遼寧省水工混凝土水文氣象環境指標體系構建與應用

張秀春

(朝陽市江河流域保護管理局，遼寧 朝陽 122000)

隨著水利工程建設的發展，水利工程質量凸顯重要，尤其是水工混凝土結構的質量與耐久性直接影響著水利工程的使用年限及發揮正常效益，事關國計民生[1]。近些年，遼寧省新建和加固改造了一批水利工程，使水利工程總體面貌有了極大的改善。但水工混凝土結構在質量安全和耐久性方面仍然存在問題。主要表現：一是混凝土裂縫，導致結構失去整體性，無法達到原設計標準，嚴重的貫穿縫會導致結構失去整體性，無法達到原設計功能，甚至影響正常使用[2-5]；二是混凝土剝蝕，甚至層狀剝落，骨料外露，構件有效斷面減小，降低結構承載能力[6-7]；三是混凝土碳化，喪失堿環境條件，鋼筋的鈍化膜被破壞并發生銹蝕、體積膨脹，構件抗拉能力減弱，同時混凝土變脆，引起混凝土開裂、脫落，甚至造成混凝土結構破壞，危及結構的耐久性[8-10]；四是混凝土沖刷，使混凝土表面凸凹不平，骨料外露、脫落，造成鋼筋銹蝕[11-12];五是混凝土氯鹽侵蝕，使混凝土老化、脫落，造成混凝土結構破壞[13];六是混凝土滲漏，會在混凝土結構體內部形成滲水通道，降低工程攔蓄水能力及攔蓄水的浪費，滲水還將不斷侵蝕混凝土結構體，造成混凝土結構進一步的破壞[14];七是混凝土凍脹。混凝土結構體內侵潤水分后，到冬季待溫度降至0℃以下時，水會發生結凍并體積膨脹，導致混凝土結構體發生開裂，逐漸分層脫落，造成混凝土結構破壞。上述問題，嚴重影響了混凝土結構的質量和耐久性，急需開展專項技術研究，形成技術成果，應用于工程實踐，提升水工混凝土結構質量和耐久性，更大程度上發揮工程效益。

1 水工混凝土水文氣象環境指標體系

實踐表明，水利工程所在地區的水文氣候條件是影響水工混凝土結構質量與耐久性的重要因素。例如氣溫、降水量、凍土層厚度、河流冰情等氣象、水文條件，影響凍融作用的強烈程度。河流潮汐狀況影響水體鹽堿程度，從而影響混凝土氯鹽侵蝕狀況。根據有關國家、行業規范、標準，選取在水工混凝土設計、施工、運行管理階段考慮有關水文、氣象指標，并用不同的參數對各個指標進行刻畫，從而建立基于全壽命理念的遼寧省水工混凝土水文氣象環境指標體系，見表 1。該指標體系考慮12項水文氣象指標，采用23項參數對這些指標進行描述，以滿足有關部門在水工混凝土設計、施工、運行管理過程中對水文氣象基礎信息的需要。

表1 遼寧省水工混凝土水文氣象環境指標體系

2 站點選擇與資料年限

本次研究涉及到的資料主要包括：由遼寧省氣象局提供的全省56個地面國家級站點的月平均降水、月平均蒸發、月平均溫度和日平均氣溫資料。在研究中所提到的代表站點選取見表2，若未提及，則將56個站點統一考慮。日平均氣溫是指一天24小時的平均氣溫。氣象學上通常用一天2時、8時、10時、20時4個時刻的氣溫相加后平均作為一天的平均氣溫(即4個氣溫相加除以4)，結果保留一位小數。河流冰情資料來自水文年鑒資料，包括典型河流代表站的初冰日期、終冰日期、封凍天數、封凍日期、解凍日期、河流水溫以及河心最大冰厚等。在資料相對完整的基礎上，在全省選取代表性河流的重點水文站14處，見表 3。初、終冰日期資料年限為1987—2019年，封凍天數資料年限為1988—2019年，河心最大冰厚資料始于1956—1977年，結束于2019年。

表2 遼寧省14個代表站選取

表3 河流冰情分析典型水文站選擇

3 水工混凝土設計環境分區

3.1 低溫分區

統計各站1951—2019年最冷月在各月出現年數的總體情況，結果見表4。并對遼寧省低溫季節施工開始日期的多年平均值分布圖進行分析，如圖1所示。

表4 各站各月份出現最冷月的年數及其占總年數的百分比

(續表4)

