寒区水利工程技术成果与应用

钟 华，苏安双，李兆宇，刘丽佳

(1.黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080； 2.黑龙江省季节冻土区工程冻土重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080)

近年来，寒区水利工程技术研究发展较快。寒区水利工程技术研究领域涵盖基础理论、新材料、新技术，以及新装备等水利工程建设的诸多方面。寒区水利工程运行存在着很多问题，需要进行深入细致的研究来有针对性地解决这些问题。这不仅涉及到水利工程在低温冻融循环条件下的破坏形式、破坏成因、破坏规律、破坏机理等基础理论的完善，以及防止或减轻破坏采取的技术措施和方法的有效性和实用性验证，还涉及到研究方法和研究手段的准确性和先进性。本文从基础理论、应用技术和试验研究装备三方面简要介绍寒区水利工程技术的最新研究成果。

1 应用基础理论研究成果

寒区水利工程由于严寒的环境条件影响，季节性冻融作用显著，其破坏情况不同于暖土区水利工程的破坏，有较强的特殊性。水利工程边坡防护时常处于年年修年年坏的困境中，寒区水利工程不同类型边坡冻胀规律的研究是水利工程技术研究的首要内容。正确、完善、系统的理论基础是应用技术研究的重要保障，可为更好地解决水利工程运行过程中出现的破坏问题提供理论依据和指导。

1.1 水工土质边坡冻胀破坏机理

黑龙江省属于深季节冻土区，由于特殊的气候环境条件，水工土质边坡不仅会因受到降雨渗流、水流冲刷、水库调度等因素的影响发生暖土的失稳破坏情况，还会因受到季节性冻融作用的影响而发生冻土的失稳破坏情况。渠道工程改变了渠基土壤水分、温度、受力状态，加之渠道走向不同，各部位日照及温度不均，冻结锋面方向也不同，所以渠基土壤水分运移和单纯土壤冻结水分迁移并不完全一样，渠基土壤冻胀机理更为复杂。

根据模型试验、现场监测和数值模拟结果，北部引嫩总干渠乌南54 km段土质渠坡冻胀破坏以冻融裂缝为主，马道临空面易发生冻融剥蚀。冻融循环和水流冲刷共同作用会加剧冻融侵蚀，增大水土流失量，加剧岸坡的后退。冻融剥蚀量与冻融循环次数和水流冲刷关系密切[1]。在渠道冻结过程中，水冻结结冰在地层中产生较大的冻胀力，导致边坡中下部以及渠道底部出现很大的拉应力，致使这部分浅层土体逐年剥蚀。当环境温度最低时，就水平位移而言，渠堤向两侧变形，在渠道外侧坡脚和内侧边坡中部的水平位移较大，渠道易发生冻胀剥蚀[2-3]。冻结时，土柱表面有裂纹和裂缝分布，缝隙内充满孔隙冰，土体被孔隙冰分割成团块；融化时，冰相变为水，形成裂缝，土体强度被削弱。冻结层上部融化土层的水分无法下渗，在融冻界面上积聚，是土体的软弱层[4]。当气温达到最高时，冻结层中的冰晶体已经全部融化，由于冰晶融水不能在短时间内消散，致使土体强度降低，渠道发生融沉，边坡产生滑塌。

上述研究成果为水工土质边坡冻融破坏机理分析奠定了基础，较好地解决了北部引嫩总干渠乌南段土质边坡冻胀破坏机理不明确的问题，为渠坡的防护提供了技术支持和保障。

1.2 分散性黏土、膨胀土边坡冻胀规律

分散性黏土和膨胀土是特殊的土质。分散性土具有比细砂和粉土还要严重的冲蚀现象，这种性质是导致工程事故的主要原因。膨胀土是一种典型的非饱和土，在缺乏有效防护与加固措施的情况下，膨胀土边坡在坡度1∶5甚至更缓的情况下也会发生滑坡，且同一位置可多次滑动，其破坏模式主要表现为浅层滑动、渐进性破坏。深季节冻土区的分散土及膨胀土问题由来已久，黑龙江省在修建引嫩工程以及引汤工程中都遇到了分散土和膨胀土的问题；破坏现象严重，虽然也相应采取了一些措施，但效果不佳。这是由于以往的研究更多地关注分散性以及膨胀性，对其冻胀特性的认知甚少，而忽视了“分散性+冻胀性”和“膨胀性+冻胀性”所造成的破坏。

根据模型试验、现场监测和数值模拟结果，制定了分散性黏土与膨胀土冻胀性分类的方法，填补了我国水利行业分散性黏土与膨胀土冻胀性分类的空白。针对分散性黏土防冻胀结构，提出了分散性黏土改良技术、蜂巢约束系统、铰接式混凝土防护系统、雷诺防护系统，以及碎石聚氨酯护坡结构等[5]。针对膨胀土防冻胀结构，提出了膨胀土改良技术(纤维土、EPS颗粒轻质土)、土工布加筋土结构、土工合成材料膨润土垫防护结构、EPS改良膨胀土防冻胀结构，以及土工袋防冻胀结构等[6-7]。提出了深季节冻土区分散性黏土和膨胀土防冻胀结构的主要材料和相应的技术指标，以及相应的防冻胀结构的典型断面，取得了良好的效果。提出了计算膨胀变形和冻胀变形的本构方程构造方法。提出了分离式、整体式、组合式三种方法的区别与适用范围，为采用土工合成材料加筋治理深季节冻土区分散性黏土与膨胀土边坡稳定性的数值分析方法奠定了理论基础。

