寒區(qū)水利工程技術(shù)成果與應(yīng)用

鐘 華，蘇安雙，李兆宇，劉麗佳

(1.黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080； 2.黑龍江省季節(jié)凍土區(qū)工程凍土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150080)

近年來(lái)，寒區(qū)水利工程技術(shù)研究發(fā)展較快。寒區(qū)水利工程技術(shù)研究領(lǐng)域涵蓋基礎(chǔ)理論、新材料、新技術(shù)，以及新裝備等水利工程建設(shè)的諸多方面。寒區(qū)水利工程運(yùn)行存在著很多問(wèn)題，需要進(jìn)行深入細(xì)致的研究來(lái)有針對(duì)性地解決這些問(wèn)題。這不僅涉及到水利工程在低溫凍融循環(huán)條件下的破壞形式、破壞成因、破壞規(guī)律、破壞機(jī)理等基礎(chǔ)理論的完善，以及防止或減輕破壞采取的技術(shù)措施和方法的有效性和實(shí)用性驗(yàn)證，還涉及到研究方法和研究手段的準(zhǔn)確性和先進(jìn)性。本文從基礎(chǔ)理論、應(yīng)用技術(shù)和試驗(yàn)研究裝備三方面簡(jiǎn)要介紹寒區(qū)水利工程技術(shù)的最新研究成果。

1 應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究成果

寒區(qū)水利工程由于嚴(yán)寒的環(huán)境條件影響，季節(jié)性?xún)鋈谧饔蔑@著，其破壞情況不同于暖土區(qū)水利工程的破壞，有較強(qiáng)的特殊性。水利工程邊坡防護(hù)時(shí)常處于年年修年年壞的困境中，寒區(qū)水利工程不同類(lèi)型邊坡凍脹規(guī)律的研究是水利工程技術(shù)研究的首要內(nèi)容。正確、完善、系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)是應(yīng)用技術(shù)研究的重要保障，可為更好地解決水利工程運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的破壞問(wèn)題提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

1.1 水工土質(zhì)邊坡凍脹破壞機(jī)理

黑龍江省屬于深季節(jié)凍土區(qū)，由于特殊的氣候環(huán)境條件，水工土質(zhì)邊坡不僅會(huì)因受到降雨滲流、水流沖刷、水庫(kù)調(diào)度等因素的影響發(fā)生暖土的失穩(wěn)破壞情況，還會(huì)因受到季節(jié)性?xún)鋈谧饔玫挠绊懚l(fā)生凍土的失穩(wěn)破壞情況。渠道工程改變了渠基土壤水分、溫度、受力狀態(tài)，加之渠道走向不同，各部位日照及溫度不均，凍結(jié)鋒面方向也不同，所以渠基土壤水分運(yùn)移和單純土壤凍結(jié)水分遷移并不完全一樣，渠基土壤凍脹機(jī)理更為復(fù)雜。

根據(jù)模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬結(jié)果，北部引嫩總干渠烏南54 km段土質(zhì)渠坡凍脹破壞以?xún)鋈诹芽p為主，馬道臨空面易發(fā)生凍融剝蝕。凍融循環(huán)和水流沖刷共同作用會(huì)加劇凍融侵蝕，增大水土流失量，加劇岸坡的后退。凍融剝蝕量與凍融循環(huán)次數(shù)和水流沖刷關(guān)系密切[1]。在渠道凍結(jié)過(guò)程中，水凍結(jié)結(jié)冰在地層中產(chǎn)生較大的凍脹力，導(dǎo)致邊坡中下部以及渠道底部出現(xiàn)很大的拉應(yīng)力，致使這部分淺層土體逐年剝蝕。當(dāng)環(huán)境溫度最低時(shí)，就水平位移而言，渠堤向兩側(cè)變形，在渠道外側(cè)坡腳和內(nèi)側(cè)邊坡中部的水平位移較大，渠道易發(fā)生凍脹剝蝕[2-3]。凍結(jié)時(shí)，土柱表面有裂紋和裂縫分布，縫隙內(nèi)充滿孔隙冰，土體被孔隙冰分割成團(tuán)塊；融化時(shí)，冰相變?yōu)樗纬闪芽p，土體強(qiáng)度被削弱。凍結(jié)層上部融化土層的水分無(wú)法下滲，在融凍界面上積聚，是土體的軟弱層[4]。當(dāng)氣溫達(dá)到最高時(shí)，凍結(jié)層中的冰晶體已經(jīng)全部融化，由于冰晶融水不能在短時(shí)間內(nèi)消散，致使土體強(qiáng)度降低，渠道發(fā)生融沉，邊坡產(chǎn)生滑塌。

