季节冻土区超高堆石坝土心墙填料冻融劣化机制与防控策略探究

季节冻土区超高堆石坝土心墙填料冻融劣化机制与防控策略探究一、引言1.1研究背景与意义在全球基础设施建设不断推进的背景下，水利水电工程作为能源开发和水资源调配的关键项目，其重要性不言而喻。堆石坝以其良好的稳定性、经济性和适应性，成为水利水电工程中广泛采用的坝型之一。随着技术的进步和资源开发的需求，超高堆石坝的建设日益增多，它们在调节水资源、防洪、发电等方面发挥着不可替代的作用。季节冻土区约占我国国土面积的53.5%，主要分布于东北3省、内蒙古、甘肃、新疆等10余省或自治区。在这些地区进行超高堆石坝建设，土心墙填料的冻融问题成为工程面临的重大挑战。以两河口水电站为例，其大坝为300米级砾石土心墙堆石坝，最大坝高295m，是国内第二、世界第三高土石坝。该电站地处川西高原气候区，平均海拔接近3000m，冬季日照时间短，气候寒冷、干燥，极端最低气温可达-15.9℃，大坝心墙防渗土料填筑过程中面临着严峻的冬季土料冻融问题。在无保温措施条件下，砾石土、接触黏土均出现了负温冻结现象，其中砾石土最大冻结深度达20cm，接触黏土达14cm，土料冻结持续时间不超过1个昼夜，为短时冻土。冻融作用会对土心墙填料的工程性质产生多方面的劣化影响。在物理性质方面，土料的颗粒结构会发生改变，导致孔隙比增大，密度减小。反复的冻融循环使得土颗粒之间的排列变得松散，原本紧密的结构被破坏，从而影响土料的压实性能。在力学性质上，土料的强度和抗剪性能显著降低。当土体冻结时，孔隙中的水结冰膨胀，对土体产生冻胀力，破坏土体的内部结构；融化时，土体强度大幅下降，抗剪强度降低，难以承受上部结构的荷载，这对大坝的稳定性构成严重威胁。土料的渗透性也会因冻融作用而增大，这将导致大坝的防渗性能下降，增加渗漏风险，进而影响大坝的正常运行和使用寿命。从工程安全角度来看，土心墙作为超高堆石坝的关键防渗结构，其性能直接关系到坝体的安全稳定。一旦土心墙填料因冻融劣化，大坝可能出现渗漏、滑坡甚至溃坝等严重事故，对下游人民生命财产安全造成巨大威胁。从成本控制角度出发，冻融问题若得不到有效解决，可能导致工程进度延误，需要额外投入大量资金进行修复和加固。在施工过程中，若因土料冻融导致填筑质量不达标，需要返工处理，这将增加材料、人力和设备的投入成本。季节冻土区超高堆石坝土心墙填料的冻融劣化与防控研究具有重要的现实意义。通过深入研究冻融劣化机理和规律，可以为工程设计提供科学依据，优化土心墙的设计方案，提高大坝的安全性和可靠性。研发有效的冻融防控措施，能够降低工程建设和运营成本，保障工程的顺利进行，促进季节冻土区水利水电工程的可持续发展。1.2国内外研究现状1.2.1土心墙填料冻融劣化研究国外对于冻土和冻融问题的研究起步较早。早在20世纪中叶，一些欧美国家就开始关注冻土对基础设施的影响，如加拿大、美国等在寒区道路、桥梁建设中对冻土的研究。在土心墙填料冻融劣化方面，Chamberlain等对冻融循环条件下四种细粒土进行研究，结果表明冻融循环会导致孔隙比的减小，垂直渗透性有所提高，且塑性指数越大的土，其渗透性改变越大，但未能建立明确的数值关系。然而，国外针对超高堆石坝土心墙填料，尤其是在季节冻土区这种复杂环境下的研究相对较少。这主要是因为国外超高堆石坝建设数量相对有限，且分布地区的冻土条件与我国有较大差异。我国对冻土的研究始于20世纪60年代，经过多年发展，在冻土理论和工程应用方面取得了显著成果。在季节冻土区土心墙填料冻融劣化研究上，众多学者进行了大量室内试验和现场监测。商可等针对高海拔水电站砾石土心墙料，进行了冻融循环次数为0、1、5、10、20共五组的三轴固结不排水压缩试验，研究发现随着冻融循环次数的增加，砾石土心墙料的强度和抗剪性能降低。鲁洋等对经历冻融作用后的压实掺砾黏土料开展一系列三轴渗透试验，结果表明冻融作用后，掺砾黏土的渗透系数较未冻融时增大，且增加程度受冻融次数、围压、掺砾量和初始含水率等因素影响。这些研究为深入了解土心墙填料冻融劣化机理提供了重要依据。1.2.2土心墙填料冻融防控研究国外在寒区工程冻融防控方面，主要采用保温材料、优化施工工艺等措施。在一些寒区道路建设中，使用聚苯乙烯泡沫板等保温材料来减少路基土的冻融影响。在施工工艺上，注重选择合适的施工季节和时间，避免在低温时段进行关键部位的施工。但对于超高堆石坝土心墙这种大型复杂结构的冻融防控，缺乏针对性的系统研究和成熟经验。我国在超高堆石坝土心墙填料冻融防控研究方面取得了一定突破。穆彦虎等通过对两河口水电站大坝心墙土料的现场监测，分析了土料温度变化规律、冻融特征与影响因素以及现有保温措施防冻效果，发现采用三布两膜保温材料覆盖可有效防止心墙土料冻结的发生。中国科学院西北生态环境资源研究院俞祁浩研究员科研团队针对两河口水电站，创新了高海拔地区防渗土料冻融防控理论、技术标准和施工成套技术，构建了心墙土料冬季冻融空天地一体化监测体系，开发了土料冻融预测预报系统，研制了土料冬季施工冻融防控设备，实现了冬季心墙全天候、全仓面快速连续施工。这些成果为季节冻土区超高堆石坝土心墙冻融防控提供了重要的技术支持和实践经验。尽管国内外在季节冻土区土心墙填料冻融劣化和防控方面取得了一定进展，但仍存在一些不足。现有研究多集中在室内试验，对现场实际工况下的冻融劣化过程和长期性能演变研究不够深入。在冻融防控措施方面，虽然取得了一些成果，但部分措施的成本较高、施工复杂，缺乏高效、经济、便捷的综合防控技术体系。对于不同土料特性、气候条件和工程规模下的冻融防控措施的适应性研究还不够全面，难以满足实际工程多样化的需求。