薩哈(雅庫特)共和國寒區渠道形變與土的物理力學性質監測與分析

魯道夫·弗拉基米羅維奇·張 著；戴長雷，李卉玉，趙偉靜 譯

(1.俄羅斯科學院西伯利亞分院麥爾尼科夫凍土研究所，薩哈共和國 雅庫茨克 677010；2.黑龍江大學寒區地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；3.黑龍江大學 水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080；4.黑龍江省寒地建筑科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

寒區灌渠土壤的物理力學性質是影響其穩定性的重要因素。因此我們分別研究熱物理學，分子間作用力與土壤含水量對寒區灌渠形變的影響，從理論和實際監測上進行了大量的研究與分析。旨在為解決目前寒區灌渠出現的問題而提供思路與參照。本文對俄羅斯薩哈(雅庫特)共和國典型寒區灌溉渠道從宏觀角度、微觀角度等方面來進行論述。

1 渠道形變宏觀監測

雅庫特灌溉渠道的變形通常取決于凍土地形條件、河流動力學、運作生產方法、橫縱斷面的初始形態、水流淹沒渠道的時間，以及渠道和其他工程中的人工結構。

從熱物理的角度來看，在渠床上發生了3個主要過程：熱磨損、熱剝蝕和熱巖溶。其中熱磨損和熱剝蝕發生在渠道斜坡上，熱巖溶發生在渠道底部。

由于灌渠運作的特殊性，雖然它具備發生熱磨損、熱剝蝕和熱巖溶的所有因素，但是并不如海洋、水庫或者河流的海岸階地的構造那樣強烈[1-2]。

在分析Khorobut盆地灌溉系統渠道變形時，應該注意到如果一條灌渠在良好的永久凍土條件下運行(在熱巖溶洼地的底部)，其變形首先是當排水量比設計值高2～3倍時由于熱量侵蝕造成的，其次是在斜坡下部被切割時水量入滲，再次是由于霜凍作用造成的變形。在研究之初，灌區有穩定的熱量和水分(它已經運行了20 a)。斜坡上覆蓋著一層連續的草皮，其橫截面是按照預計的坡度(1∶4和1∶6)構造的，灌渠的泄水能力是足夠的。在由于上述因素而發生底部侵蝕的部分中，觀察到以下變形：在斜坡上長度范圍為10～20 m，寬度范圍為0.5～1.0 m的縱向裂縫，有時涉及灌渠邊界大面積的草皮滑動；直徑范圍為1～1.5 m的單個草皮覆蓋的塊體，有時覆蓋著草皮。在裂縫涉及渠道上部邊界處這些塊體高度范圍為2～3 m。

因此，研究位于洼地的灌渠能夠揭示它們變形的機制。土渠是一個暴露在外從上面強烈凍結的結構。由于底部和斜坡冬季的強烈凍結，水分遷移到地表。在融化后底部和斜坡處于平衡狀態的情況下，冬季積聚的部分水分被植被蒸發和吸收，一部分由于重力沿著解凍邊界向下移動。如果一部分土壤由于底部侵蝕(或被挖出)而從較低的斜坡上沖走，那么斜坡上的過飽和土就開始移動，并且斜坡的連續性被破壞。從而出現將斜坡解剖成縱向帶的縱向裂縫。降水填滿了裂縫，使其凍結并引發了斜坡的熱剝蝕過程。因此，一方面在反復的季節性凍融循環中，由于復雜的應力應變狀態，縱向土帶被破碎成小塊；另一方面沿著剪切裂縫形成霜裂導致新的冰楔子生長。圖1顯示了人工加深或渠床侵蝕后的土渠變形的方案。

1—土壤移除；2—永久凍土邊界；3—冰；4—剪切塊圖1 施工過程中土渠變形方案示意圖

如果一條運河穿過包含冰楔的高原，橫截面看起來就會不同。圖2是以1983年的水準測量下的典型剖面圖，地表覆蓋層表面至河道底部的最深部分是6.7 m，頂部寬度為34.8 m，底部寬度為16.4 m。剖面如下:季節性融坡層有垂直墻；在距邊界4～5 m的距離處，它們被裂縫覆蓋，形成長度可達5 m的巨大沉降塊，其寬1.5 m，高2 m。接下來，直到岸線，形成斜率為1.0的斜坡，并且在岸線之后斜坡變得更平滑，其比率為4.5。應注意的是，在周期性增加水位的影響下，形成了運河剖面的水下斜坡。

圖2 1983年Khorobut盆地灌溉系統干渠下游剖面示意圖

必須指出，這是運河運行20 a后的狀況。在隨后的一段時間(直到1999年)的年度觀察表明，不再有更多的變形。洼地的斜坡生長良好，熱剝蝕過程在高原已經結束，坡體對垂直斜坡的支持非常好。

在繼續討論河道底部土的強度和力學性質之前，我們必須簡要說明這個問題。1989年E.S.Gogolev提出了一種低溫下土渠的計算方法，但它只反映了熱物理方面，沒有考慮決定運河穩定性的土壤的物理力學和強度特性。眾所周知，任何流速的水流均可侵蝕凍土[3]。在自然條件下，當水流不受人為手段的控制時，侵蝕會形成各種景觀。在諸如灌渠之類的人造結構中，水流被控制。由解凍的土壤形成保護層，以防止土渠自然沖刷。這個保護層具有雙重目的：一方面它應該起到隔熱層的作用，防止熱量傳遞到下面的永凍層；另一方面它應該具有足夠強度，以保護運河床免受侵蝕。

