生态型护岸结构冻胀适应性的试验示范研究

2012-07-06王宇，刘森，韩雷

黑龙江大学工程学报 2012年1期

王宇，刘森，韩雷

（1.黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨 150080；2.大庆地区防洪工程管理处，黑龙江大庆 163311）

0 引言

20世纪中叶，随着河流生态修复技术研究的兴起，逐渐出现了一些新型的生态护岸产品，如铰链式护坡、格宾网垫护坡等。相对于传统护岸结构而言，生态型护岸结构具有柔性好、整体性好、多孔隙性、透水、透气、材料环保等优点。然而，由于寒冷地区特殊的气候和地域条件，护坡结构的破坏多数都是由土体冻胀所引起的，也就是人们通常所说的工程冻害。因此，本文针对季节冻土区工程结构物运行的特点，结合水利部科技推广计划项目“寒冷地区江河生态护岸技术推广”的试验示范工程，开展生态型防护结构的试验与示范，对生态型护岸结构的冻胀适应性进行研究。

1 试验示范工程概况

1.1 试验示范工程位置

本项目在大庆防洪排水渠道护坡工程中选取试验示范工程，其具体位置位于大庆市大同区安肇新河老库段0km处。

1.2 试验段气象条件

大庆位于松嫩平原中部，N45°46′～N46°55′，E124°19′～E125°12′，全市年平均气温4.2℃，最冷月平均气温－18.5℃，极端最低气温－39.2℃；最热月平均气温23.3℃，极端最高气温39.8℃，年均无霜期143d，地处寒冷地区，冬季冻深1.5～2.0m。

1.3 试验示范工程概况

大庆防洪排水渠道护坡工程所在位置地下水位较高，主要考虑冬季岸基土壤的冻胀变形和春季融沉变形对护坡结构的破坏，并对渠道护坡稳定产生的变形影响。渠道断面为梯形，边坡系数为3.0，试验段渠道长300m，坡长8.0m，渠底未进行防护处理，渠坡分别采用混凝土铰接块护砌、格宾网垫护砌[1]。

1.4 试验示范工程结构型式

格宾网垫护坡和铰链式护坡结构是新型的柔性护坡结构体系，不仅具有一般护坡结构体系的防护作用，还同时兼具一定的景观生态效应[2]。格宾网垫属于多孔隙结构，可以在空隙中填入土料，水上岸坡可以植草或插柳，绿化了河岸带；水下岸坡可以生长芦苇等水生植物，也可为水生动物及微生物等提供生存、繁衍空间，有利于生物群落多样性的恢复，与自然景观相互协调[3－4]。铰链式护坡保留了传统柔性护坡系统的渗透性、柔性、能够植草并改善生态环境。然而，这两种结构在北方寒冷地区应用较少，尤其在黑龙江省高地下水位地区的渠道护坡工程中尚没有应用。因此，本项目采用格宾网垫护坡和铰链式护坡，通过相关参数的采集，评价护坡结构适应基土冻胀变形的能力，为其在寒冷地区的应用提供理论依据。

2 试验示范工程观测

试验示范工程观测由项目承担单位黑龙江省水利科学研究院和协作单位大庆防洪工程管理处共同完成。

2.1 观测内容及依据

2.1.1 观测内容

气温、岸基冻深、各种护砌结构的基土冻胀量。

2.1.2 观测依据

SL18－2004《渠道防渗工程技术规范》，SL 211－2006《水工建筑物抗冰冻设计规范》，SL23－2006《渠系工程抗冻胀设计规范》，SL60－94《土石坝安全监测技术规范》，GB／T50123—1999，《土工试验方法标准》。

2.2 观测方案

2.2.1 气温观测

在护坡工程附近设置气温观测点，每天记录最高和最低气温及时间。观测日期为每年的10月到次年的6月。

2.2.2 冻深观测

在护坡工程附近埋设丹尼林冻深器，人工观测1次／d。冻深器量程2.5m，测量精度为1cm。

2.2.3 冻胀融沉量观测

冻胀融沉量采用对观测点进行高程观测的方法。测量仪器为宾得AFL－320型水准仪，其观测精度为0.8mm／km，配合测微器可达0.4mm／km。观测基点引用国家高程三、四等水准网水准点，并标注在工程附近的永久建筑物上，该基点可作为标准水准点[5]。

在格宾网垫护坡段和铰链式护坡段分别埋设高程观测点，观测竖向位移，以此作为岸基或护砌结构的冻胀融沉变化值[6]。测点布置见图1。

工程竣工后，开始冻结前，进行一次观测，并将此次的观测数据作为原始数据。每年在冬季冻胀量最大的3月、基土完全融沉的6月及秋季渠道排空后的10月分别进行高程观测，对数据进行对比分析，并结合护坡体是否被破坏来评价柔性护坡结构适应冻胀融沉变形的能力。

图1 现场试验段冻胀量测点布置示意图Fig.1 Schematics of frost-heaving measuring point layout

3 试验示范工程观测结果与分析

3.1 气温观测结果

现场试验段实测气温变化过程线见图2。

图2 现场试验段实测气温变化过程线Fig.2 Temperature curves in test site

3.2 冻深观测结果

现场试验段冻深变化过程线见图3。

图3 现场试验段实测冻融过程线Fig.3 Soil freezing and thawing depth change in test site

由现场试验段冻深变化过程线可知试验段最大冻深为140.5cm。

3.3 冻胀变形观测结果与分析

由于一些测点受到破坏，对观测数据的完整性有一定影响。

各监测断面土体冻胀量变化曲线见图4～图5，残余变形见图6～图7。

由各监测断面土体冻胀量变化曲线（图4～图5）可以看出，格宾网垫护坡（格宾网垫护脚）、格宾网垫护坡（格宾网箱固脚）和铰链式护坡结构在坝肩处的冻胀量最小，3种结构的最大冻胀量均发生在渠坡1／2处，最大冻胀量分别为305.1、306.5 、306.9mm，冻胀率分别为21.71%、21.82%、21.84%。这表明冻胀量与现场试验段土体含水率的分布情况有关。

由各监测断面残余变形分布图6可以看出，格宾网垫护坡结构的残余变形最大值发生在渠坡1／2处，其次是渠坡下1／4处，而渠坡上部则发生融沉变形。这表明格宾网垫护坡结构本身具有自愈的功能，在经历冻融过程中，会自动调整自身结构，找到新的平衡点，以此消减冻胀，适应冻胀融沉变形，具有显著的适应冻胀的效果。由图7亦可以看出，铰链式护坡结构整体性好，变形协调，冻融过程中发生整体下沉，且有趋于平缓的趋势，表明该结构能较好地适应冻胀融沉变形，具有适应冻胀的效果。