哈达山输水干渠高地下水抗冻胀研究方案设计

刘忠富，马栋和，徐伯孟

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130061）

1 工程概况

哈达山水利枢纽工程水库总库容为6.084×108m3，装机容量27.6 MW。由取水枢纽工程、防护区防护工程和输水工程组成。冻结时间每年5个月，最低气温-37.8℃。

输水干渠地层岩性为壤土、泥炭土、淤泥质壤土、细砂、中砂、砾质粗砂等组成，地下水位高出渠底2.9～4.5 m，地震基本裂度为Ⅶ度，冻结深度为1.80～1.90 m。

本次进行3个试验段和1个试验场研究，试验段1（桩号2+525～2+725）属于半填半挖渠道；试验段2（桩号4+700～4+870）属于半填半挖渠道；试验段3（桩号47+000～47+285）属于深挖方渠道。试验场设计9个不同厚度的保温试验和1组分层冻胀量观测。

2 研究的依据和原则

依据的主要规程、规范：GBT50662—2011《水工建筑物抗冰冻设计规范》；SL551—2011《土石坝安全观测技术规范》。

根据试验段的地质条件和衬砌形式，按照突出重点、统筹安排、合理布置的原则确定观测断面。以冻胀变形观测为主，同时进行冻深、温度、冰压力、地下水位等试验，不同观测项目的仪器尽可能集中布置，以便试验结果相互验证解释，现场原型观测与巡视检查相结合。

3 研究内容及仪器布置

目前国内研究冻胀问题的主要方法：基土试验和原型观测。

3.1 基土试验研究

基土试验主要进行土料物理力学性能试验，试验内容为：冻前和冻后含水率、密度、比重和颗粒分析，每个试验段布置1个断面，在阴坡的坡底、坡中、坡顶各布置1孔，每孔间隔0.2 m取1点，取土深度2 m，每个断面共计3孔，3个试验段9个孔，每孔10组，共计90组。

3.2 原型观测

主要观测项目：冻胀、冻深、地下水位、地温、冰温、渠道冰压力、护坡与基土脱空观测、渠基冻胀（单点位移计）观测。

1）冻胀观测。在试验段1，2和3利用钢管作基点，采用不锈钢金属圆头制成。试验段1布置9个断面108个测点，测点布置在阴坡，每个断面布置11～12个测点，间距1 m左右，重点是坡脚、脚槽（或冰面）。试验段2测点布置与试验段1基本相同。试验段3布置6个观测断面，每个断面阴坡和阳坡都布置9～10个测点，间距1 m，重点是坡脚、脚槽（或冰面）。

2）渠道平行坡面位移观测。在3个试验段的渠道堤顶位置安装测试点，在钢管外壁焊接不锈钢，共安装25个测试断面，通过测试基点与坡顶冻胀测点之间距离变化，观测渠道平行坡面位移。

3）冻深观测。冻深观测采用冻深器进行，在试验段1土坡和铰链式模袋砼护坡阴坡的坡顶、坡中和坡脚各布置1个冻深器，在铰链式模袋砼护坡脚槽的内外也各布置1个，采用钻孔形式进行埋设，埋深2.1 m，共布置8个仪器。在试验段的2布置与试验段1基本相同。在试验段3的不同护坡形式的坡中间阴阳坡各布置2个冻深器，其中在铰链式模袋砼护坡阴坡的坡顶、坡中和坡脚布置3个仪器，共6种护坡形式布置13个仪器。

4）地下水位观测。在试验段渠道堤顶和渠道中间布置水位孔，安装水位计进行观测，其中试验段3在模袋混凝土坡顶钻孔，深4.8 m，在坡中钻孔，深2.4 m，阴阳坡共钻4个孔，3个试验段和试验场共布置9个地下水位孔。

5）地温观测。采用热敏电阻和读数仪进行观测，埋设深度分别为 0，0.05，0.2，0.4，0.8，1.2，1.6 m和2.0 m，共计8个测点。试验段1布置4个断面，每个断面堤顶、边坡上、边坡下和坡脚布置4个温度计，每个断面32支，共计128支。试验段2布置3个断面，每个断面堤顶、边坡上、边坡下和坡脚布置4个温度计，每个断面32支，共计96支。试验段3布置4个断面，每个断面堤顶、边坡上、边坡下和坡脚布置4个温度计，每个断面32支，共计128支。

6）冰压力观测。采用弦式压力计进行观测，在试验段3设2个断面，埋设深度距离冰面分别为0～0.1，0.2～0.3，0.4～0.5，0.6～0.7，0.8～0.9 m，每个断面 5支仪器，共计10支仪器。

7）冰温度观测。采用弦式温度计进行，在试验段3布置2个断面，埋设位置与仪器布置同冰压力观测。

8）渠道垂直坡面位移观测。在试验段2和试验段3渠道坡中和底部坡脚位置安装单点位移计，垂直渠道边坡钻孔安装埋设，坡中埋深2 m，坡脚埋深2.5 m，每个试验段布置2个断面，共布置6支单点位移计。

9）护坡与基土脱空观测。在试验段2和试验段3布置2个断面，每个断面在边坡中和下部位安装测缝计，在护坡与基土中间钻孔安装埋设，在3个试验段布置6个断面，每个断面2支仪器，共计布置6支仪器。

4 技术要求

4.1 观测时间和频次

观测时间从每年11月中旬～次年的4月底，观测土的冻胀和融化回沉过程。冻胀测点间隔15 d观测一次，其中每年11月17日至第二年2月20日，间隔15 d测试一次，2月20日至3月10日，间隔5 d测试一次，3月10日至4月25日，间隔15 d测试一次。冻胀观测采取水准法进行，位移计、测缝计和冰压力在安装后进行初始值观测，测次同冻胀测点方式相同。每次观测后及时进行数据整理，分析测试数据合理性及变化规律，发现数据异常立即进行补测。

4.2 巡视检查

检查渠道在冬季冻融期间的结构完整性，发现异常迹象或裂缝现象，及时进行记录，发现时间、部位、主要特征，一般用眼看、手摸等直观方法，辅以锤、钢卷尺、放大镜等简单工具检查，并做好记录。

5 结论

根据基土试验和原型观测资料，要给出以下成果：

1）填筑土料物理力学性质研究报告。

2）冬季地下水位变化规律。

3）典型地段渠道地温、冻深、地下水位变化规律。

4）典型地段渠道冻胀和冻融变化与气温、负气温指数、土质、地下水位等因素的相互关系。

5）不同衬砌结构冻结和冻融期沿坡面的冻胀变形规律，不同典型地段较适宜的衬砌结构。

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