圖1 低溫季節施工開始日期分布圖

從表4中可看出，1月份出現最冷月的比例最高，各站平均達到81.9%；12月份出現最冷月的比例次之，各站平均為11.8%；2月份出現最冷月的比例最低，平均為6.3%。最冷月份發生的年代際特征為：對于多數站點來講，20世紀50—60年代1月份為最冷月的比例在60%～80%；70—90年代1月份為最冷月的比例高達80%～100%；2000年至今，1月份為最冷月的比例降低到60%～80%，12月份出現最冷月的比例升高到20%～40%。這說明最冷月的出現月份有提前的趨勢。從圖1中可看出，遼寧省東北部開始日期較早，其中鐵嶺、撫順地區開始日期在10月22—31日之間；南部較晚，大連地區開始日期在11月11—20日之間。南北地區的開始日期差異可達1個月左右。

3.2 年凍融循環次數空間分布

選取各市14個代表站，對遼寧省1960—2019年年凍融循環次數演變特征進行分析，在14個站點中，有11個站的年凍融循環次數呈減少趨勢(沈陽、本溪和丹東呈較弱的增加趨勢)，其中鞍山、鐵嶺和大連站的減少趨勢最顯著。進入21世紀以來年凍融循環次數又呈現較弱的增加趨勢。對遼寧省年凍融循環次數空間分布進行分析，如圖2所示。

圖2 遼寧省年凍融循環次數分布

由遼寧省年凍融循環次數分布圖可以看出，年凍融循環次數超過100次主要集中在3個區域。西部的朝陽、阜新西部、葫蘆島大部和錦州北部；莊河、岫巖、東崗一帶；西豐、清原、新賓、桓仁。

3.3 凍土深度分區

對于各站統計有記錄以來的凍土深度的最大值、最小值和平均值，結果見表5，并對凍土深度時空特征進行分析，如圖3所示。

圖3 凍土層厚度區域劃分

表5 遼寧省各站年凍土深度統計

(續表5)

由表 5可見，全省56個站中，最深凍土深度的最小值為80cm，為旅順站，發生在1977年；最深凍土深度的最大值是200cm，為本溪縣站，發生在1977年。全省56個站中，最淺凍土深度最小值為14cm，為旅順站和大連，發生在2007年；最淺凍土深度最大的站為建平縣站，值為89cm，發生在1963年。從圖 3可以看出，凍土深度的年際波動較大，并且大部分站點的凍土深度在70～110cm(大連、丹東等地在40～70cm，阜新、沈陽、鐵嶺和撫順等地在110cm以上)。從1951—2014年的總體趨勢上可以看出，14個代表站中，10個代表站的凍土深度值呈下降趨勢，即凍土深度變淺，其中大連、撫順和遼陽站的下降程度最大；阜新、鐵嶺、本溪和丹東站呈的凍土深度值呈上升趨勢，其中阜新站的上升程度最大。將凍土層厚度100cm為界限，分為深層凍土(凍土層厚度≥100cm)和淺層凍土(凍土層厚度<100cm)。由圖3可以看出，多年平均的凍土厚度大致呈帶狀分布，由南向北逐漸增大。其中，朝陽至撫順一帶，平均凍土厚度在100cm以上；以南地區在100cm以下。

3.4 河道冰情相關參數分區

遼寧省從20世紀80年代末至2019年，大部分站點的初冰日期發生在11、12月份。其總體趨勢表現為大部分站點的初冰日期呈推遲趨勢。從20世紀80年代末至2019年，大部分站點的終冰日期發生在3月份。其總體趨勢演變特征不明顯。將典型河道初冰日期所處的時間以旬(每個月分別有上旬、中旬和下旬)為單位，將初冰、終冰日期繪制到同一張圖中，從而進行區域劃分，結果如圖 4所示。

圖4 河道初冰、終冰日期區域劃分

由圖4可以看出，初冰日期從朝陽、阜新至撫順一帶發生最早，在11月上中旬，最晚發生在盤錦至遼陽地區，大致在11月下旬。終冰日期在阜新、鐵嶺、撫順、本溪和丹東地區發生最晚，在4月上旬，最早發生在葫蘆島、盤錦至遼陽地區，大致在3月中下旬。

4 主要結論

(1)遼寧省多年平均的凍土厚度大致呈帶狀分布，由南向北逐漸增大。其中，朝陽至撫順一帶，平均凍土厚度在100cm以上；以南地區在100cm以下，在水工混凝土質量設計時需重點參考凍土層厚度變化提高其耐久性。

(2)低溫季節施工開始日期建議鐵嶺、撫順地區開始日期在10下旬，南部應在11月中旬。施工結束日期建議東北部鐵嶺、撫順、本溪地區結束日期在4月上旬，南部地區結束日期可在3月下旬。

(3)河道流速變化對水工混凝土沖刷影響明顯，在后續研究中還需要重點關注河道流速分區變化的影響。