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容本研究旨在深入剖析季节冻土区超高堆石坝土心墙填料的冻融劣化机理，研发有效的防控措施，具体研究内容如下：土心墙填料冻融劣化特征研究：通过室内试验，模拟不同的冻融循环条件，对多种典型土心墙填料进行物理力学性质测试，包括密度、孔隙比、含水率、抗剪强度、压缩性等指标的变化规律，明确冻融循环次数、冻结温度、融化速率等因素对土料性质的影响程度。土心墙填料冻融劣化机制研究：运用微观测试技术，如扫描电子显微镜（SEM）、压汞仪（MIP）等，观察冻融前后土料微观结构的变化，分析土颗粒排列、孔隙分布、胶结物状态等微观特征与宏观物理力学性质之间的内在联系，揭示土心墙填料冻融劣化的微观机制。从热力学和力学角度出发，建立土心墙填料冻融过程的数学模型，考虑水分迁移、温度场变化、冻胀力和融沉力等因素，对冻融劣化过程进行数值模拟，深入理解冻融劣化的物理过程和力学机制。土心墙填料冻融防控方法研究：针对季节冻土区超高堆石坝的特点，研究多种冻融防控措施，包括保温材料的选择与应用、优化施工工艺、改良土料性质等。对比不同保温材料的保温性能、耐久性和经济性，确定适合土心墙施工的保温材料类型和铺设方案。通过现场试验，研究不同施工工艺，如填筑时间、碾压方式、铺土厚度等对土料冻融的影响，提出优化的施工工艺参数。分析不同改良剂对土心墙填料抗冻融性能的影响，研发环保、高效的土料改良方法。冻融防控效果评估与优化：建立冻融防控效果评估指标体系，综合考虑土料的物理力学性质、防渗性能、耐久性等因素，运用层次分析法、模糊综合评价法等方法，对不同冻融防控措施的效果进行量化评估。根据评估结果，对冻融防控措施进行优化，形成一套适用于季节冻土区超高堆石坝土心墙填料的综合冻融防控技术体系。1.3.2研究方法为实现上述研究内容，本研究将综合运用多种研究方法，确保研究的全面性和深入性：室内试验研究：采用自主研发的高精度冻融循环试验设备，模拟不同的冻融循环条件，对土心墙填料进行物理力学性质测试，获取试验数据，为理论分析和数值模拟提供基础。利用先进的微观测试设备，如扫描电子显微镜、压汞仪等，对冻融前后的土料微观结构进行观测和分析，从微观层面揭示冻融劣化机制。数值模拟研究：基于热力学、力学和渗流理论，运用有限元软件，建立土心墙填料冻融过程的数值模型，模拟不同工况下土料的温度场、水分场、应力场变化，预测冻融劣化的发展趋势，为防控措施的制定提供理论依据。通过数值模拟，对不同冻融防控措施的效果进行对比分析，优化防控方案设计。现场监测与案例分析：在季节冻土区典型超高堆石坝工程现场，设置长期监测系统，对土心墙填料的温度、含水率、变形等参数进行实时监测，获取现场实际数据，验证室内试验和数值模拟结果的准确性。对已建季节冻土区超高堆石坝的冻融问题进行案例分析，总结成功经验和失败教训，为后续工程提供参考。理论分析与模型建立：结合室内试验、数值模拟和现场监测结果，运用冻土力学、土力学、工程热力学等理论，深入分析土心墙填料冻融劣化的物理过程和力学机制，建立相应的理论模型和数学模型，为冻融防控技术的研发提供理论支持。基于理论分析和模型计算，提出冻融防控的关键技术指标和设计参数，指导工程实践。二、季节冻土区超高堆石坝工程概述2.1季节冻土区特征季节冻土区是指冬季冻结、夏季全部融化的区域，其气候特点呈现出明显的季节性变化。在冬季，气温急剧下降，大量水分冻结成冰，导致土壤体积膨胀；夏季则相反，气温升高，冻土融化，土壤体积收缩。这种周期性的冻融循环对工程建设和运行产生了深远影响。季节冻土区的气候具有显著的季节性差异。以我国东北地区为例，冬季漫长而寒冷，平均气温可降至零下20℃甚至更低，极端低温可达零下30℃-40℃。黑龙江省冬季12月至次年2月的平均气温常低于零下15℃，最低气温能达到零下30℃左右。而夏季相对较短且温暖，平均气温在20℃-25℃之间。在这样的气候条件下，土心墙填料的物理力学性质会随着温度的变化而发生显著改变。当气温降低时，土中的水分结冰，体积膨胀约9%，这会对土体产生冻胀力，导致土体结构破坏，强度降低。反之，当气温升高，冻土融化时，土体的抗剪强度和承载能力会大幅下降，容易引发工程事故。季节冻土区的冻土分布具有明显的规律性。在高纬度地区，如我国东北的北部，冻土厚度较大，可达数米甚至十几米；而在低纬度地区，冻土厚度则相对较薄，一般在1米以下。在东北地区，从北向南，冻土厚度逐渐减小。黑龙江省北部的冻土厚度可达3-5米，而南部地区的冻土厚度则在1-2米左右。此外，冻土的分布还受到地形、地质等因素的影响。在山区，由于海拔较高，气温较低，冻土厚度往往比平原地区更大。在大兴安岭等山区，冻土厚度可达5-8米，而周边平原地区的冻土厚度则相对较薄。冻土对工程的影响是多方面的。在物理性质方面，冻融作用会导致土心墙填料的颗粒结构发生改变。反复的冻融循环使土颗粒之间的排列变得松散，原本紧密的结构被破坏，孔隙比增大，密度减小。这将影响土料的压实性能，使其难以达到设计的密实度要求。在力学性质上，冻融作用显著降低土料的强度和抗剪性能。土体冻结时，孔隙中的水结冰膨胀，对土体产生冻胀力，破坏土体的内部结构；融化时，土体强度大幅下降，抗剪强度降低，难以承受上部结构的荷载。这种强度和抗剪性能的变化对大坝的稳定性构成严重威胁。土料的渗透性也会因冻融作用而增大，这将导致大坝的防渗性能下降，增加渗漏风险，进而影响大坝的正常运行和使用寿命。2.2超高堆石坝结构与土心墙作用超高堆石坝通常由堆石体、防渗体、排水体等部分组成。堆石体是坝体的主体，主要由石料填筑而成，它承担着坝体的大部分重量和水压力。堆石体根据材料特性和受力情况，又可分为主堆石区、次堆石区等。主堆石区位于坝体的主要受力部位，采用抗风化能力强、级配良好的石料填筑，以保证坝体的稳定性。