上述研究成果有效地解决了深季节冻土区分散性黏土与膨胀土边坡稳定与加固技术、坡面防护技术问题和深季节冻土区分散性黏土与膨胀土边坡破坏机理及稳定计算方法问题。

1.3 砂性黏土筑堤冻结规律

黑龙江干流堤防工程或料场往往位于平原、苇田、河套湿地、滩涂等地下水位高、易积水的低洼地带，降雨积水、地表承载力低等原因给常温施工过程中车辆行走、土料运输及施工填筑均带来不同程度的困难。随着黑龙江干流堤防工程新建、扩建项目的不断增多，为满足防汛及防冰凌灾害的应急需求，不得不突破规范和设计要求，在冬季气候寒冷条件下进行堤防填筑施工。

根据室内试验结果和实验工程实际应用效果，已冻土料在负温下的击实曲线呈下降趋势，含水率、土料温度、击实功对已冻土料击实效果影响显著。冬季筑堤现场碾压遍数和室内击实试验击实次数呈幂函数关系。采用高粉黏粒含量砂性土冬季筑堤时，日平均气温不应低于-15 ℃，土料细粒含量宜控制在35%以下，土料含水率根据料场情况而定，控制在4%～8%为理想状态，碾压时的土料平均温度应控制在2 ℃以上。冬季采用高粉黏粒含量砂性土进行堤防填筑施工较为合适的铺土厚度宜在45～50 cm，采用22 t重型碾压机具，碾压遍数控制为4遍，能够达到设计的相对密度。砂性土堤防冬季施工料场优先选择在河漫滩地带，堤防冬季施工，可延长全年施工期，缩短建设工期，工程尽早发挥防洪功能[8]。

上述研究成果突破了我国水利行业规范中对碾压土堤不宜在负温条件下施工、且不低于-10 ℃时施工的规定，为我国寒区堤防工程建设提供了完备的施工技术保障。

2 应用技术研究

应用技术研究是结合黑龙江省特殊的地域环境条件，围绕水利工程抗冻、防冻、施工等领域急需解决的关键难题开展研究，有针对性地解决水利工程建设过程中遇到的实际问题。

2.1 渠道衬砌工程冻害防治技术

冻害问题是影响寒区渠道输水工程安全和效益发挥的制约因素。根据北引干渠渠道边坡冻害破坏成因调研、室内试验、现场监测和数值模拟结果，建立了渠道边坡水、热、变形三场耦合的冻融模型，揭示了渠道边坡衬砌结构冻融破坏的机理，提出了各结构在寒区渠道工程中应用的抗冻胀设计方法。提出的适合不同破坏类型、不同破坏成因、不同破坏程度的雷诺护垫防护结构、混凝土铰接块防护结构、加筋麦克垫防护结构和预制混凝土+保温防护结构等生态环保的衬砌工程防冻害结构型式[8]，冻胀复原率达到95%以上，综合造价比硬质混凝土护岸节省约10%～20%。该技术成果已在北引扩建工程中进行了应用，取得了良好的社会效益、生态效益。该成果还可以在黑龙江省三江治理工程中的堤防、护岸等工程的边坡防护，以及我国其他高纬度寒冷地区的输配水工程边坡防护中进行推广应用。

2.2 延长水利工程冬季施工期关键技术

寒冷地区由于特殊的地域条件，夏、秋季节河流所在流域多雨，冬季寒冷漫长，河面结冰封冻，全年有效施工工期很短，施工条件恶劣，水利工程边坡防护问题突出。如何延长水利工程冬季施工期，具有重要的现实意义。针对延长冬季水利工程施工期的需求，黑龙江省水利科学研究院开展了一系列的研究。根据调研、室内试验、现场监测和数值模拟结果，提出了“抗”“阻”“避”的冰凌防治方法和具体技术方案，摸清了黑龙江干流冰情的基本情况，同时为寒区江河岸坡冰凌防护提供技术方案，建立了冰上施工边坡防护结构型式的总体数据库，分析了冰上沉排的特点及适用条件[9]，编制了寒区堤防边坡防护结构的冰上沉排设计与施工技术指南，提出了寒区堤防工程冬季施工过程仿真优化与实时控制技术，确定了负温下土料的压实性能及变形规律[10]，提出的砂性土冬季筑堤施工技术方案可延长施工期1～2个月，编制了寒冷地区冬季土方施工及堤坝修筑技术规范，为高纬度寒区筑坝的设计与施工提供了技术支持，促进了施工能力及水平的提高，进而延长寒区施工工期，并提高工程质量及工程安全。

