王 宇，劉 森，韓 雷

（1.黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱 150080；2.大慶地區(qū)防洪工程管理處，黑龍江 大慶 163311）

0 引 言

20世紀(jì)中葉，隨著河流生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究的興起，逐漸出現(xiàn)了一些新型的生態(tài)護(hù)岸產(chǎn)品，如鉸鏈?zhǔn)阶o(hù)坡、格賓網(wǎng)墊護(hù)坡等。相對(duì)于傳統(tǒng)護(hù)岸結(jié)構(gòu)而言，生態(tài)型護(hù)岸結(jié)構(gòu)具有柔性好、整體性好、多孔隙性、透水、透氣、材料環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于寒冷地區(qū)特殊的氣候和地域條件，護(hù)坡結(jié)構(gòu)的破壞多數(shù)都是由土體凍脹所引起的，也就是人們通常所說(shuō)的工程凍害。因此，本文針對(duì)季節(jié)凍土區(qū)工程結(jié)構(gòu)物運(yùn)行的特點(diǎn)，結(jié)合水利部科技推廣計(jì)劃項(xiàng)目“寒冷地區(qū)江河生態(tài)護(hù)岸技術(shù)推廣”的試驗(yàn)示范工程，開(kāi)展生態(tài)型防護(hù)結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)與示范，對(duì)生態(tài)型護(hù)岸結(jié)構(gòu)的凍脹適應(yīng)性進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)示范工程概況

1.1 試驗(yàn)示范工程位置

本項(xiàng)目在大慶防洪排水渠道護(hù)坡工程中選取試驗(yàn)示范工程，其具體位置位于大慶市大同區(qū)安肇新河老庫(kù)段0km處。

1.2 試驗(yàn)段氣象條件

大慶位于松嫩平原中部，N45°46′～N46°55′，E124°19′～E125°12′，全市年平均氣溫4.2℃，最冷月平均氣溫－18.5℃，極端最低氣溫－39.2℃；最熱月平均氣溫23.3℃，極端最高氣溫39.8℃，年均無(wú)霜期143d，地處寒冷地區(qū)，冬季凍深1.5～2.0m。

1.3 試驗(yàn)示范工程概況

大慶防洪排水渠道護(hù)坡工程所在位置地下水位較高，主要考慮冬季岸基土壤的凍脹變形和春季融沉變形對(duì)護(hù)坡結(jié)構(gòu)的破壞，并對(duì)渠道護(hù)坡穩(wěn)定產(chǎn)生的變形影響。渠道斷面為梯形，邊坡系數(shù)為3.0，試驗(yàn)段渠道長(zhǎng)300m，坡長(zhǎng)8.0m，渠底未進(jìn)行防護(hù)處理，渠坡分別采用混凝土鉸接塊護(hù)砌、格賓網(wǎng)墊護(hù)砌[1]。

1.4 試驗(yàn)示范工程結(jié)構(gòu)型式

格賓網(wǎng)墊護(hù)坡和鉸鏈?zhǔn)阶o(hù)坡結(jié)構(gòu)是新型的柔性護(hù)坡結(jié)構(gòu)體系，不僅具有一般護(hù)坡結(jié)構(gòu)體系的防護(hù)作用，還同時(shí)兼具一定的景觀生態(tài)效應(yīng)[2]。格賓網(wǎng)墊屬于多孔隙結(jié)構(gòu)，可以在空隙中填入土料，水上岸坡可以植草或插柳，綠化了河岸帶；水下岸坡可以生長(zhǎng)蘆葦?shù)人参铮部蔀樗鷦?dòng)物及微生物等提供生存、繁衍空間，有利于生物群落多樣性的恢復(fù)，與自然景觀相互協(xié)調(diào)[3－4]。鉸鏈?zhǔn)阶o(hù)坡保留了傳統(tǒng)柔性護(hù)坡系統(tǒng)的滲透性、柔性、能夠植草并改善生態(tài)環(huán)境。然而，這兩種結(jié)構(gòu)在北方寒冷地區(qū)應(yīng)用較少，尤其在黑龍江省高地下水位地區(qū)的渠道護(hù)坡工程中尚沒(méi)有應(yīng)用。因此，本項(xiàng)目采用格賓網(wǎng)墊護(hù)坡和鉸鏈?zhǔn)阶o(hù)坡，通過(guò)相關(guān)參數(shù)的采集，評(píng)價(jià)護(hù)坡結(jié)構(gòu)適應(yīng)基土凍脹變形的能力，為其在寒冷地區(qū)的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

