寒区堤防工程冬季施工技术研究

张守杰，苏安双，李兆宇，严　俊，徐丽丽

(1.黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨 150080；2.中国水利水电科学研究院，北京 100000)



寒区堤防工程冬季施工技术研究

张守杰1，苏安双1，李兆宇1，严俊2，徐丽丽1

(1.黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨 150080；2.中国水利水电科学研究院，北京 100000)

摘要：选取三江治理工程现场筑堤砂性土，研究冬季施工条件下土料压实性能、变形特性、热传导性能，并讨论了冬季修筑堤防的沉降及渗透稳定性预测方法。结果表明，低温未冻结砂土料负温下压实性能受温度变化影响不大，击实干密度与现场碾压干密度可建立相关性。含水率增加，冻胀变形加大，融沉后逐渐出现残余变形，加载应力增大导致冻融后砂性土压缩变形趋势增加。土温及含水率影响砂性土导热性能，须采取保温措施，连续快速施工，并严格控制含水率，以保证冬季筑堤压实效果和长期稳定。

关键词：寒区;堤防工程;冬季施工;土料；压实性能；施工技术

0引言

黑龙江省三江治理工程的堤段往往位于平原、苇田、湿地等地下水位高、易积水地带。这些地带土料含水率往往较高，未冻结时地面承载力低，机械设备难于行走或靠近，不便进行机械化施工。探索利用冬季地表冻结、便于机械行走作业的条件，掘取冻层下部的暖土进行冬季筑堤，成为加速推进三江堤防工程建设的有力尝试。冬季筑堤无需专门修筑施工道路，可在提高运输效率同时降低运输费用；冬季为枯水期，地下水位低、气候干燥，适宜在河滩地取土，从而减少对农村土地征用，在保护耕地同时降低了征地费用；冬季筑堤可有效延长施工期，缩短建设工期，增加经济效益。

冬季筑堤同时面临考验与挑战，可借鉴的设计、施工规范及工程经验相对较少；同时，相关的理论研究开展较少。土质堤防冬季施工在技术上是否可行，经济上是否合理，其设计、施工要点何在，尚需深入探讨和研究。

本文选取三江治理工程现场筑堤砂性土，研究冬季施工条件下土料压实性能、变形特性、热传导性能，并讨论了冬季修筑堤防的沉降及渗透稳定性预测方法。

1试验

1.1筑堤土料

土样取自三江干流堤防某试验堤段料场，天然含水率为22%，相对密度2.68。颗粒分析试验结果如表1所示。根据颗粒分布及细粒土分类，土料属于细粒土质砂。

表1　土的颗粒分布

1.2负温下土料压实性能

已有研究结果表明，室内击实实验的结果可用来评估现场碾压施工条件下土料的压实性能。谢定义对我国大型、中小型土石坝设计干密度进行统计，并与原南京水利实验处室内不同击实功(锤重、落距、击实次数)下的击实干密度进行了对比分析。可见，在已知现场碾压机具类型和重量、土质及铺土厚度等前提下，现场碾压遍数与击实次数之间存在经验关系[1]。因此，本文开展负温环境下的击实试验，测试击实干密度，并与现场碾压干密度进行对比分析，探讨砂性土料在负温下的压实性能，并初步指导冬季施工过程中现场碾压工艺参数的确定。

负温环境下筑堤土料击实试验在温度可控的冻土实验室进行，在该实验室内采用土工电动击实仪进行标准击实功下的土料压实性能研究。主要考察负温条件、含水率对土料压实性能的影响。方案如表2所示。

表2　负温下土料压实性能试验设计方案

依据《土工试验规程》(SL237—1999)[2]进行土样制备，按设计含水率配制土样后，装入塑料袋密封静置12h。随后将配制好的土样放入环境温度可控的冻土实验室进行摊铺降温。土料降温过程中使用温度传感器进行土料内部温度监测，当土温达到试验要求的温度时(温度偏差不超过±0.5℃)，将土样取出进行负温环境下的击实试验。

