計9個不同厚度的保溫試驗和1組分層凍脹量觀測。

2 研究的依據和原則

依據的主要規程、規范：GBT50662—2011《水工建筑物抗冰凍設計規范》；SL551—2011《土石壩安全觀測技術規范》。

根據試驗段的地質條件和襯砌形式，按照突出重點、統籌安排、合理布置的原則確定觀測斷面。以凍脹變形觀測為主，同時進行凍深、溫度、冰壓力、地下水位等試驗，不同觀測項目的儀器盡可能集中布置，以便試驗結果相互驗證解釋，現場原型觀測與巡視檢查相結合。

3 研究內容及儀器布置

目前國內研究凍脹問題的主要方法：基土試驗和原型觀測。

3.1 基土試驗研究

基土試驗主要進行土料物理力學性能試驗，試驗內容為：凍前和凍后含水率、密度、比重和顆粒分析，每個試驗段布置1個斷面，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，取土深度2 m，每個斷面共計3孔，3個試驗段9個孔，每孔10組，共計90組。

3.2 原型觀測

主要觀測項目：凍脹、凍深、地下水位、地溫、冰溫、渠道冰壓力、護坡與基土脫空觀測、渠基凍脹（單點位移計）觀測。

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

2）渠道平行坡面位移觀測。在3個試驗段的渠道堤頂位置安裝測試點，在鋼管外壁焊接不銹鋼，共安裝25個測試斷面，通過測試基點與坡頂凍脹測點之間距離變化，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行，在試驗段1土坡和鉸鏈式模袋砼護坡陰坡的坡頂、坡中和坡腳各布置1個凍深器，在鉸鏈式模袋砼護坡腳槽的內外也各布置1個，采用鉆孔形式進行埋設，埋深2.1 m，共布置8個儀器。在試驗段的2布置與試驗段1基本相同。在試驗段3的不同護坡形式的坡中間陰陽坡各布置2個凍深器，其中在鉸鏈式模袋砼護坡陰坡的坡頂、坡中和坡腳布置3個儀器，共6種護坡形式布置13個儀器。

4）地下水位觀測。在試驗段渠道堤頂和渠道中間布置水位孔，安裝水位計進行觀測，其中試驗段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個孔，3個試驗段和試驗場共布置9個地下水位孔。

5）地溫觀測。采用熱敏電阻和讀數儀進行觀測，埋設深度分別為 0，0.05，0.2，0.4，0.8，1.2，1.6 m和2.0 m，共計8個測點。試驗段1布置4個斷面，每個斷面堤頂、邊坡上、邊坡下和坡腳布置4個溫度計，每個斷面32支，共計128支。試驗段2布置3個斷面，每個斷面堤頂、邊坡上、邊坡下和坡腳布置4個溫度計，每個斷面32支，共計96支。試驗段3布置4個斷面，每個斷面堤頂、邊坡上、邊坡下和坡腳布置4個溫度計，每個斷面32支，共計128支。

6）冰壓力觀測。采用弦式壓力計進行觀測，在試驗段3設2個斷面，埋設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，每個斷面 5支儀器，共計10支儀器。

7）冰溫度觀測。采用弦式溫度計進行，在試驗段3布置2個斷面，埋設位置與儀器布置同冰壓力觀測。

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

9）護坡與基土脫空觀測。在試驗段2和試驗段3布置2個斷面，每個斷面在邊坡中和下部位安裝測縫計，在護坡與基土中間鉆孔安裝埋設，在3個試驗段布置6個斷面，每個斷面2支儀器，共計布置6支儀器。

4 技術要求

4.1 觀測時間和頻次

觀測時間從每年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。凍脹觀測采取水準法進行，位移計、測縫計和冰壓力在安裝后進行初始值觀測，測次同凍脹測點方式相同。每次觀測后及時進行數據整理，分析測試數據合理性及變化規律，發現數據異常立即進行補測。

4.2 巡視檢查

檢查渠道在冬季凍融期間的結構完整性，發現異常跡象或裂縫現象，及時進行記錄，發現時間、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 結論

根據基土試驗和原型觀測資料，要給出以下成果：

1）填筑土料物理力學性質研究報告。

2）冬季地下水位變化規律。

3）典型地段渠道地溫、凍深、地下水位變化規律。

4）典型地段渠道凍脹和凍融變化與氣溫、負氣溫指數、土質、地下水位等因素的相互關系。

5）不同襯砌結構凍結和凍融期沿坡面的凍脹變形規律，不同典型地段較適宜的襯砌結構。

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