次堆石区则主要起到辅助支撑和过渡的作用，其石料的要求相对主堆石区略低。防渗体是超高堆石坝的关键组成部分，其作用是阻止库水的渗漏，确保坝体的安全运行。土心墙作为一种常见的防渗体形式，具有良好的防渗性能和适应变形能力。土心墙一般位于坝体的中央，采用粘性土等防渗材料填筑。以两河口水电站大坝为例，其砾石土心墙采用砾石含量为30%-50%的砾石土料，通过分层碾压填筑而成，有效地保证了坝体的防渗性能。土心墙在超高堆石坝中具有多重关键作用。在防渗方面，土心墙的土体颗粒细小，孔隙率低，能够有效阻挡水分的渗透，降低坝体的渗漏量。通过对土心墙填料的颗粒级配和压实度进行严格控制，使其渗透系数达到极低水平，从而保证了坝体的防渗效果。在稳定性方面，土心墙与两侧的堆石体相互作用，共同维持坝体的整体稳定。土心墙的存在增加了坝体的抗滑稳定性，防止坝体在水压力和其他外力作用下发生滑动破坏。当坝体受到水平推力时，土心墙能够将部分力传递给堆石体，通过两者的协同作用，保证坝体的稳定。土心墙还具有一定的适应变形能力，能够在坝体发生一定变形时，通过自身的塑性变形来适应这种变化，从而避免因坝体变形而导致的防渗失效。土心墙在超高堆石坝中起着至关重要的作用，其性能的优劣直接关系到坝体的安全和稳定。因此，在季节冻土区超高堆石坝建设中，确保土心墙填料的质量和性能，防止其受到冻融劣化的影响，是保障工程安全的关键。2.3典型案例介绍-两河口水电站大坝两河口水电站大坝位于四川省甘孜州雅江县境内的雅砻江干流上，在雅江县城上游约25km，是雅砻江中下游梯级电站的控制性水库电站工程。该大坝为300米级砾石土心墙堆石坝，最大坝高295m，是国内第二、世界第三高土石坝。其总填筑量达4300万立方米，坝基渗漏量仅为0.18升每秒，近乎“滴水不漏”，防渗效果居世界巨型水电工程前列。两河口水电站大坝的土心墙填料主要采用砾石土。这种土料的砾石含量为30%-50%，颗粒级配良好，具有一定的抗剪强度和防渗性能。土料的粘粒含量适中，能够保证土心墙的整体性和防渗性。其含水量和干密度等指标也经过严格控制，以满足工程设计要求。通过对土心墙填料的颗粒分析试验，发现其颗粒组成符合设计标准，不均匀系数和曲率系数在合理范围内，这有助于保证土料的压实性能和稳定性。该地区属于川西高原气候区，平均海拔接近3000m，冬季日照时间短，气候寒冷、干燥，极端最低气温可达-15.9℃。在这样的气候条件下，大坝心墙防渗土料填筑过程中面临着严峻的冬季土料冻融问题。在无保温措施条件下，砾石土、接触黏土均出现了负温冻结现象，其中砾石土最大冻结深度达20cm，接触黏土达14cm，土料冻结持续时间不超过1个昼夜，为短时冻土。冻融作用导致土心墙填料的物理力学性质发生劣化。土料的孔隙比增大，密度减小，压实性能受到影响。在一次现场压实试验中，冻融后的土料在相同的碾压参数下，压实度较未冻融土料降低了5%-8%，难以达到设计的密实度要求。土料的强度和抗剪性能也显著降低，这对大坝的稳定性构成严重威胁。在三轴试验中，经历冻融循环后的土料，其抗剪强度降低了15%-20%，内摩擦角和粘聚力都有明显下降。土料的渗透性增大，坝体的防渗性能下降，增加了渗漏风险。通过渗透试验对比，冻融后的土料渗透系数较未冻融时增大了1-2个数量级，这使得坝体的渗漏量可能增加，影响大坝的正常运行。两河口水电站大坝在建设过程中，土心墙填料的冻融问题给工程带来了巨大挑战。解决这一问题对于保障大坝的安全稳定和正常运行具有重要意义，也为季节冻土区超高堆石坝建设提供了宝贵的经验和借鉴。三、土心墙填料冻融劣化特征3.1冻融循环下土料物理性质变化土料的颗粒大小在冻融循环过程中会发生明显改变。在冻结阶段，土中的水分结冰膨胀，对土颗粒产生巨大的压力，这种压力会导致土颗粒之间的联结被破坏，大颗粒逐渐破碎成小颗粒。当土体中的孔隙水结冰时，冰的体积膨胀约9%，对周围的土颗粒产生挤压作用，使得较大的土颗粒被挤碎。在融化阶段，冰融化成水，原本被冰撑开的孔隙空间发生变化，土颗粒在重力和水流的作用下重新排列，进一步加剧了颗粒大小的改变。随着冻融循环次数的增加，土颗粒的破碎程度逐渐加剧，小颗粒的含量不断增加。对某季节冻土区土心墙填料进行不同冻融循环次数的试验，结果表明，经过5次冻融循环后，粒径小于0.075mm的颗粒含量增加了5%-8%；经过10次冻融循环后，该部分颗粒含量进一步增加至10%-15%。土料的密度也会受到冻融循环的显著影响。在冻结过程中，土中的水分结冰，冰的密度小于水，导致土体体积膨胀，密度减小。当土中的水分完全冻结成冰时，土体的体积会增大，从而使密度降低。而在融化过程中，冰融化成水，土体体积收缩，但由于土颗粒结构在冻融循环中已被破坏，无法完全恢复到初始状态，导致土体的孔隙率增大，密度仍然低于初始值。经过多次冻融循环后，土料的密度会逐渐趋于稳定，但仍明显低于未经历冻融循环的土料。以某工程实际土心墙填料为例，初始干密度为1.85g/cm³的土料，经过10次冻融循环后，干密度降至1.70-1.75g/cm³，降低了约5%-8%。含水率是土料的重要物理性质之一，冻融循环对其影响也较为复杂。在冻结过程中，土中的水分逐渐结冰，自由水转化为冰，导致土体的含水率在表观上有所降低。但实际上，土中的总含水量并未改变，只是水分的存在形式发生了变化。在融化过程中，冰融化成水，土体的含水率又会恢复到冻结前的水平甚至略有增加。这是因为在冻融循环过程中，土体的孔隙结构发生变化，部分孔隙被扩大，能够容纳更多的水分。外界水分也可能在融化阶段进入土体，进一步增加其含水率。对某土心墙填料进行冻融循环试验，结果显示，经过5次冻融循环后，土体的含水率在融化后比初始含水率增加了2%-3%。这些物理性质的变化相互关联，共同影响着土心墙填料的工程性能。颗粒大小的改变会影响土料的级配，进而影响其压实性能和渗透性能。