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)
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。
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。
目前国内研究冻胀问题的主要方法:基土试验和原型观测。
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。
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。
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。
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。
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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