2 試驗(yàn)示范工程觀測(cè)

試驗(yàn)示范工程觀測(cè)由項(xiàng)目承擔(dān)單位黑龍江省水利科學(xué)研究院和協(xié)作單位大慶防洪工程管理處共同完成。

2.1 觀測(cè)內(nèi)容及依據(jù)

2.1.1 觀測(cè)內(nèi)容

氣溫、岸基凍深、各種護(hù)砌結(jié)構(gòu)的基土凍脹量。

2.1.2 觀測(cè)依據(jù)

SL18－2004《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》，SL 211－2006《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》，SL23－2006《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》，SL60－94《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》，GB／T50123—1999，《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》。

2.2 觀測(cè)方案

2.2.1 氣溫觀測(cè)

在護(hù)坡工程附近設(shè)置氣溫觀測(cè)點(diǎn)，每天記錄最高和最低氣溫及時(shí)間。觀測(cè)日期為每年的10月到次年的6月。

2.2.2 凍深觀測(cè)

在護(hù)坡工程附近埋設(shè)丹尼林凍深器，人工觀測(cè)1次／d。凍深器量程2.5m，測(cè)量精度為1cm。

2.2.3 凍脹融沉量觀測(cè)

凍脹融沉量采用對(duì)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行高程觀測(cè)的方法。測(cè)量?jī)x器為賓得AFL－320型水準(zhǔn)儀，其觀測(cè)精度為0.8mm／km，配合測(cè)微器可達(dá)0.4mm／km。觀測(cè)基點(diǎn)引用國(guó)家高程三、四等水準(zhǔn)網(wǎng)水準(zhǔn)點(diǎn)，并標(biāo)注在工程附近的永久建筑物上，該基點(diǎn)可作為標(biāo)準(zhǔn)水準(zhǔn)點(diǎn)[5]。

在格賓網(wǎng)墊護(hù)坡段和鉸鏈?zhǔn)阶o(hù)坡段分別埋設(shè)高程觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)豎向位移，以此作為岸基或護(hù)砌結(jié)構(gòu)的凍脹融沉變化值[6]。測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。

工程竣工后，開(kāi)始凍結(jié)前，進(jìn)行一次觀測(cè)，并將此次的觀測(cè)數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)。每年在冬季凍脹量最大的3月、基土完全融沉的6月及秋季渠道排空后的10月分別進(jìn)行高程觀測(cè)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，并結(jié)合護(hù)坡體是否被破壞來(lái)評(píng)價(jià)柔性護(hù)坡結(jié)構(gòu)適應(yīng)凍脹融沉變形的能力。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段凍脹量測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.1 Schematics of frost-heaving measuring point layout

3 試驗(yàn)示范工程觀測(cè)結(jié)果與分析

3.1 氣溫觀測(cè)結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段實(shí)測(cè)氣溫變化過(guò)程線見(jiàn)圖2。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段實(shí)測(cè)氣溫變化過(guò)程線Fig.2 Temperature curves in test site

3.2 凍深觀測(cè)結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段凍深變化過(guò)程線見(jiàn)圖3。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段實(shí)測(cè)凍融過(guò)程線Fig.3 Soil freezing and thawing depth change in test site

由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段凍深變化過(guò)程線可知試驗(yàn)段最大凍深為140.5cm。

3.3 凍脹變形觀測(cè)結(jié)果與分析

由于一些測(cè)點(diǎn)受到破壞，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的完整性有一定影響。