上述研究成果為水工土質(zhì)邊坡凍融破壞機(jī)理分析奠定了基礎(chǔ)，較好地解決了北部引嫩總干渠烏南段土質(zhì)邊坡凍脹破壞機(jī)理不明確的問(wèn)題，為渠坡的防護(hù)提供了技術(shù)支持和保障。

1.2 分散性黏土、膨脹土邊坡凍脹規(guī)律

分散性黏土和膨脹土是特殊的土質(zhì)。分散性土具有比細(xì)砂和粉土還要嚴(yán)重的沖蝕現(xiàn)象，這種性質(zhì)是導(dǎo)致工程事故的主要原因。膨脹土是一種典型的非飽和土，在缺乏有效防護(hù)與加固措施的情況下，膨脹土邊坡在坡度1∶5甚至更緩的情況下也會(huì)發(fā)生滑坡，且同一位置可多次滑動(dòng)，其破壞模式主要表現(xiàn)為淺層滑動(dòng)、漸進(jìn)性破壞。深季節(jié)凍土區(qū)的分散土及膨脹土問(wèn)題由來(lái)已久，黑龍江省在修建引嫩工程以及引湯工程中都遇到了分散土和膨脹土的問(wèn)題；破壞現(xiàn)象嚴(yán)重，雖然也相應(yīng)采取了一些措施，但效果不佳。這是由于以往的研究更多地關(guān)注分散性以及膨脹性，對(duì)其凍脹特性的認(rèn)知甚少，而忽視了“分散性+凍脹性”和“膨脹性+凍脹性”所造成的破壞。

根據(jù)模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬結(jié)果，制定了分散性黏土與膨脹土凍脹性分類(lèi)的方法，填補(bǔ)了我國(guó)水利行業(yè)分散性黏土與膨脹土凍脹性分類(lèi)的空白。針對(duì)分散性黏土防凍脹結(jié)構(gòu)，提出了分散性黏土改良技術(shù)、蜂巢約束系統(tǒng)、鉸接式混凝土防護(hù)系統(tǒng)、雷諾防護(hù)系統(tǒng)，以及碎石聚氨酯護(hù)坡結(jié)構(gòu)等[5]。針對(duì)膨脹土防凍脹結(jié)構(gòu)，提出了膨脹土改良技術(shù)(纖維土、EPS顆粒輕質(zhì)土)、土工布加筋土結(jié)構(gòu)、土工合成材料膨潤(rùn)土墊防護(hù)結(jié)構(gòu)、EPS改良膨脹土防凍脹結(jié)構(gòu)，以及土工袋防凍脹結(jié)構(gòu)等[6-7]。提出了深季節(jié)凍土區(qū)分散性黏土和膨脹土防凍脹結(jié)構(gòu)的主要材料和相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)，以及相應(yīng)的防凍脹結(jié)構(gòu)的典型斷面，取得了良好的效果。提出了計(jì)算膨脹變形和凍脹變形的本構(gòu)方程構(gòu)造方法。提出了分離式、整體式、組合式三種方法的區(qū)別與適用范圍，為采用土工合成材料加筋治理深季節(jié)凍土區(qū)分散性黏土與膨脹土邊坡穩(wěn)定性的數(shù)值分析方法奠定了理論基礎(chǔ)。

上述研究成果有效地解決了深季節(jié)凍土區(qū)分散性黏土與膨脹土邊坡穩(wěn)定與加固技術(shù)、坡面防護(hù)技術(shù)問(wèn)題和深季節(jié)凍土區(qū)分散性黏土與膨脹土邊坡破壞機(jī)理及穩(wěn)定計(jì)算方法問(wèn)題。

1.3 砂性黏土筑堤凍結(jié)規(guī)律

黑龍江干流堤防工程或料場(chǎng)往往位于平原、葦田、河套濕地、灘涂等地下水位高、易積水的低洼地帶，降雨積水、地表承載力低等原因給常溫施工過(guò)程中車(chē)輛行走、土料運(yùn)輸及施工填筑均帶來(lái)不同程度的困難。隨著黑龍江干流堤防工程新建、擴(kuò)建項(xiàng)目的不斷增多，為滿足防汛及防冰凌災(zāi)害的應(yīng)急需求，不得不突破規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，在冬季氣候寒冷條件下進(jìn)行堤防填筑施工。