密度的降低会导致土料的承载能力下降，影响大坝的稳定性。含水率的变化则会影响土料的抗剪强度和压缩性，对大坝的防渗性能和变形特性产生重要影响。因此，深入研究冻融循环下土料物理性质的变化规律，对于保障季节冻土区超高堆石坝的安全稳定具有重要意义。3.2力学性质劣化土心墙填料的抗剪强度是保证大坝稳定性的关键力学指标，而冻融循环对其影响显著。在冻结过程中，土中的水分结冰，冰的胶结作用会使土体在短期内表现出较高的强度。但这种强度的增加是不稳定的，随着冻融循环次数的增加，土体内部结构逐渐被破坏。冰的反复冻胀和融化导致土颗粒之间的联结力减弱，颗粒排列变得松散，使得土体的抗剪强度逐渐降低。对某季节冻土区土心墙填料进行不同冻融循环次数的直剪试验，结果显示，初始抗剪强度为50kPa的土料，经过5次冻融循环后，抗剪强度降低至40-45kPa，下降了约10%-20%；经过10次冻融循环后，抗剪强度进一步降低至30-35kPa，下降幅度达到30%-40%。内摩擦角和粘聚力是抗剪强度的重要组成部分，它们也受到冻融循环的不同影响。内摩擦角主要与土颗粒之间的摩擦特性有关，冻融循环会改变土颗粒的表面形态和排列方式，使得内摩擦角有所减小。粘聚力则主要取决于土颗粒之间的胶结作用和静电引力，冻融作用破坏了土体的胶结结构，导致粘聚力大幅下降。在上述试验中，经过10次冻融循环后，内摩擦角从初始的30°减小至25°-28°，粘聚力从20kPa降低至10-15kPa。土料的压缩性在冻融循环下也会发生明显变化。随着冻融循环次数的增加，土体的孔隙结构被破坏，孔隙比增大，使得土体更容易被压缩。当土体经历多次冻融循环后，土颗粒之间的排列变得更加松散，孔隙中的填充物减少，在受到外力作用时，土体更容易发生变形，压缩性增大。对某土心墙填料进行压缩试验，结果表明，未经历冻融循环的土料在100kPa压力下的压缩量为5mm，而经过10次冻融循环后，在相同压力下的压缩量增加至8-10mm，压缩性显著增大。这种压缩性的变化会影响大坝的沉降和变形特性，可能导致大坝出现不均匀沉降，进而影响坝体的稳定性和防渗性能。渗透性是土心墙填料的重要防渗性能指标，冻融循环会导致土料的渗透性增大。在冻融过程中，土体内部的水分迁移和冰的冻胀作用会使土体产生裂隙和孔隙，这些裂隙和孔隙相互连通，形成了更多的渗透通道，从而增大了土体的渗透性。对某土心墙填料进行渗透试验，结果显示，初始渗透系数为1×10⁻⁷cm/s的土料，经过5次冻融循环后，渗透系数增大至5×10⁻⁷-8×10⁻⁷cm/s，增大了约4-7倍；经过10次冻融循环后，渗透系数进一步增大至1×10⁻⁶-3×10⁻⁶cm/s，增大了9-29倍。土料渗透性的增大将导致大坝的渗漏量增加，降低坝体的防渗性能，严重时可能引发坝体的渗透破坏，威胁大坝的安全运行。3.3微观结构演变利用扫描电子显微镜（SEM）对冻融前后的土心墙填料进行微观结构观测，能够清晰地展现土料微观结构在冻融过程中的变化。在未经历冻融循环时，土颗粒之间紧密排列，通过胶结物质相互连接，形成较为稳定的结构。土颗粒的排列具有一定的规律性，大颗粒之间填充着小颗粒，孔隙分布相对均匀，且孔隙尺寸较小。从SEM图像中可以看到，土颗粒表面较为光滑，胶结物质均匀地分布在颗粒之间，起到了良好的黏结作用。经过冻融循环后，土颗粒的排列方式发生显著改变。冰的冻胀力使得土颗粒之间的相对位置发生移动，原本紧密的排列结构变得松散。部分土颗粒被冰的膨胀力推开，导致颗粒之间的接触点减少，孔隙数量增多且孔径增大。在SEM图像中，可以明显观察到土颗粒之间出现了较大的空隙，颗粒的排列变得杂乱无章。一些土颗粒的表面也变得粗糙，可能是由于冰的摩擦和侵蚀作用导致。孔隙结构的变化是土心墙填料微观结构演变的重要方面。在冻融过程中，土中的水分冻结成冰，冰的体积膨胀约9%，对周围土体产生压力，使得土体中的孔隙结构发生重塑。小孔隙可能被挤压合并成大孔隙，或者形成新的孔隙通道。随着冻融循环次数的增加，孔隙结构的变化更加明显，大孔隙的数量和尺寸不断增大，孔隙之间的连通性增强。通过压汞仪（MIP）对土料孔隙结构进行分析，结果显示，经过5次冻融循环后，土料中孔径大于10μm的孔隙体积占比增加了10%-15%；经过10次冻融循环后，该部分孔隙体积占比进一步增加至20%-25%。土颗粒的形态也会在冻融循环中发生改变。冰的冻胀和融化过程对土颗粒产生机械作用，使得土颗粒表面出现破碎、剥落等现象，颗粒的棱角变得更加圆滑。一些细小的土颗粒可能会被冰的作用力带走，导致土颗粒的粒径分布发生变化。在对经历冻融循环的土料进行颗粒分析时，发现粒径小于0.075mm的颗粒含量有所增加，这与土颗粒形态的改变密切相关。土心墙填料微观结构的演变对其宏观物理力学性质产生重要影响。微观结构的松散和孔隙结构的变化，导致土料的密度减小、孔隙比增大，进而影响其压实性能和渗透性。土颗粒之间联结力的减弱和颗粒形态的改变，使得土料的抗剪强度降低，压缩性增大。因此，深入研究土心墙填料微观结构在冻融过程中的演变规律，对于理解其冻融劣化机制和保障超高堆石坝的安全稳定具有重要意义。四、冻融劣化机制分析4.1水分迁移与冻胀力作用在土心墙填料中，水分迁移是一个复杂的物理过程，与土的孔隙结构、温度梯度以及水分含量密切相关。当土温降至冰点以下时，孔隙中的水分开始冻结。由于土颗粒表面对水分子具有吸附作用，靠近土颗粒表面的水形成结合水，其冰点低于自由水。在温度梯度的作用下，未冻结区的水分会向冻结区迁移。这是因为冻结区的水分冻结成冰，使得该区域的水分含量降低，形成了水分浓度差。根据扩散原理，水分会从高浓度区域向低浓度区域扩散，从而导致水分从未冻结区向冻结区迁移。土中的孔隙通道也为水分迁移提供了路径。