各監(jiān)測(cè)斷面土體凍脹量變化曲線見(jiàn)圖4～圖5，殘余變形見(jiàn)圖6～圖7。

由各監(jiān)測(cè)斷面土體凍脹量變化曲線（圖4～圖5）可以看出，格賓網(wǎng)墊護(hù)坡（格賓網(wǎng)墊護(hù)腳）、格賓網(wǎng)墊護(hù)坡（格賓網(wǎng)箱固腳）和鉸鏈?zhǔn)阶o(hù)坡結(jié)構(gòu)在壩肩處的凍脹量最小，3種結(jié)構(gòu)的最大凍脹量均發(fā)生在渠坡1／2處，最大凍脹量分別為305.1、306.5 、306.9mm，凍脹率分別為21.71%、21.82%、21.84%。這表明凍脹量與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段土體含水率的分布情況有關(guān)。

由各監(jiān)測(cè)斷面殘余變形分布圖6可以看出，格賓網(wǎng)墊護(hù)坡結(jié)構(gòu)的殘余變形最大值發(fā)生在渠坡1／2處，其次是渠坡下1／4處，而渠坡上部則發(fā)生融沉變形。這表明格賓網(wǎng)墊護(hù)坡結(jié)構(gòu)本身具有自愈的功能，在經(jīng)歷凍融過(guò)程中，會(huì)自動(dòng)調(diào)整自身結(jié)構(gòu)，找到新的平衡點(diǎn)，以此消減凍脹，適應(yīng)凍脹融沉變形，具有顯著的適應(yīng)凍脹的效果。由圖7亦可以看出，鉸鏈?zhǔn)阶o(hù)坡結(jié)構(gòu)整體性好，變形協(xié)調(diào)，凍融過(guò)程中發(fā)生整體下沉，且有趨于平緩的趨勢(shì)，表明該結(jié)構(gòu)能較好地適應(yīng)凍脹融沉變形，具有適應(yīng)凍脹的效果。

圖7 鉸鏈?zhǔn)阶o(hù)坡結(jié)構(gòu)各監(jiān)測(cè)斷面殘余變形分布圖Fig.7 Residual deformation distribution of hinged revetment

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)格賓網(wǎng)墊護(hù)坡（格賓網(wǎng)墊護(hù)腳）、格賓網(wǎng)墊護(hù)坡（格賓網(wǎng)箱固腳）和鉸鏈?zhǔn)阶o(hù)坡這3種生態(tài)型護(hù)岸結(jié)構(gòu)凍脹融沉變形的觀測(cè)，分析了格賓網(wǎng)墊護(hù)坡和鉸鏈?zhǔn)阶o(hù)坡結(jié)構(gòu)凍脹量的發(fā)展變化過(guò)程及殘余變形的分布情況。根據(jù)觀測(cè)結(jié)果分析，得出以下結(jié)論：

1）格賓網(wǎng)墊護(hù)坡和鉸鏈?zhǔn)阶o(hù)坡結(jié)構(gòu)是柔性護(hù)坡結(jié)構(gòu)，整體性好，具有自愈的功能，能夠很好地適應(yīng)凍脹變形。

2）凍脹量的變化與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段土體含水率的分布情況關(guān)系密切，本次觀測(cè)最大凍脹量均發(fā)生在渠坡1／2處。

[1]鐘 華，曲 璐，張 濱，等.雷諾護(hù)墊結(jié)構(gòu)凍脹適應(yīng)性室內(nèi)模型試驗(yàn)研究（Research on Reno mattress revetment frost heave adaptability model test） [C]／／第八屆國(guó)際凍土工程會(huì)議論文集，2009：665-669.

[2]張煥洲，謝 平，戴秋紅.格賓網(wǎng)材在黃石長(zhǎng)江干堤合興堤段的應(yīng)用 [J].人民長(zhǎng)江，2002，33（9）：38-39.

[3]黃 平，周玉英.重鍍鋅鐵絲網(wǎng)石籠技術(shù)在漓江護(hù)岸的應(yīng)用 [J].廣西水利水電，2002，（2）：44-46.

[4]楊紅波.合金鋼絲網(wǎng)石籠在長(zhǎng)江堤防護(hù)岸工程中的應(yīng)用 [J].浙江水利科技，2003，（1）：47-48.

[5]GB50286－98，堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].

[6]SL／T225－1998，水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范 [S].