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)工程實(shí)際應(yīng)用效果，已凍土料在負(fù)溫下的擊實(shí)曲線呈下降趨勢(shì)，含水率、土料溫度、擊實(shí)功對(duì)已凍土料擊實(shí)效果影響顯著。冬季筑堤現(xiàn)場(chǎng)碾壓遍數(shù)和室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)擊實(shí)次數(shù)呈冪函數(shù)關(guān)系。采用高粉黏粒含量砂性土冬季筑堤時(shí)，日平均氣溫不應(yīng)低于-15 ℃，土料細(xì)粒含量宜控制在35%以下，土料含水率根據(jù)料場(chǎng)情況而定，控制在4%～8%為理想狀態(tài)，碾壓時(shí)的土料平均溫度應(yīng)控制在2 ℃以上。冬季采用高粉黏粒含量砂性土進(jìn)行堤防填筑施工較為合適的鋪土厚度宜在45～50 cm，采用22 t重型碾壓機(jī)具，碾壓遍數(shù)控制為4遍，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的相對(duì)密度。砂性土堤防冬季施工料場(chǎng)優(yōu)先選擇在河漫灘地帶，堤防冬季施工，可延長(zhǎng)全年施工期，縮短建設(shè)工期，工程盡早發(fā)揮防洪功能[8]。

上述研究成果突破了我國(guó)水利行業(yè)規(guī)范中對(duì)碾壓土堤不宜在負(fù)溫條件下施工、且不低于-10 ℃時(shí)施工的規(guī)定，為我國(guó)寒區(qū)堤防工程建設(shè)提供了完備的施工技術(shù)保障。

2 應(yīng)用技術(shù)研究

應(yīng)用技術(shù)研究是結(jié)合黑龍江省特殊的地域環(huán)境條件，圍繞水利工程抗凍、防凍、施工等領(lǐng)域急需解決的關(guān)鍵難題開(kāi)展研究，有針對(duì)性地解決水利工程建設(shè)過(guò)程中遇到的實(shí)際問(wèn)題。

2.1 渠道襯砌工程凍害防治技術(shù)

凍害問(wèn)題是影響寒區(qū)渠道輸水工程安全和效益發(fā)揮的制約因素。根據(jù)北引干渠渠道邊坡凍害破壞成因調(diào)研、室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬結(jié)果，建立了渠道邊坡水、熱、變形三場(chǎng)耦合的凍融模型，揭示了渠道邊坡襯砌結(jié)構(gòu)凍融破壞的機(jī)理，提出了各結(jié)構(gòu)在寒區(qū)渠道工程中應(yīng)用的抗凍脹設(shè)計(jì)方法。提出的適合不同破壞類(lèi)型、不同破壞成因、不同破壞程度的雷諾護(hù)墊防護(hù)結(jié)構(gòu)、混凝土鉸接塊防護(hù)結(jié)構(gòu)、加筋麥克墊防護(hù)結(jié)構(gòu)和預(yù)制混凝土+保溫防護(hù)結(jié)構(gòu)等生態(tài)環(huán)保的襯砌工程防凍害結(jié)構(gòu)型式[8]，凍脹復(fù)原率達(dá)到95%以上，綜合造價(jià)比硬質(zhì)混凝土護(hù)岸節(jié)省約10%～20%。該技術(shù)成果已在北引擴(kuò)建工程中進(jìn)行了應(yīng)用，取得了良好的社會(huì)效益、生態(tài)效益。該成果還可以在黑龍江省三江治理工程中的堤防、護(hù)岸等工程的邊坡防護(hù)，以及我國(guó)其他高緯度寒冷地區(qū)的輸配水工程邊坡防護(hù)中進(jìn)行推廣應(yīng)用。

2.2 延長(zhǎng)水利工程冬季施工期關(guān)鍵技術(shù)

