严寒地区高地下水大型渠道坡面冻胀特征研究

马栋和，陈立秋，朱海波

(中水东北勘测设计研究有限责任公司，水利部寒区工程技术研究中心,吉林 长春 130021)

我国北方各省市的有关科研院校和设计单位特别是从20世纪80年代开始专门进行了实际工程或现场的渠道冻胀规律的研究，并取得了一定的成果，其中成熟的研究成果已纳入抗冰冻设计规范。国外以日本研究较多，并提出了相应的渠道冻胀规律和防冻措施。

虽然国内外有关水利水电部门对水工建筑物的冻害问题进行了大量研究，并制定了相应的规程规范，但由于冰冻问题的复杂性，冻害现象仍时有发生，水利设施经过多年的运行，有的已经破坏无法运行，有的带病运行，难以发挥效益。渠道冻害仍然是严重影响并制约寒冷地区的农业、畜牧业发展的重要问题。因此，依托哈达山水利枢纽工程进行了严寒地区高地下水大型渠道渠坡冻胀特征研究，对于特别是大型渠道的设计，以及对冰冻学科技术的发展均具有重要意义[1- 4]。

1 渠道试验段冻结深度

本次研究在哈达山输水干渠不同渠段设置了试验观测段，选择桩号2+525～2+715(以下简称2km试验段)，4+700～4+860(以下简称4km试验段)，12+350～12+860(以下简称12km试验段)，47+020～47+270(以下简称47km试验段)四个渠段，对渠坡冻胀规律进行了观测研究。

各试验段基土冻结过程及消融过程如图1所示，符合冻融的一般性规律[5- 6]。对坡面不同位置的最大东深进行统计，见表1，阴坡的冻深大于阳坡冻深。渠坡的阴阳坡冻深比值达到1.3甚至更大。47km试验段的冻深比2km和4km试验段的冻深大，相差30cm左右，这可能与不同区域的小气候条件有关。

图1 2km试验段阴坡冻融过程线

试验段护坡形式坡向坡顶坡上坡下坡脚2km土坡阴坡150140130107阳坡158106100804km土坡阴坡15014213077阳坡150106917247km土坡阴坡20018016032

2 试验段地下水位特征

冻前地下水位的高低及其在冻结期内的动态对

表2 试验段渠底冻前地下水位 单位：m

注：H为渠底高程；D为地下水位，m；Δ为地下水位-渠底的距离，(-)值表示地下水位在渠底以下，(+)值表示在渠底以上，即渠内存水。

图2 试验段土坡最大冻胀量

土的冻胀具有重大作用。表2为渠底冻前地下水位和渠道地下水位分布。从表2可见，除2km试验段2008—2009年度的冻前地下水位较低，距离渠底达到2.01m外，其余的地下水位均较高，距离渠底在1.0m左右，而且年际间变化不大。特别是47km试验段由于是深挖方渠道，两岸有充分地下水补给和渠道未通，以致渠内积水深达2.2m。

试验段的这种地下水位条件和由此导致的堤内含水率高，加之渠基土的胀性，决定了各试验段均将产生强烈的冻胀。

3 试验段渠坡的冻胀特征

渠坡基土的冻胀性质决定着护坡结构受冻胀作用的程度和性状。因此，在各试验段布置了土坡的冻胀观测。观测结果如图2所示。从图2中可见，各试验段土坡的最大冻胀量都很大，属于强冻胀和特强冻胀土，按GB/T 50662—2011《水工建筑物抗冰冻设计规范》土的冻胀级别划分基本上均属于Ⅴ级。

图3是土坡的冻胀、融沉过程。从图3中可见，在11月中旬进入稳定冻结期后，土坡就开始产生冻胀，并随时间稳步增大，至翌年3月中达到最大值。自3月下旬开始，随着气温回升和地表冻结层底面融化，冻胀量很快减小，坡面快速下沉。需要说明的是，由于渠道通水，而此时坡面的冻土层尚未融透，加之渠道通水后土坡变形，因而未能测得坡面下部的最终融沉值，以致图中显示仍有部分残余冻胀量，但从图中所示的融沉速度推断，坡面最终有可能回归到冻前的位置。

图3 2011—2012年土坡冻胀、融沉过程线

图4是土坡冻胀量沿坡面分布。从图中可见，坡上部的冻胀量较小，自坡顶向下冻胀量逐渐增大，大致在距坡顶5.0m以下增速加大。这是由于达到地下水影响范围后越向下与地下水位的距离越小，水分迁移[7- 8]越强烈形成的。

图4 2011—2012年土坡冻胀量沿坡面分布图

4 结论

(1)试验段阴坡的冻深大于阳坡冻深，其比值达到1.3甚至更大，坡顶和坡脚的阴阳坡冻深相差不大。建议设计时遮阴系数可取1.3。

(2)试验段的地下水位较高，加之渠基土的冻胀性，决定了各试验段均将产生强烈的冻胀。试验段的渠基土属于强冻胀和特强冻胀土，按GB/T 50662—2011中土的冻胀级别划分基本上均属于Ⅴ级。

(3)坡上部的冻胀量较小，自坡顶向下冻胀量逐渐增大，大致在距坡顶5.0m以下冻胀量增速加大。自3月下旬开始，随着气温回升和地表和冻结层底面融化，坡面快速下沉。虽由于渠道通水未能测得坡面下部的最终融沉值，但从融沉速度推断，坡面最终有可能回归到冻前的位置。