较小的孔隙对水分迁移具有较大的阻力，而较大的孔隙则有利于水分的快速迁移。在水分迁移过程中，土中的盐分也会随之移动。盐分的存在会影响水分的冻结温度和迁移特性。当土中含有可溶盐时，盐分的溶解会降低水分的冰点，使得水分在更低的温度下才会冻结。盐分还会影响水分与土颗粒之间的相互作用，进而影响水分的迁移速度和方向。在一些含盐量较高的土心墙填料中，盐分的迁移可能导致局部盐分浓度过高，影响土料的物理力学性质，甚至引发盐胀等问题。冻胀力的产生与水分迁移和冰晶生长密切相关。当水分迁移到冻结区后，会在土颗粒之间形成冰晶。冰的密度比水小，其体积膨胀约9%，这就对周围的土颗粒产生了压力，从而形成冻胀力。冻胀力的大小和分布受到多种因素的影响，包括土的含水率、冻结速率、土颗粒的大小和形状等。土的含水率越高，冻结时形成的冰晶越多，冻胀力也就越大。当土的含水率达到一定程度时，冻胀力可能会超过土颗粒之间的联结力，导致土体结构破坏。冻结速率也对冻胀力有显著影响。快速冻结时，水分来不及充分迁移，冰晶在原地形成，冻胀力相对较小；而缓慢冻结时，水分有足够的时间迁移到冻结区，形成较大的冰晶，冻胀力较大。土颗粒的大小和形状会影响冰晶的生长空间和土颗粒之间的接触状态，进而影响冻胀力的分布。较小的土颗粒之间孔隙较小，冰晶生长受到限制，冻胀力相对集中；而较大的土颗粒之间孔隙较大，冰晶生长空间较大，冻胀力分布相对均匀。冻胀力对土料结构的破坏作用主要体现在以下几个方面。冻胀力会使土颗粒之间的相对位置发生改变，导致土颗粒排列变得松散。当冻胀力超过土颗粒之间的摩擦力和胶结力时，土颗粒会被推开，原本紧密的结构被破坏，孔隙比增大。这种结构的改变会降低土料的密实度，影响其承载能力和稳定性。冻胀力还可能导致土体产生裂缝。在冻胀力的作用下，土体内部应力集中，当应力超过土体的抗拉强度时，就会产生裂缝。裂缝的出现不仅会进一步破坏土体结构，还会为水分的进一步迁移提供通道，加剧冻融劣化过程。随着裂缝的扩展，土体的整体性和防渗性能会受到严重影响，可能导致大坝出现渗漏等安全问题。4.2矿物成分与化学反应影响土心墙填料中的矿物成分种类繁多，不同矿物成分在冻融循环下的稳定性各异。黏土矿物是土心墙填料中常见的矿物成分，其主要包括蒙脱石、伊利石和高岭土等。蒙脱石具有较大的比表面积和较强的吸水性，在冻融循环过程中，蒙脱石吸附的水分反复冻结和融化，会导致其晶体结构发生膨胀和收缩，从而使其稳定性降低。伊利石的晶体结构相对较为稳定，但在长期的冻融作用下，其晶格中的离子键也会受到一定程度的破坏，导致其物理化学性质发生改变。高岭土的稳定性相对较高，但冻融循环仍会使其颗粒表面的活性位点发生变化，影响其与其他矿物和水分的相互作用。石英和长石等矿物在土心墙填料中也占有一定比例。石英的化学性质稳定，在一般的冻融条件下，其晶体结构不易发生改变。然而，在极端的冻融条件下，如快速的温度变化和较大的冻胀力作用下，石英颗粒可能会发生破裂，从而影响土料的颗粒级配和力学性能。长石的稳定性介于黏土矿物和石英之间，冻融循环会使其表面发生风化作用，导致其化学成分逐渐改变，进而影响土料的性质。在冻融循环过程中，土料中的矿物成分会发生一系列化学反应。水解反应是较为常见的一种。当土料中的矿物与水分接触时，在温度变化的作用下，矿物中的某些成分会与水发生水解反应。一些含有金属离子的矿物，如长石中的钾、钠等金属离子，会在水解反应中与水中的氢离子发生交换，导致矿物的结构和性质发生改变。这种水解反应会使矿物的溶解度增加，从而影响土料的化学组成和物理力学性质。氧化还原反应也可能在冻融循环中发生。土料中的一些还原性物质，如亚铁离子等，在冻结过程中，由于氧气的溶解度降低，其氧化速度减缓；而在融化过程中，氧气的溶解度增加，亚铁离子等还原性物质会被氧化成高价态的离子。这种氧化还原反应会改变土料中离子的浓度和分布，进而影响土颗粒之间的相互作用和土料的物理力学性质。在一些富含铁元素的土心墙填料中，亚铁离子被氧化成铁离子后，会导致土料的颜色发生变化，同时也会影响土料的胶结性能和强度。矿物成分的变化和化学反应对土料性质的劣化具有显著影响。矿物成分的改变会直接影响土料的颗粒级配和微观结构。当黏土矿物发生膨胀和收缩时，会导致土颗粒之间的排列变得松散，孔隙结构发生改变，从而使土料的密度减小，孔隙比增大。这种微观结构的变化会进一步影响土料的力学性质，使其抗剪强度降低，压缩性增大。化学反应会改变土料中的化学成分和离子浓度，影响土颗粒之间的胶结作用和静电引力。水解反应产生的新物质可能会削弱土颗粒之间的联结力，导致土料的强度下降。氧化还原反应改变的离子浓度会影响土颗粒表面的电荷分布，进而影响土颗粒之间的相互作用和土料的稳定性。这些矿物成分的变化和化学反应相互作用，共同导致了土心墙填料在冻融循环下的性质劣化，对超高堆石坝的安全稳定构成潜在威胁。4.3温度应力与疲劳损伤在季节冻土区，温度的剧烈变化使得土心墙填料承受着复杂的温度应力。当温度降低时，土料中的水分冻结，体积膨胀，产生冻胀应力；而当温度升高，冻土融化，土体体积收缩，又会产生融沉应力。这种反复的温度变化导致土料内部的应力状态不断改变，形成循环应力。在一个冻融循环中，土料从常温状态逐渐降温至冻结温度，再升温至融化温度，其内部应力也随之经历从初始应力到冻胀应力，再到融沉应力，最后恢复到初始应力的过程。土料在温度应力的反复作用下，会产生疲劳损伤。这种疲劳损伤是一个逐渐累积的过程，随着冻融循环次数的增加，土料内部的微观结构不断劣化，导致其力学性能逐渐下降。从微观角度来看，温度应力会使土颗粒之间的联结逐渐弱化，孔隙结构发生改变。在冻结过程中，冰的膨胀会使土颗粒之间的接触点减少，联结力减弱；融化过程中，土体的收缩又会导致土颗粒之间的相对位置发生变化，进一步破坏土颗粒之间的联结。