1.3土料变形特性

结合三江治理工程筑堤现场实际情况调研，测试温度为2℃、含水率为4%～24%的土料在环境温度为-15℃条件下压实后的冻胀、融沉变形，并且对完全融化后的试样逐级施加荷载，测试其在常温-恒载条件下的压缩变形。冻融变形试验采用温度可控的冻融试验仪，融化后的压缩变形试验采用磅秤式固结仪，试验过程中采用位移传感器和数据采集仪对试样变形进行监测和采集。

负温下的试样制备参照土料压实性能试验方法，冻融变形试验和融化压缩变形试验方法按照《土工试验规程》(SL237—1999)中相关规定进行，其中压缩试验中的各级荷载分别为50kPa、100kPa、200kPa、400kPa，加载变形稳定后施加下一级荷载。

1.4土料热传导性能

以现场堤防土温观测资料为依据，选取堤防土体的温度典型值分别为2℃、0℃、-5℃、-10℃，土料含水率范围控制为4%～24%。试验土样放置在可提供冻融环境的低温恒温箱中，使用热特性分析仪测试试样的导热系数方案设计如表3所示。

表3　土料热传导性能试验设计方案

按照《土工试验规程》(SL237—1999)，制备直径8cm、高13cm的圆柱形试样，置于低温恒温箱内，在设定环境温度下恒温24h，土温使用温度传感器和温度巡检仪进行测量，待试样内部温度达到试验要求温度后，采用热特性分析仪针式探头分别测量不同含水率试样的导热系数。

2结果分析与讨论

2.1负温下土料压实性能

土料常温击实曲线如图1所示，2℃土料负温下击实曲线如图2所示。结果表明，未冻结筑堤砂性土料在负温环境下的击实曲线与常温下土料的击实曲线具有相同的变化趋势。负温条件下，含水率相近时，随着环境温度的降低，土料干密度整体上呈现下降的趋势。环境温度在-10℃～-20℃变化时，土料的最大干密度与最优含水率相差不大，干密度处于1.64g/cm3～1.67g/cm3，最优含水率处于16.5%～18.0%变化。上述结果表明，低温未冻结土料在冬季负温条件下，其压实性能受温度变化影响并不明显。可见，冬季负温条件下采用砂性土筑堤，若能保证土料在开挖、运输、摊铺、碾压的施工过程温度处于0℃以上，不发生冻结，则堤身填筑土体的压实密度将在很大程度上得到保证。

图1　常温土料击实曲线

图2　2℃土料负温条件下击实曲线

负温击实干密度与现场示范工程不同碾压工艺干密度对比见图3。现场碾压环境温度为-8℃～-15℃，土料温度为0.2～2.0℃，土料含水率范围在22%～27%，碾压机具采用了22t重型振动碾和18.4t履带式推土机，铺土厚度为45cm；室内击实试验环境温度为-10℃～-20℃，土料温度为2℃，含水率为20%～24%，每层土击实次数为25次。可见，在上述条件下，22t振动碾碾压4遍干密度与18.4t推土机碾压8遍干密度较为接近，且值均落在控制干密度附近，满足填筑质量控制要求。22t振动碾碾压6遍、8遍的干密度结果与室内击实干密度较为接近，三种工况下干密度均值都略高于控制干密度。击实实验干密度结果略高于22t振动碾碾压4遍及18.4t推土机碾压8遍的结果，但也较为接近。对于正温砂土料在负温下的填筑，击实实验(W=2.5kg，H=30.5cm，N=3，V=947.4cm3，n=25)结果可与现场不同碾压工艺下的结果通过回归分析建立关系曲线，从而实现通过击实实验结果反推现场不同碾压工艺下的干密度，并根据冬季施工堤防控制干密度的要求，合理选择现场碾压工艺，达到指导现场碾压工艺选用及冬季筑堤施工标准中相关参数的制定。

