辽宁省水工混凝土水文气象环境指标体系构建与应用

张秀春

(朝阳市江河流域保护管理局，辽宁 朝阳 122000)

随着水利工程建设的发展，水利工程质量凸显重要，尤其是水工混凝土结构的质量与耐久性直接影响着水利工程的使用年限及发挥正常效益，事关国计民生[1]。近些年，辽宁省新建和加固改造了一批水利工程，使水利工程总体面貌有了极大的改善。但水工混凝土结构在质量安全和耐久性方面仍然存在问题。主要表现：一是混凝土裂缝，导致结构失去整体性，无法达到原设计标准，严重的贯穿缝会导致结构失去整体性，无法达到原设计功能，甚至影响正常使用[2-5]；二是混凝土剥蚀，甚至层状剥落，骨料外露，构件有效断面减小，降低结构承载能力[6-7]；三是混凝土碳化，丧失碱环境条件，钢筋的钝化膜被破坏并发生锈蚀、体积膨胀，构件抗拉能力减弱，同时混凝土变脆，引起混凝土开裂、脱落，甚至造成混凝土结构破坏，危及结构的耐久性[8-10]；四是混凝土冲刷，使混凝土表面凸凹不平，骨料外露、脱落，造成钢筋锈蚀[11-12];五是混凝土氯盐侵蚀，使混凝土老化、脱落，造成混凝土结构破坏[13];六是混凝土渗漏，会在混凝土结构体内部形成渗水通道，降低工程拦蓄水能力及拦蓄水的浪费，渗水还将不断侵蚀混凝土结构体，造成混凝土结构进一步的破坏[14];七是混凝土冻胀。混凝土结构体内侵润水分后，到冬季待温度降至0℃以下时，水会发生结冻并体积膨胀，导致混凝土结构体发生开裂，逐渐分层脱落，造成混凝土结构破坏。上述问题，严重影响了混凝土结构的质量和耐久性，急需开展专项技术研究，形成技术成果，应用于工程实践，提升水工混凝土结构质量和耐久性，更大程度上发挥工程效益。

1 水工混凝土水文气象环境指标体系

实践表明，水利工程所在地区的水文气候条件是影响水工混凝土结构质量与耐久性的重要因素。例如气温、降水量、冻土层厚度、河流冰情等气象、水文条件，影响冻融作用的强烈程度。河流潮汐状况影响水体盐碱程度，从而影响混凝土氯盐侵蚀状况。根据有关国家、行业规范、标准，选取在水工混凝土设计、施工、运行管理阶段考虑有关水文、气象指标，并用不同的参数对各个指标进行刻画，从而建立基于全寿命理念的辽宁省水工混凝土水文气象环境指标体系，见表 1。该指标体系考虑12项水文气象指标，采用23项参数对这些指标进行描述，以满足有关部门在水工混凝土设计、施工、运行管理过程中对水文气象基础信息的需要。

表1 辽宁省水工混凝土水文气象环境指标体系

2 站点选择与资料年限

本次研究涉及到的资料主要包括：由辽宁省气象局提供的全省56个地面国家级站点的月平均降水、月平均蒸发、月平均温度和日平均气温资料。在研究中所提到的代表站点选取见表2，若未提及，则将56个站点统一考虑。日平均气温是指一天24小时的平均气温。气象学上通常用一天2时、8时、10时、20时4个时刻的气温相加后平均作为一天的平均气温(即4个气温相加除以4)，结果保留一位小数。河流冰情资料来自水文年鉴资料，包括典型河流代表站的初冰日期、终冰日期、封冻天数、封冻日期、解冻日期、河流水温以及河心最大冰厚等。在资料相对完整的基础上，在全省选取代表性河流的重点水文站14处，见表 3。初、终冰日期资料年限为1987—2019年，封冻天数资料年限为1988—2019年，河心最大冰厚资料始于1956—1977年，结束于2019年。

表2 辽宁省14个代表站选取

表3 河流冰情分析典型水文站选择

3 水工混凝土设计环境分区

3.1 低温分区

统计各站1951—2019年最冷月在各月出现年数的总体情况，结果见表4。并对辽宁省低温季节施工开始日期的多年平均值分布图进行分析，如图1所示。

表4 各站各月份出现最冷月的年数及其占总年数的百分比

(续表4)