寒冷地區(qū)由于特殊的地域條件，夏、秋季節(jié)河流所在流域多雨，冬季寒冷漫長(zhǎng)，河面結(jié)冰封凍，全年有效施工工期很短，施工條件惡劣，水利工程邊坡防護(hù)問(wèn)題突出。如何延長(zhǎng)水利工程冬季施工期，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。針對(duì)延長(zhǎng)冬季水利工程施工期的需求，黑龍江省水利科學(xué)研究院開(kāi)展了一系列的研究。根據(jù)調(diào)研、室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬結(jié)果，提出了“抗”“阻”“避”的冰凌防治方法和具體技術(shù)方案，摸清了黑龍江干流冰情的基本情況，同時(shí)為寒區(qū)江河岸坡冰凌防護(hù)提供技術(shù)方案，建立了冰上施工邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)型式的總體數(shù)據(jù)庫(kù)，分析了冰上沉排的特點(diǎn)及適用條件[9]，編制了寒區(qū)堤防邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)的冰上沉排設(shè)計(jì)與施工技術(shù)指南，提出了寒區(qū)堤防工程冬季施工過(guò)程仿真優(yōu)化與實(shí)時(shí)控制技術(shù)，確定了負(fù)溫下土料的壓實(shí)性能及變形規(guī)律[10]，提出的砂性土冬季筑堤施工技術(shù)方案可延長(zhǎng)施工期1～2個(gè)月，編制了寒冷地區(qū)冬季土方施工及堤壩修筑技術(shù)規(guī)范，為高緯度寒區(qū)筑壩的設(shè)計(jì)與施工提供了技術(shù)支持，促進(jìn)了施工能力及水平的提高，進(jìn)而延長(zhǎng)寒區(qū)施工工期，并提高工程質(zhì)量及工程安全。

2.3 護(hù)坡快速施工技術(shù)

在水利工程領(lǐng)域，快速施工技術(shù)多側(cè)重于施工組織和管理方法的研究，針對(duì)護(hù)坡材料和結(jié)構(gòu)型式的快速施工技術(shù)幾乎空白。黑龍江省水利科學(xué)研究院通過(guò)塊型和配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)研發(fā)的新型透水混凝土鉸接塊強(qiáng)度等級(jí)達(dá)C25～C30，滲透系數(shù)為0.6～1.0 cm/s，抗凍等級(jí)達(dá)到F300。通過(guò)開(kāi)展透水混凝土鉸接塊成型工藝、養(yǎng)護(hù)工藝，以及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸和吊裝方法的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了透水混凝土鉸接塊護(hù)坡快速施工技術(shù)。透水混凝土鉸接塊單臺(tái)成型設(shè)備生產(chǎn)效率可達(dá)每10秒鐘生產(chǎn)1塊，平均每天可生產(chǎn)3000～4000塊。自然養(yǎng)護(hù)條件下，透水混凝土鉸接塊12 h可以搬運(yùn)，24 h可以拼裝，72 h可以吊裝施工，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械化鋪裝施工效率達(dá)1～5 m2/min 。該技術(shù)為水利工程邊坡防護(hù)工程建設(shè)提供了一種實(shí)用、有效的施工方法，可在保證護(hù)坡工程整體性和安全性的前提下，增加護(hù)坡工程施工的機(jī)械化程度，提高施工速度和施工效率，縮短施工期。該技術(shù)可在冬季施工，增加有效工期，有效地解決了寒冷地區(qū)施工期短、施工難度大的問(wèn)題，有利于最大限度地發(fā)揮工程效益。

2.4 寒冷地區(qū)江河生態(tài)護(hù)岸技術(shù)

生態(tài)護(hù)岸技術(shù)是江河護(hù)岸新技術(shù)，在寒區(qū)應(yīng)用較少。為此，結(jié)合寒冷地區(qū)氣候、水文、地質(zhì)等因素的特點(diǎn)，開(kāi)展了一系列研究。根據(jù)模型試驗(yàn)和工程實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，分析了格賓網(wǎng)墊護(hù)岸和鉸鏈?zhǔn)阶o(hù)坡結(jié)構(gòu)在水流沖刷、冰推、岸坡土體凍融循環(huán)作用下的穩(wěn)定性，以及生態(tài)護(hù)岸的生態(tài)效應(yīng)和景觀效應(yīng)，提出了適合寒冷地區(qū)氣候特點(diǎn)的新型生態(tài)護(hù)岸型式及其成套技術(shù)，研究成果格賓網(wǎng)墊護(hù)岸和鉸鏈?zhǔn)阶o(hù)坡兩種生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)在我省均為首次應(yīng)用[11-13]。目前，已在牡丹江、大慶等7個(gè)市(縣)的護(hù)岸工程建設(shè)中應(yīng)用115萬(wàn)m2，護(hù)岸表層植被覆蓋率達(dá)到70%，護(hù)岸結(jié)構(gòu)適應(yīng)岸基凍脹融沉變形能力強(qiáng)，工程安全穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了景觀效益和生態(tài)效益。

