哈达山高地下水输水干渠基土冻胀特征研究

苗金和，张洪龙，张轶辉，马栋和

（1.松原市哈达山水利枢纽暨松原灌区开发有限公司，吉林 松原138000；2.松原市哈达山水利枢纽工程管理局，吉林 松原138000；中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春130061）

1 工程概况

哈达山水利枢纽工程(一期)坝址位于吉林省松原市城区东南约20 km的第二松花江干流上，距第二松花江与嫩江汇合口约60 km，输水干渠渠线自哈达山引水渠首利用前郭灌区一总干约25 km，在红光广场出一总干后，经套浩太北、戎字井、大遐字井、西南唐字井，在民字井附近转向乾安县北，经翔字井、龙字井到达花敖泡，渠线全长95.93 km。

哈达山输水干渠渠首至花敖泡主要为冲洪积—冰水平原、冲湖积平原和河谷冲积平原。地势低平，大致自东南向西北呈微倾斜，地面高程为138～143 m。区内地下水类型主要为细及砾质粗砂中的孔隙潜水，粘性土层中局部存在上层滞水及微承压水、基岩裂隙水，沿线地下水位较高。

2 土的冻结过程与冻结深度

在季节性冻土区域，气温是影响土壤冻结的上边界条件，随着气温的季节周期性变化，大地表层土壤发生冻融交替。根据松原地区多年气象资料，在10月下旬至11月上旬，气温开始出现负温，当地表土壤温度低于土壤水冰点温度时，土壤颗粒表面水分就会结冰，将土壤颗粒结成一体形成冻土，随着气温逐渐降低，冻结锋面也逐渐向下层土层推进直至到达最大冻结深度。之后，气温回暖，冻结层开始双向消融，一方面是气温升高，地表上层土壤消融；另一方面，在地中热流的影响下，由下层向上部消融，土体冻结层在5月中旬至5月下旬融通。

图1 哈达山输水干渠基土冻—融过程

从图1可见，输水干渠基土冻-融过程可大致经历以下几个阶段：

第一阶段为不稳定冻结阶段：一般发生在10月下旬至11月上旬，此阶段气温在0℃附近波动，使得表层土壤夜冻昼融，冻融交替频繁，不能形成稳定的冻结层。

第二阶段为持续冻结阶段：一般发生在11月下旬，当日平均气温降低至稳定负温后，冻深开始增大，至2月下旬达到或基本达到最大冻深。在这一阶段里，尽管冻深随气温的波动会有有短暂的波动，但总体趋势逐步增大。

第三阶段为稳定冻结阶段：一般发生在2月下旬至3月下旬，当冻深达到或接近最大值后，有长达一个多月的时间，由于冻结界面基本处于热量平衡状态，使得冻结锋面相对稳定，即冻深基本不再发展或减小。

第四阶段为解冻阶段：当3月下旬日平均气温达到正温后，地表开始自上而下融化。此后，冻层底面亦开始自下而上融化，直至冻层全部融解消失。可见冻层的融化是双向进行的。但是，由于底面只依赖地热流，而其作用远不及气温，因此冻土层的融化主要是自上而下进行，其融化深度约占整个冻深的80%～90%。

在不同的冻融周期中，土壤冻结和消融一般都经历以上阶段，但年际间的冻融过程会因气象条件的不同会有所变化，主要表现在：各阶段冻结与消融的时间会有所提前或推后，各阶段历时不同，造成冻结历时、冻结深度、冻结速率、消融速率在年际间略有不同。

3 地表总冻胀量

为研究输水干渠土质冻胀规律，在输水干渠48 km北侧建立了一处冻胀规律试验场，试验场各年地表最大冻胀量和冻胀率如表1所示。从表1可见，地表冻胀量均属于强冻胀，按GB/T50662-2011《水工建筑物抗冰冻设计规范》中冻胀级别的划分均属于Ⅳ级冻胀。

表1 试验场各年地表最大冻胀量

4 冻胀过程中的水分迁移

由于冻结过程中地下水位不断接近冻结锋面，即水分迁移的路径越来越短，也就势必产生的大量的水分迁移和强烈冻胀。图2为哈达山输水干渠47 km阴坡冻前、冻后含水率变化规律。由图2可见，冻结深度达到最大时，下卧土层向冻结层迁移的水量在深0.5 m处最大达到含水率20%。同时还表明，冻结面以下一定深度的土层内含水率减小，发生了脱水现象。

图2 渠基土冻结前后水分度重分布图

5 结 语

1）哈达山输水干渠基土冻-融过程大致可分为不稳定冻结、持续冻结、稳定冻结、解冻4个阶段。在不同的冻融周期中，土壤冻结和消融一般都经历以上阶段，但年际间的冻融过程会因气象条件的不同会有所变化，主要表现在：各阶段冻结与消融的时间会有所提前或推后，各阶段历时不同，造成冻结历时、冻结深度、冻结速率、消融速率在年际间略有不同。

2）哈达山输水干渠渠基土属于强冻胀和特强冻胀土，按GB/T 50662—2011土的冻胀级别划分基本上均属于Ⅴ级。

3）土层冻结过程中发生了强烈的水分迁移和冻层内的水分重分布。达到最大冻深时，下卧土层向冻结层迁移的水量在深0.5 m处最大达到含水率20%。同时还表明，冻结面以下一定深度的土层内含水率减小，发生了脱水现象。

［1］GB/T 50662—2011，水工建筑物抗冰冻设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2011.

［2］李丽娜.季节性冻土冻胀机理与近水基础冻拔试验研究［D］.长春：吉林大学建设工程学院，2009.

［3］陈立杰，王正中，蔡雪雁.基于夹杂体本构理论的混凝土渠道冻胀模拟［J］.路基工程，2011（5）：7—10.