图3　冬季填筑碾压干密度与击实试验干密度统计

2.2土料变形特性

冬季施工条件下，土料碾压后逐渐冻结，导致堤身在施工期产生冻胀变形，春季后，随温度逐渐增加，冻土逐渐融化，产生沉降变形。为保证冬季修筑堤防的长期稳定性，合理设计堤身预留高程，须对筑堤土料冻融过程中的变形特性进行深入的研究。

土温为2℃的筑堤砂土在环境温度-15℃条件下填筑后的冻融变形如图4所示。

由图4可知，筑堤砂土经负温环境填筑后的冻融变形曲线存在如下规律：

1)土体在冻结过程中，发生了不同程度的冻胀变形。初始含水率较低的试样，基本上未发生冻胀变形；含水率达到10%以上时，冻胀变形逐渐趋于明显。随着冻结时间的增加，冻胀变形逐渐趋于稳定；随着初始含水率的增加，最终达到稳定的冻胀变形也增大。

2)筑堤砂土融化后，在自重作用下发生融沉变形，变形随着时间增加逐渐趋于稳定。含水率对融沉变形具有一定的影响，初始含水率较低的试样由于冻胀变形很小，几乎没有发生融沉；初始含水率为12%～18%的试样产生的融沉变形与冻胀变形几近相等，不存在残余变形；当初始含水率为22%、24%的试样融沉变形小于冻胀变形，即出现明显的残余变形。

图4　负温压实后的筑堤砂土冻融变形曲线

对冻融后筑堤砂土试样施加四级恒定荷载(50kPa、100kPa、200kPa、400kPa)进行压缩，压缩变形随时间变化曲线如图5所示。

图5　筑堤砂土融化后的压缩变形随时间变化曲线

由图5可以看出，在逐级施加恒载条件下，筑堤砂土的变形在某一级荷载下最终趋于准稳定状态。随着初始含水率的增加，压缩变形增大。竖向应力增量变大后，压缩变形增量随之增大，表明筑堤砂土在高附加应力作用下时，压缩变形趋势更为明显。

通过取压力范围在100kPa～200kPa间的试验数据，计算不同含水率土料的压缩系数和压缩模量，结果汇总于表4。

表4　不同含水率土料的压缩指标

由表4可以看出，压缩系数随着初始含水率的增加，呈现出先增大后减小的变化趋势。压缩模量随初始含水率的增加，呈先减小后增大的变化趋势。根据土的压缩性判定标准，土料初始含水率在8%以下时，表现为中等压缩性土；当土含水率超过8%时，表现为高压缩性土。

2.3土料热传导性能

筑堤土料导热系数随温度和含水率的变化曲线如图6所示。结果表明，随着土体温度的降低，导热系数总体上呈增大的变化趋势。这表明，冬季筑堤施工过程中的土料保温较为关键，土料温度一旦快速降低，将同时导致其散热速率加快，极易引发土体的冻结和难于碾压。同时，快速连续的施工工艺也是冬季筑堤必须采取的，这将有助于土料温度的保持和碾压密度的保证。

含水率对导热系数影响显著，随着含水率的增加，导热系数明显增大。可见，含水率增加将直接导致土温在负温条件下降低速率加大，冻结风险增加；且含水率增加后，土料冻结后含冰量及强度增加，碾压密度很难保证。因此，应用砂性土冬季筑堤，控制土料的含水率十分关键。降低填筑土体的含水率，不仅对提高碾压密实度有益，同时可在一定程度上，减小堤身土体温度在冬季施工过程中的变幅，从而缓解冻胀、融变形对堤防稳定性的影响。

图6　土料导热系数随温度变化关系

2.4冬季修筑堤防沉降与渗透稳定预测

与常规堤防相比，冬季施工的堤防工程在渗流及沉降方面的典型特点是存在低温环境下水-冰相变问题。为准确预测堤防冬季施工及运行下的渗流、沉降分布，须通过理论分析及数学建模，分别提出冬季修筑堤防沉降与渗流稳定的预测模型及方法。