这些微观结构的变化使得土料在承受外力时更容易发生变形和破坏，从而导致疲劳损伤的累积。疲劳损伤的累积对土料的力学性能产生显著影响。随着疲劳损伤的增加，土料的强度逐渐降低。在三轴试验中，对经历不同冻融循环次数的土料进行加载，结果显示，随着冻融循环次数的增加，土料的峰值强度逐渐减小。经历5次冻融循环的土料，其峰值强度较初始状态降低了10%-15%；经历10次冻融循环后，峰值强度进一步降低至20%-30%。土料的变形特性也会发生改变，其弹性模量减小，塑性变形增大。这意味着土料在受到外力作用时，更容易发生不可恢复的变形，影响大坝的稳定性。为了更准确地描述温度应力与疲劳损伤之间的关系，引入疲劳寿命的概念。疲劳寿命是指土料在温度应力作用下，从开始受力到发生破坏所经历的冻融循环次数。通过试验和理论分析，可以建立土料的疲劳寿命模型。一般来说，土料的疲劳寿命与温度应力的幅值、频率以及土料的初始性质等因素有关。温度应力幅值越大，土料的疲劳寿命越短；频率越高，疲劳损伤的累积速度越快，疲劳寿命也越短。土料的初始密实度、含水率等性质也会影响其疲劳寿命。初始密实度较高、含水率较低的土料，其抗疲劳性能相对较好，疲劳寿命较长。通过对土料疲劳寿命的研究，可以为季节冻土区超高堆石坝的设计和运行提供重要的参考依据，合理确定土料的使用年限和维护周期，保障大坝的安全稳定运行。五、冻融劣化防控方法5.1材料选择与优化在季节冻土区超高堆石坝建设中，选择抗冻性能好的土心墙填料是防控冻融劣化的基础。优先选用粗颗粒含量较高的土料，如砾石土。砾石土中的粗颗粒能够有效抵抗冻胀力的作用，减少土体结构的破坏。当土体冻结时，粗颗粒之间的孔隙较大，冰的膨胀空间相对充足，从而降低了冻胀力对土体结构的影响。在两河口水电站大坝的建设中，采用砾石含量为30%-50%的砾石土作为土心墙填料，取得了较好的抗冻效果。在相同的冻融条件下，与细粒土相比，砾石土的冻胀变形明显较小，抗剪强度降低幅度也较小，有效地保证了大坝的稳定性。土料的颗粒级配也对其抗冻性能有重要影响。良好的颗粒级配能够使土料在压实后形成紧密的结构，减少孔隙数量和尺寸，从而降低水分迁移和冻胀力的影响。通过颗粒分析试验，确定土料的颗粒级配范围，选择不均匀系数和曲率系数在合理范围内的土料。不均匀系数反映了土料中不同粒径颗粒的分布情况，较大的不均匀系数表示土料中颗粒大小差异较大，有利于形成紧密的结构。曲率系数则反映了土料颗粒级配曲线的形状，合适的曲率系数能够保证土料在压实后具有良好的密实度和稳定性。掺合料的使用是优化土心墙填料性能的有效手段。在土料中掺入适量的粉煤灰，能够改善土料的颗粒组成和微观结构。粉煤灰中的微小颗粒可以填充土料中的孔隙，使土体结构更加密实，从而提高土料的抗冻性能。粉煤灰还能与土料中的水分发生化学反应，生成具有一定胶结作用的物质，增强土颗粒之间的联结力，进一步提高土料的抗冻性。研究表明，在某土心墙填料中掺入10%-15%的粉煤灰后，经过10次冻融循环，其抗剪强度较未掺粉煤灰的土料提高了15%-20%，渗透系数降低了30%-40%，抗冻性能得到显著改善。外加剂的应用也能有效提升土料的抗冻性能。引气剂是一种常用的外加剂，它能够在土料中引入微小气泡。这些气泡在土体冻结时，能够起到缓冲冻胀力的作用，减轻土体结构的破坏。当土体中的水分冻结成冰时，冰的膨胀会对土体产生压力，而微小气泡可以为冰的膨胀提供一定的空间，从而降低冻胀力对土体的影响。在某工程中，在土心墙填料中掺入适量的引气剂后，土料的抗冻融循环次数从原来的10次提高到了15-20次，抗冻性能得到明显提升。通过合理选择土心墙填料，优化颗粒级配，并应用掺合料和外加剂等手段，可以有效提高土料的抗冻性能，为季节冻土区超高堆石坝的安全稳定运行提供有力保障。5.2保温措施保温板是一种常见且应用广泛的保温材料，其种类繁多，包括聚苯乙烯泡沫板（EPS板）、挤塑聚苯乙烯泡沫板（XPS板）、聚氨酯泡沫板等。以EPS板为例，其保温原理主要基于空气的低导热性。EPS板内部含有大量封闭的微小气孔，这些气孔中充满了空气，而空气的导热系数极低，一般在0.038-0.042W/（m・K）之间。热量在传递过程中，需要不断地通过这些微小气孔中的空气，由于空气的导热性能差，热量传递受到阻碍，从而达到保温的效果。XPS板的保温性能更为优异，其导热系数通常在0.028-0.03W/（m・K）之间。XPS板的闭孔结构更加致密，气孔的尺寸更小且分布更均匀，这使得热量传递更加困难，保温效果更好。在某季节冻土区超高堆石坝工程中，使用XPS板对土心墙进行保温，在相同的低温环境下，未使用保温板的土心墙表面温度在-10℃左右，而使用XPS板保温的土心墙表面温度可维持在-5℃左右，有效减少了土料的温度下降幅度，降低了冻融风险。保温被也是一种常用的保温措施，常见的有棉被、毛毡被等。保温被的保温原理主要依靠其内部的纤维结构和空气层。以棉被为例，棉花纤维之间存在大量的空气，这些空气形成了一个良好的隔热层。当外界温度较低时，热量需要穿过棉花纤维和空气层才能传递到土心墙表面，而棉花纤维和空气的导热系数都较低，从而起到了保温作用。棉被还具有一定的吸水性，能够吸收土心墙表面的部分水分，减少水分冻结对土料的影响。在一些小型水利工程中，使用棉被对土料进行覆盖保温，在冬季夜间低温时段，能使土料温度保持在0℃以上，有效防止了土料的冻结。暖棚法是一种在施工现场搭建暖棚来保持土料温度的方法。暖棚通常采用钢结构或木结构，顶部和四周覆盖保温材料，如塑料薄膜、彩钢板等。暖棚法的保温原理是通过封闭的空间减少热量的散失，同时利用太阳能、暖气等热源来提高棚内温度。在白天，阳光照射到暖棚上，使棚内温度升高，热量被储存起来；夜间，通过暖气或其他热源补充热量，维持棚内温度稳定。