3 試驗(yàn)研究裝備

我國(guó)季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)的凍害問(wèn)題一直是水利工程建設(shè)亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題，為了更好地開(kāi)展相關(guān)研究，解決凍害問(wèn)題，黑龍江省水利科學(xué)研究院研發(fā)了凍土力學(xué)模型試驗(yàn)臺(tái)[14]、土體膨脹-凍脹聯(lián)合測(cè)試裝置[15]、混凝土護(hù)坡抗冰水沖刷性能測(cè)試裝置和凍土遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)[16]等試驗(yàn)研究裝備，從試驗(yàn)平臺(tái)和監(jiān)測(cè)手段上進(jìn)行創(chuàng)新，縮短了與國(guó)內(nèi)外的差距。

3.1 凍土力學(xué)模型試驗(yàn)臺(tái)

凍土力學(xué)模型試驗(yàn)臺(tái)為全鋼結(jié)構(gòu)矩形箱體，由主體結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)組成。主體結(jié)構(gòu)為保溫箱體結(jié)構(gòu)，包括側(cè)壁面板、反力梁、底板和箱體外保溫系統(tǒng)；附屬結(jié)構(gòu)包括補(bǔ)水系統(tǒng)、底板溫度控制系統(tǒng)、加載系統(tǒng)，以及數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)組成。該裝置是目前國(guó)內(nèi)最大的凍土力學(xué)模型試驗(yàn)裝置，可完成大比尺凍土模型試驗(yàn)，填補(bǔ)了我國(guó)在凍土力學(xué)模型試驗(yàn)研究方面的空白。該裝置配合低溫實(shí)驗(yàn)室使用，可模擬季節(jié)凍土的場(chǎng)地凍融過(guò)程，實(shí)現(xiàn)單向和雙向的凍結(jié)條件及單向或雙向融化條件；通過(guò)對(duì)補(bǔ)水條件進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，可模擬不同的地下水位，實(shí)現(xiàn)凍結(jié)過(guò)程中遷移水分的自動(dòng)補(bǔ)給；可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)凍土的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)，以及凍脹融沉變形等，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的全自動(dòng)采集與分析，可進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)[16]。在各類(lèi)科研項(xiàng)目的模型試驗(yàn)中應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果，得到了大量準(zhǔn)確、翔實(shí)的數(shù)據(jù)，提高了科學(xué)研究的水平，為項(xiàng)目的順利實(shí)施提供了支持和保障，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

3.2 凍土遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)

凍土遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)由凍土遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)組成，是基于Microsoft NET Framework 架構(gòu)開(kāi)發(fā)的新一代先進(jìn)的基礎(chǔ)軟件。軟件運(yùn)行穩(wěn)定可靠、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、重復(fù)性好、操作簡(jiǎn)單，可根據(jù)具體要求進(jìn)行系統(tǒng)配置，為每一用戶(hù)提供口令及硬件加密，保證數(shù)據(jù)安全。該系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了季節(jié)凍土溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示技術(shù)，利用自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了寒區(qū)凍土溫度場(chǎng)的實(shí)時(shí)可視化功能。該系統(tǒng)兼容國(guó)內(nèi)外的傳感器，使凍土模型試驗(yàn)和野外原位觀測(cè)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化和實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)[16]。該系統(tǒng)適用于開(kāi)展凍土工程、冰工程的監(jiān)測(cè)與分析及工程凍害破壞機(jī)理研究等，填補(bǔ)了季節(jié)凍土地區(qū)凍土工程信息方面的空白。在哈爾濱凍土野外試驗(yàn)場(chǎng)、大慶洪湖水庫(kù)、北部引嫩擴(kuò)建等工程和黑龍江省季節(jié)凍土區(qū)工程凍土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等進(jìn)行凍融周期的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，獲得了大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，為工程建設(shè)方案優(yōu)選提供了技術(shù)咨詢(xún)、服務(wù)與支撐。在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié) 語(yǔ)

黑龍江省屬于深季節(jié)凍土區(qū)，水利工程破壞成因復(fù)雜，維修養(yǎng)護(hù)工程量大，投資費(fèi)用高。寒區(qū)水利工程實(shí)用技術(shù)的提出和應(yīng)用為北部引嫩等大型水利工程建設(shè)提供了有力的支撐，提高了工程建設(shè)速度，延長(zhǎng)了全年有效施工期，節(jié)約了工程投資，具有顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和推廣應(yīng)用價(jià)值。