2.4.1冬季筑堤沉降变形预测模型

系统总结低温下砂土料的压样载荷、颗粒构成、孔隙度及强度等特性，从分析冻土受力后的表现形状出发，通过对低温筑堤颗粒堆积多孔介质的制备及其孔隙率和强度的系统测试，根据试验得出的应力-变形关系，应用曲线拟合及弹塑性理论，建立以温度、孔隙比、相对密度及各向异性张量等为状态参数的本构分析模型，该模型能够很好地中反映冻土中冰包裹体和未冻的黏滞水膜效应。基于连续介质假设，考虑水势力梯度、初始应力、分凝势及温度梯度等作为堤防固结过程中水分的迁移驱动力，结合固结理论，建立冻土沉降分析数学模型。通过运用该模型分析方法对多次试验结果进行数值模拟及交叉对比，获得分别适用冬季筑堤施工及运行过程中的物理力学参数序列，根据预设的加载及排水等固结条件，可以准确预测寒区堤防不同时期的沉降变形，从而为堤防的优化设计、施工安排及运行管理等提供强有力的支撑。

2.4.2考虑水-冰相变的渗流预测模型

结合堤防施工筑材特点，基于均匀介质假设和局部热平衡原理，根据水-冰相变理论、能量守恒原理、质量守恒定律和静力平衡原理及相应的物性方程，推导出冻融循环条件下岩土介质的温度场-渗流场耦合控制方程，提出一种以体积含冰量、体积含水量和温温度为主控变量的数学模型，并利用Galerkin加权余量法进行了时间域及空间域的离散。该模型能够很好地结合冬季堤防筑材的物理力学试验成果，并在实测分布数据的基础上获得适用的参数系列，根据预设的外界温度及水量分布，能够准确地预测堤防冬季施工过程中堤体的温度场、水分场分布，还能准确预测运行中堤防的浸润线、渗流量及出逸比降的分布，从而为确定堤防潜在的渗流破坏模式及采取科学合理的渗控措施提供良好的科学支撑。

参考文献：

[1]谢定义,陈存礼,胡再强.试验土工学[M].北京：高等教育出版社,2011.

[2]中华人民共和国水利部.SL237—1999土工试验规程[S].北京：水利水电出版社，1999.

Study on Winter Construction Technology of Embankment Engineering in Cold Regions

ZHANG Shou-jie1;SU An-shuang1;LI Zhao-yu1;YAN Jun2and XU Li-li1

(1.Heilongjiang Provincial Water Conservancy Science Research Institute，Harbin 150080，China；2.Chinese Water Conservancy & Hydroelectric Power Science Research Institute，Beijing 100000，China)

Abstract：Sandy soil used in building the dikes of Sanjiang regulation project on-site was selected to research the soil compaction property，deformation characteristics and heat-transmission property under winter construction conditions，and discussed the embankment sedimentation in winter and the method to forecast the permeable stability. The results show that compaction property of sand unfrozen in low temperature is affected little by temperature change in negative temperature，there may build correlation between compaction dry-density and rolling dry-density on-site. The moisture and frost deformation increased and residual deformation appeared gradually after settlement，and enlargement of loading stress caused the tendency of sandy soil compaction deformation to be increased after frost. The soil temperature and moisture affect the heat-transmission property of sandy soil，necessary to adopt measures to keep the temperature for realizing continuous and quick construction，and to control strictly the moisture for ensuring the effect and long-term stability of diking compaction in winter.

Key words：cold region；embankment engineering；construction in winter；soil material；compaction property；construction technology

文章编号：1007-7596(2016)04-0029-05

[收稿日期]2016-04-05

[基金项目]黑龙江省重大科技招标项目(GA14A501)

[作者简介]详见文章最后一页。

中图分类号：TV521

文献标识码：A