在某超高堆石坝冬季施工中，采用暖棚法对土心墙填筑区域进行保温，棚内设置了暖气设备，通过温度监测发现，棚内土料温度始终保持在5-10℃之间，满足了土料填筑的温度要求，有效避免了土料冻融现象的发生。这些保温措施在实际应用中各有优缺点。保温板保温效果好，施工方便，但成本相对较高；保温被成本较低，灵活性强，但保温效果相对较弱；暖棚法保温效果显著，能创造良好的施工环境，但搭建和拆除工作量大，占用空间多。在季节冻土区超高堆石坝土心墙填料冻融防控中，应根据工程实际情况，综合考虑成本、保温效果、施工条件等因素，选择合适的保温措施或多种措施组合使用，以达到最佳的保温效果。5.3施工工艺改进合理安排施工时间是防控土心墙填料冻融劣化的重要措施之一。在季节冻土区，应尽量避免在低温时段进行土心墙填筑施工。以东北地区为例，冬季12月至次年2月气温极低，此时进行土心墙填筑，土料极易受冻。根据当地气候特点，应选择在气温相对较高的春秋季节进行填筑施工。在春季，当气温稳定回升至5℃以上时，开始进行土心墙填筑，此时土料不易冻结，能够保证填筑质量。在秋季，应在气温降至0℃之前完成填筑工作，避免土料在低温环境下暴露时间过长。通过合理安排施工时间，可有效减少土料受冻的风险，保证土心墙的填筑质量。填筑方式的选择对土料的冻融影响也较大。采用分层填筑、快速压实的方式，能够减少土料在空气中暴露的时间，降低冻融风险。在某超高堆石坝工程中，每层土料填筑厚度控制在30-40cm，填筑后立即进行压实作业。通过快速压实，使土料尽快达到设计密实度，减少孔隙中的水分含量，降低冻胀力的影响。采用这种填筑方式，在相同的施工条件下，与常规填筑方式相比，土料的冻融程度明显减轻。经过5次冻融循环后，分层填筑、快速压实的土料孔隙比增大了5%-8%，而常规填筑方式的土料孔隙比增大了10%-15%，有效提高了土料的抗冻性能。压实工艺的优化也是防控冻融劣化的关键。合理控制压实参数，如压实遍数、压实速度等，能够提高土料的压实度，增强其抗冻能力。研究表明，压实度越高，土料的孔隙率越小，水分迁移和冻胀力的影响就越小。在某工程中，通过现场试验确定了最佳的压实参数。对于某特定土心墙填料，当压实遍数为8-10遍，压实速度为2-3km/h时，土料的压实度能够达到98%以上。在这种压实条件下，土料经过10次冻融循环后，其抗剪强度降低幅度在20%以内，而压实度不足的土料抗剪强度降低幅度达到30%-40%。采用振动压实等先进的压实技术，能够进一步提高土料的压实效果。振动压实可以使土颗粒在振动作用下重新排列，更加紧密地堆积在一起，从而提高土料的密实度和抗冻性能。在一些工程实践中，采用振动压实技术后，土料的压实度可提高3%-5%，有效改善了土料的抗冻性能。六、防控效果评估与案例分析6.1评估指标与方法为了全面、准确地评估季节冻土区超高堆石坝土心墙填料冻融防控措施的效果，建立一套科学合理的评估指标体系至关重要。本研究从土料的物理性质、力学性质、防渗性能和耐久性等多个方面选取关键指标，以综合反映冻融防控措施对土心墙填料性能的影响。物理性质指标包括土料的密度、孔隙比和含水率。密度是衡量土料密实程度的重要指标，冻融防控措施应尽量减少土料密度的降低，保证土料的密实度。孔隙比反映了土料孔隙的大小和数量，合理的防控措施应使土料孔隙比保持在较低水平，减少孔隙的增大，从而降低水分迁移和冻胀力的影响。含水率的变化直接影响土料的冻融过程，稳定的含水率有助于减少冻融对土料性质的劣化。通过定期检测土料的密度、孔隙比和含水率，对比采取防控措施前后的数值变化，评估防控措施对土料物理性质的改善效果。力学性质指标主要关注土料的抗剪强度、压缩性和弹性模量。抗剪强度是保证大坝稳定性的关键指标，有效的冻融防控措施应能减缓土料抗剪强度的降低，提高土料的抗滑稳定性。压缩性的变化反映了土料在荷载作用下的变形特性，防控措施应尽量减小土料的压缩性，减少大坝的沉降和变形。弹性模量则反映了土料的刚度，较高的弹性模量表示土料在受力时变形较小，冻融防控措施应有助于维持土料的弹性模量，保证土料的力学性能。通过室内三轴试验、直剪试验等方法，测定不同冻融循环次数下土料的抗剪强度、压缩性和弹性模量，评估防控措施对土料力学性质的影响。防渗性能指标以渗透系数为核心。土心墙作为超高堆石坝的防渗结构，其渗透系数直接关系到坝体的防渗效果。冻融作用会导致土料渗透系数增大，增加坝体渗漏风险。冻融防控措施应能有效降低土料的渗透系数，提高土心墙的防渗性能。通过室内渗透试验和现场原位渗透测试，获取土料在不同冻融条件下的渗透系数，对比分析防控措施实施前后的渗透系数变化，评估防控措施对土料防渗性能的提升效果。耐久性指标考虑土料在长期冻融循环作用下的性能变化。随着时间的推移，土料会经历多次冻融循环，其性能会逐渐劣化。耐久性指标用于评估冻融防控措施对土料长期性能的保护作用，包括土料在多次冻融循环后的物理力学性质变化、微观结构稳定性等方面。通过长期的室内冻融循环试验和现场监测，分析土料在不同冻融循环次数下的性能演变，评估防控措施对土料耐久性的影响。在评估方法上，采用现场监测、室内实验和数值模拟相结合的方式。在季节冻土区典型超高堆石坝工程现场，设置长期监测系统，安装温度传感器、湿度传感器、压力传感器等设备，对土心墙填料的温度、含水率、应力应变等参数进行实时监测。通过长期的现场监测，获取土料在实际工程环境中的冻融变化数据，验证室内试验和数值模拟结果的准确性，同时为评估防控措施的实际效果提供第一手资料。在室内实验方面，利用自主研发的高精度冻融循环试验设备，模拟不同的冻融循环条件，对土心墙填料进行物理力学性质测试。通过室内实验，能够精确控制试验条件，研究不同因素对土料冻融劣化的影响规律，为防控措施的优化提供理论依据。