2.3 护坡快速施工技术

在水利工程领域，快速施工技术多侧重于施工组织和管理方法的研究，针对护坡材料和结构型式的快速施工技术几乎空白。黑龙江省水利科学研究院通过块型和配合比优化设计研发的新型透水混凝土铰接块强度等级达C25～C30，渗透系数为0.6～1.0 cm/s，抗冻等级达到F300。通过开展透水混凝土铰接块成型工艺、养护工艺，以及现场运输和吊装方法的优化设计，提出了透水混凝土铰接块护坡快速施工技术。透水混凝土铰接块单台成型设备生产效率可达每10秒钟生产1块，平均每天可生产3000～4000块。自然养护条件下，透水混凝土铰接块12 h可以搬运，24 h可以拼装，72 h可以吊装施工，现场机械化铺装施工效率达1～5 m2/min 。该技术为水利工程边坡防护工程建设提供了一种实用、有效的施工方法，可在保证护坡工程整体性和安全性的前提下，增加护坡工程施工的机械化程度，提高施工速度和施工效率，缩短施工期。该技术可在冬季施工，增加有效工期，有效地解决了寒冷地区施工期短、施工难度大的问题，有利于最大限度地发挥工程效益。

2.4 寒冷地区江河生态护岸技术

生态护岸技术是江河护岸新技术，在寒区应用较少。为此，结合寒冷地区气候、水文、地质等因素的特点，开展了一系列研究。根据模型试验和工程实验研究结果，分析了格宾网垫护岸和铰链式护坡结构在水流冲刷、冰推、岸坡土体冻融循环作用下的稳定性，以及生态护岸的生态效应和景观效应，提出了适合寒冷地区气候特点的新型生态护岸型式及其成套技术，研究成果格宾网垫护岸和铰链式护坡两种生态护岸结构在我省均为首次应用[11-13]。目前，已在牡丹江、大庆等7个市(县)的护岸工程建设中应用115万m2，护岸表层植被覆盖率达到70%，护岸结构适应岸基冻胀融沉变形能力强，工程安全稳定，实现了景观效益和生态效益。

3 试验研究装备

我国季节性冻土区的冻害问题一直是水利工程建设亟待解决的关键问题，为了更好地开展相关研究，解决冻害问题，黑龙江省水利科学研究院研发了冻土力学模型试验台[14]、土体膨胀-冻胀联合测试装置[15]、混凝土护坡抗冰水冲刷性能测试装置和冻土远程实时监测软件系统[16]等试验研究装备，从试验平台和监测手段上进行创新，缩短了与国内外的差距。

3.1 冻土力学模型试验台

冻土力学模型试验台为全钢结构矩形箱体，由主体结构和附属结构组成。主体结构为保温箱体结构，包括侧壁面板、反力梁、底板和箱体外保温系统；附属结构包括补水系统、底板温度控制系统、加载系统，以及数据采集与处理系统组成。该装置是目前国内最大的冻土力学模型试验装置，可完成大比尺冻土模型试验，填补了我国在冻土力学模型试验研究方面的空白。该装置配合低温实验室使用，可模拟季节冻土的场地冻融过程，实现单向和双向的冻结条件及单向或双向融化条件；通过对补水条件进行实时控制，可模拟不同的地下水位，实现冻结过程中迁移水分的自动补给；可实时监测冻土的温度场、应力场，以及冻胀融沉变形等，实现试验数据的全自动采集与分析，可进行远程监测[16]。在各类科研项目的模型试验中应用，取得了良好的应用效果，得到了大量准确、翔实的数据，提高了科学研究的水平，为项目的顺利实施提供了支持和保障，具有良好的应用价值。

3.2 冻土远程实时监测软件系统

冻土远程实时监测软件系统由冻土远程实时监测软件、数据采集与处理系统、传感器系统组成，是基于Microsoft NET Framework 架构开发的新一代先进的基础软件。软件运行稳定可靠、数据准确、重复性好、操作简单，可根据具体要求进行系统配置，为每一用户提供口令及硬件加密，保证数据安全。该系统开发了季节冻土温度场实时显示技术，利用自动监测系统的实时数据，实现了寒区冻土温度场的实时可视化功能。该系统兼容国内外的传感器，使冻土模型试验和野外原位观测实现了自动化和实时在线监测[16]。该系统适用于开展冻土工程、冰工程的监测与分析及工程冻害破坏机理研究等，填补了季节冻土地区冻土工程信息方面的空白。在哈尔滨冻土野外试验场、大庆洪湖水库、北部引嫩扩建等工程和黑龙江省季节冻土区工程冻土重点实验室等进行冻融周期的长期监测，获得了大量实测数据，为工程建设方案优选提供了技术咨询、服务与支撑。在远程监测和数据采集方面具有广阔的应用前景。

4 结 语

黑龙江省属于深季节冻土区，水利工程破坏成因复杂，维修养护工程量大，投资费用高。寒区水利工程实用技术的提出和应用为北部引嫩等大型水利工程建设提供了有力的支撑，提高了工程建设速度，延长了全年有效施工期，节约了工程投资，具有显著的社会经济效益和推广应用价值。