因此，需要控制運河河床的土壤融化，又允許應用于通常用于未凍結土壤的計算方法，特別是“允許流速”計算方法。

主要估計特征(解凍土壤的抗剪強度)在各種類型的土壤的現場條件下操作運河中確定。表1和表3顯示這些現場數據。

2 渠道形變微觀監測

基于分散土壤相干性的理論和實驗研究[4-9]，得到顆粒通過分子間作用力(范德華力)、水膠體、靜電力和冰體膠結聯結等結合。

分子間作用力(范德華力)很弱，只有當粒子足夠接近時才成立，所以有時稱為分子接觸力。顆粒在外部壓力或土壤干燥的作用下被填充。

水膠體由吸附到顆粒表面的水所形成，是一種特定的黏性介質，這種介質的抗剪切能力較強。

表1 1999年7月14日Khorobut盆地灌溉系統干渠的強度和物理力學性質現場數據

表2 1997年8月20日Khorobut盆地灌溉系統主渠道田間土壤剪切試驗現場數據

表3 1986年8月14日Shestakovskaya灌溉系統渠道田間土壤剪切試驗現場數據

靜電力來自于微粒之間的摩擦。同時，它的作用力取決于土壤的含水率。

當土體孔隙中的鹽與土壤膠結的時候，黏性土壤中的微粒之間的結晶鍵發生在土壤干燥化的情況下。

除了上述所列的作用力之外，在凍土也發生所謂的冰膠結聯結，并在有利的溫度下膠結鍵斷裂。土壤在長期處于低溫后，其結構強度以及其他性能急劇下降。這種土壤的抗侵蝕能力是很弱的，特別是在土壤立即解凍以后。這是因為土壤由于冰體融化而分解的時候，固結被水的懸浮作用阻礙了。

如上所述，首先我們關注到的是土壤抗剪強度，尤其是它的極限值，在此之上會存在一個使區域內土壤發生崩塌并且破壞土壤均質性的應力狀態階段。

對于幾乎沒有黏著力的沙子而言，剪阻力包含摩擦阻力。在土壤中，剪阻力由黏著力和內摩擦力的共同作用組成。實驗研究表明剪阻力主要取決于含水率。我們使用滲透法和葉片切割方法對原地的沙土的各項參數之間的量化關系進行研究。

3 土壤含水量對渠道形變的影響

讓我們考慮抗剪強度在不同含水率區間的變化。圖3、圖4表示出土壤的抗剪強度對含水率的依存度，其依賴關系十分復雜。

測定方法：1—靜力觸探試驗;2—十字板試驗圖3 自然條件下土壤抗剪強度與濕度的關系

圖4 黏性土壤土抗剪切性與濕度的相關性

因此，在低含水率(4%～8%)的條件下，抗剪強度高，達到0.144 MPa。這些水分含量(含水率)上升到16%～20%時，會導致抗剪強度急劇下降到0.0004～0.006 MPa。這個含水量值接近塑限。當含水率增加到25%～30%的時候,抗剪強度會急劇上升至0.036 MPa。進一步增加的含水率將導致抗剪強度的急劇下降(在W=40%時，Rs h=0.016 MPa)。因此，曲線的左右分支符合抗剪強度對含水率的一般依賴關系。其中，曲線的中間區域(含水率的范圍在20%～28%)，即抗剪強度增加的區間，也就是土壤侵蝕度下降的區間是特別關注的[10]。符合與土壤可塑度相符的含水率，并且證明了水體膠結在這個含水率范圍內發生活躍。

這個依賴關系與V.K.Samyshin的揭示了黏性土壤侵蝕活動對含水率的依賴關系的實驗研究數據相符合[11](圖4)。與此同時，這種結合力的不確定性也是相當重要的，這是因為塑性區域的變化取決于土壤的分散程度。

因此，獲得有關土壤抗剪強度對土壤含水量的依賴性的數據具有實際重要意義。

此外,還可以利用Mirtshulava(1967)發現的關系進行流速的計算:

(1)

式中：Vb o t為水流允許的底部流速，m/s；γw為水的質量密度，g/cm3；γs為土壤質量密度，g/cm3；m為質量，g；n為速度波動系數；K為土壤均勻性系數；Rs h為土的抗剪強度，MPa；d為土壤顆粒的平均加權直徑，cm。

4 結 論

(1)由解凍的土壤形成保護層，以防止土渠自然沖刷。保護層具有雙重作用：一方面它應該起到隔熱層的作用，防止熱量傳遞到下面的永凍層；另一方面它應該具有足夠強度，以保護運河床免受侵蝕。

(2)在土壤中，剪阻力由黏著力和內摩擦力的共同作用組成，土壤抗剪強度對其含水量的依賴性的數據具有重要意義。

(3)抗剪強度會在不同含水率區間發生變化，根據實驗數據證明，當含水率在20%～28%范圍內，土顆粒之間的抗剪強度才達到最大值。

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