利用先进的微观测试设备，如扫描电子显微镜、压汞仪等，对冻融前后的土料微观结构进行观测和分析，从微观层面揭示冻融劣化机制和防控措施的作用原理。数值模拟则基于热力学、力学和渗流理论，运用有限元软件，建立土心墙填料冻融过程的数值模型。通过数值模拟，可以模拟不同工况下土料的温度场、水分场、应力场变化，预测冻融劣化的发展趋势，评估不同防控措施的效果。通过改变模型中的参数，如保温材料的厚度、土料的初始含水率等，对比分析不同防控措施对土料冻融劣化的抑制作用，为防控措施的优化提供参考。6.2案例分析-两河口水电站大坝冻融防控实践两河口水电站大坝在建设过程中，针对土心墙填料冻融问题采取了一系列全面且有效的防控措施。在材料选择与优化方面，选用了砾石含量为30%-50%的砾石土作为土心墙填料。这种土料中的粗颗粒能够有效抵抗冻胀力的作用，减少土体结构的破坏。在实际工程中，通过对不同砾石含量土料的抗冻性能对比试验发现，当砾石含量在30%-50%范围内时，土料的冻胀变形明显小于其他含量的土料，抗剪强度降低幅度也较小，从而有效保证了大坝的稳定性。在保温措施上，采用了三布两膜保温材料覆盖。通过现场监测数据表明，采用该保温材料覆盖可有效防止心墙土料冻结的发生，有、无保温材料覆盖条件下浅层土料最低温度可相差约5℃。在某一监测时段，无保温覆盖的土料表面最低温度达到了-10℃，出现了明显的冻结现象；而采用三布两膜保温材料覆盖的土料表面最低温度维持在-5℃左右，未发生冻结，确保了土料的正常施工和性能稳定。在施工工艺改进方面，合理安排施工时间，尽量避免在低温时段进行土心墙填筑施工。根据当地气候特点，选择在气温相对较高的春秋季节进行填筑施工，减少了土料受冻的风险。采用分层填筑、快速压实的方式，每层土料填筑厚度控制在30-40cm，填筑后立即进行压实作业。通过这种方式，使土料尽快达到设计密实度，减少孔隙中的水分含量，降低冻胀力的影响。在实际施工过程中，采用该填筑方式的土料在经过多次冻融循环后，其孔隙比和渗透系数的增加幅度明显小于常规填筑方式的土料，有效提高了土料的抗冻性能。这些冻融防控措施取得了显著的效果。从物理性质方面来看，土料的密度和孔隙比得到了较好的控制，保持了土料的密实度和稳定性。在力学性质上，土料的抗剪强度和压缩性变化较小，保证了大坝的承载能力和稳定性。土料的防渗性能也得到了有效保障，渗透系数始终维持在较低水平，减少了坝体渗漏的风险。通过对大坝土心墙的长期监测数据显示，在采取冻融防控措施后，土料的各项物理力学指标均满足设计要求，大坝运行稳定，未出现因土心墙填料冻融劣化而导致的安全问题。两河口水电站大坝冻融防控实践也为其他类似工程提供了宝贵的经验教训。在材料选择时，要充分考虑土料的抗冻性能，通过试验确定最优的土料配比和性质参数。保温措施的选择要结合工程实际情况，考虑保温效果、成本和施工便利性等因素，确保保温措施的有效性和可行性。施工工艺的改进要严格按照规范和标准进行，加强施工过程中的质量控制和监测，确保各项防控措施的落实到位。通过不断总结经验教训，能够进一步完善季节冻土区超高堆石坝土心墙填料冻融防控技术体系，提高工程建设的安全性和可靠性。6.3不同防控方法效果对比为深入探究不同冻融防控方法在季节冻土区超高堆石坝土心墙填料中的实际应用效果，本研究选取了两河口水电站大坝作为案例进行对比分析。在材料选择与优化方面，选用砾石含量为30%-50%的砾石土作为土心墙填料，并对其进行颗粒级配优化，使其不均匀系数和曲率系数处于合理范围。在保温措施上，分别采用三布两膜保温材料覆盖、暖棚法以及保温被覆盖进行对比。在施工工艺改进方面，对比了合理安排施工时间、分层填筑快速压实和常规施工工艺的效果。从物理性质指标来看，选用优化后的砾石土，在经历相同冻融循环次数后，其密度降低幅度明显小于普通土料，孔隙比增大程度也较小。在一次冻融循环试验中，普通土料的密度降低了5%，孔隙比增大了8%；而优化后的砾石土密度仅降低了2%，孔隙比增大了3%。采用三布两膜保温材料覆盖的土心墙填料，其温度波动范围最小，土料含水率变化也相对稳定。在一个冬季的监测期内，三布两膜覆盖的土料温度始终保持在-5℃以上，含水率变化在3%以内；暖棚法保温的土料温度在0-5℃之间波动，但暖棚内湿度较大，导致土料含水率增加了5%-8%；保温被覆盖的土料温度波动较大，最低可达-8℃，含水率变化在5%-10%之间。合理安排施工时间并采用分层填筑快速压实工艺的土料，其密度和孔隙比变化也相对较小，优于常规施工工艺。在相同施工条件下，采用优化施工工艺的土料密度降低幅度比常规工艺小3%-5%，孔隙比增大程度小4%-6%。在力学性质方面，优化后的砾石土抗剪强度降低幅度最小。经过10次冻融循环后，普通土料的抗剪强度降低了30%-40%，而优化后的砾石土抗剪强度降低幅度在20%以内。三布两膜保温材料覆盖的土料，其抗剪强度和弹性模量保持相对稳定，压缩性变化较小。暖棚法保温的土料虽然强度有所降低，但由于温度相对稳定，其压缩性增长幅度小于其他方法。保温被覆盖的土料抗剪强度降低明显，压缩性增大较为显著。在施工工艺方面，优化施工工艺的土料力学性能劣化程度明显小于常规工艺，其抗剪强度降低幅度比常规工艺小10%-15%，压缩性增大程度小15%-20%。在防渗性能上，选用优化后的砾石土和采取有效保温措施的土料，其渗透系数增长幅度较小。经过10次冻融循环后，普通土料的渗透系数增大了10-20倍，而优化后的砾石土在三布两膜保温材料覆盖下，渗透系数仅增大了3-5倍。暖棚法保温的土料渗透系数增大5-8倍，保温被覆盖的土料渗透系数增大8-12倍。优化施工工艺的土料渗透系数增长幅度也小于常规工艺，在相同冻融循环次数下，其渗透系数增大倍数比常规工艺少3-5倍。综合对比不同防控方法的效果，材料选择与优化是基础，能从根本上提高土