图1 低温季节施工开始日期分布图

从表4中可看出，1月份出现最冷月的比例最高，各站平均达到81.9%；12月份出现最冷月的比例次之，各站平均为11.8%；2月份出现最冷月的比例最低，平均为6.3%。最冷月份发生的年代际特征为：对于多数站点来讲，20世纪50—60年代1月份为最冷月的比例在60%～80%；70—90年代1月份为最冷月的比例高达80%～100%；2000年至今，1月份为最冷月的比例降低到60%～80%，12月份出现最冷月的比例升高到20%～40%。这说明最冷月的出现月份有提前的趋势。从图1中可看出，辽宁省东北部开始日期较早，其中铁岭、抚顺地区开始日期在10月22—31日之间；南部较晚，大连地区开始日期在11月11—20日之间。南北地区的开始日期差异可达1个月左右。

3.2 年冻融循环次数空间分布

选取各市14个代表站，对辽宁省1960—2019年年冻融循环次数演变特征进行分析，在14个站点中，有11个站的年冻融循环次数呈减少趋势(沈阳、本溪和丹东呈较弱的增加趋势)，其中鞍山、铁岭和大连站的减少趋势最显著。进入21世纪以来年冻融循环次数又呈现较弱的增加趋势。对辽宁省年冻融循环次数空间分布进行分析，如图2所示。

图2 辽宁省年冻融循环次数分布

由辽宁省年冻融循环次数分布图可以看出，年冻融循环次数超过100次主要集中在3个区域。西部的朝阳、阜新西部、葫芦岛大部和锦州北部；庄河、岫岩、东岗一带；西丰、清原、新宾、桓仁。

3.3 冻土深度分区

对于各站统计有记录以来的冻土深度的最大值、最小值和平均值，结果见表5，并对冻土深度时空特征进行分析，如图3所示。

图3 冻土层厚度区域划分

表5 辽宁省各站年冻土深度统计

(续表5)

由表 5可见，全省56个站中，最深冻土深度的最小值为80cm，为旅顺站，发生在1977年；最深冻土深度的最大值是200cm，为本溪县站，发生在1977年。全省56个站中，最浅冻土深度最小值为14cm，为旅顺站和大连，发生在2007年；最浅冻土深度最大的站为建平县站，值为89cm，发生在1963年。从图 3可以看出，冻土深度的年际波动较大，并且大部分站点的冻土深度在70～110cm(大连、丹东等地在40～70cm，阜新、沈阳、铁岭和抚顺等地在110cm以上)。从1951—2014年的总体趋势上可以看出，14个代表站中，10个代表站的冻土深度值呈下降趋势，即冻土深度变浅，其中大连、抚顺和辽阳站的下降程度最大；阜新、铁岭、本溪和丹东站呈的冻土深度值呈上升趋势，其中阜新站的上升程度最大。将冻土层厚度100cm为界限，分为深层冻土(冻土层厚度≥100cm)和浅层冻土(冻土层厚度<100cm)。由图3可以看出，多年平均的冻土厚度大致呈带状分布，由南向北逐渐增大。其中，朝阳至抚顺一带，平均冻土厚度在100cm以上；以南地区在100cm以下。

3.4 河道冰情相关参数分区

辽宁省从20世纪80年代末至2019年，大部分站点的初冰日期发生在11、12月份。其总体趋势表现为大部分站点的初冰日期呈推迟趋势。从20世纪80年代末至2019年，大部分站点的终冰日期发生在3月份。其总体趋势演变特征不明显。将典型河道初冰日期所处的时间以旬(每个月分别有上旬、中旬和下旬)为单位，将初冰、终冰日期绘制到同一张图中，从而进行区域划分，结果如图 4所示。

图4 河道初冰、终冰日期区域划分

由图4可以看出，初冰日期从朝阳、阜新至抚顺一带发生最早，在11月上中旬，最晚发生在盘锦至辽阳地区，大致在11月下旬。终冰日期在阜新、铁岭、抚顺、本溪和丹东地区发生最晚，在4月上旬，最早发生在葫芦岛、盘锦至辽阳地区，大致在3月中下旬。

4 主要结论

(1)辽宁省多年平均的冻土厚度大致呈带状分布，由南向北逐渐增大。其中，朝阳至抚顺一带，平均冻土厚度在100cm以上；以南地区在100cm以下，在水工混凝土质量设计时需重点参考冻土层厚度变化提高其耐久性。

(2)低温季节施工开始日期建议铁岭、抚顺地区开始日期在10下旬，南部应在11月中旬。施工结束日期建议东北部铁岭、抚顺、本溪地区结束日期在4月上旬，南部地区结束日期可在3月下旬。

(3)河道流速变化对水工混凝土冲刷影响明显，在后续研究中还需要重点关注河道流速分区变化的影响。