俄羅斯西伯利亞典型土壩結構穩定監測與分析

魯道夫·弗拉基米羅維奇·張 著；戴長雷，李卉玉，于淼 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.黑龍江大學中俄寒區水文和水利工程聯合實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080；5.黑龍江省寒地建筑科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

多年凍土地區的土壩全年都會發生形變[1]。壩體表面的變形十分明顯：河道邊坡上會出現橫向與縱向的裂縫；在上游水庫周圍的邊坡上，存在局部沉降與洼地；壩體沉降使得壩頂高程降低，在路堤和地基以及河道出水口結構的地方會受到水流沖刷。

雅庫特大壩的一些形變特征如圖1～圖4所示，并且對壩體形變產生的原因進行了監測與分析。但對于影響壩體裂縫產生的各種因素之間聯系的研究較少，如中小河流的水文狀況、環境和其他因素。除了自然條件等因素，如缺乏這種類型大壩對應的設計規范，工程地質資料不足，水文和其他條件勘測的費用不足，建設工程質量差等因素都影響了結構的穩定性[2-3]。

以凍土為地基的建筑物發生結構變形的原因是地基融化、局部沉降與凹陷。水流沖刷對壩身和壩面以及岸坡和孔道連接處、大壩縱縫、泄洪道等部位均造成破壞[4]。

由大壩運行中形成的特殊水文條件和雅庫特地區特殊的氣候條件也可能導致壩體產生形變。地基土壤季節性凍融循環的過程、形成暖濕機制的過程和夏季地基土壤脫水的過程，這些過程共同影響大壩的穩定性。很難判斷其中哪一種是主要因素。但監測結果表明，土壩在夏季灌溉時比冬季發生更明顯的形變。假設灌溉時大壩的暫時性形變是因為夏季產生的干縮性裂縫，在夏季結束時裂縫會達到一定規模。

1　典型土壩形變監測

干縮變形在夏季很常見。干縮變形的原因是在大壩上游土壤的浸水和干燥。這種類型的變形在馬來亞切列帕尼哈河上的土壩被監測到，如圖1(a)，水庫排空后，土壤開始干燥，開始出現典型的多邊形干縮裂縫。這些裂縫既出現在水庫邊坡的淹沒區，也出現在浸水邊界線之上。唯一不同的是裂縫的大小。在淹沒區的較小的多邊形裂縫系統的區域裂縫間距范圍在1.5～2.0 m，被平行或交叉的大裂縫系統覆蓋。相似的變形出現在庫爾斯尤拉赫河土壩，見圖1(b)。

圖1　夏季土壩形變現場圖

最常見的縱向裂縫出現在流域灌溉堤壩的堤岸處。庫爾斯尤拉赫河土壩出現的裂縫是沿著長度300 m的區域以縱向裂縫的形狀發育，見圖2(a)和圖2(b)。最大的裂縫是在大壩上游填土處發現的。在9月第一次出現的裂縫寬度達到5～10 cm，季節性凍土融化深度為2 m的條件下，裂縫深度達2.2 m。

在第一個晚上，霜凍形成的裂縫成為冷空氣進入壩體的一種方式。監測結果表明：壩體中部深度范圍在2.0～2.5 m的季節性凍融層的土壤溫度降至-4～-6 ℃，見圖2(c)。

圖2　庫爾斯尤拉赫河土壩縱向裂縫

由于壩體突然凍結和地基土壤冷卻，夏季干縮變形產生的裂縫立即加深并達到凍結地基。建于1965年的6號壩經歷了類似的變形。在1968年，有2個縱向裂縫寬度范圍在35～40 cm，自坡頂邊緣切割堤壩直到地基。

在冬季，變形的原因是冷卻期間收縮凍結。這些變形以橫切霜凍裂縫(圖3)的形式出現，并且由于結構部件(溢洪道墻，槽口，支柱等)的剝落而出現裂縫。在這種情況下，第二年春季，當溫度升高時，土壤回不到原來的位置，會留下一些空隙。在填滿上部土壤后，這個空隙會發生滲流，這就是為什么在洪水期間溢洪道壁面常常出現土壤沖刷，并且在解凍后沖刷區域的土壤發生沉降。圖4顯示土壩破壞片段。

圖3　縱向凍裂現場圖

在大壩上進行的試驗監測結果表明：壩體發生形變是由復雜的溫度和濕度梯度所引起的。

2　監測結果與防治措施

作為監測凍土變形特征的結果，Grechischev發現在相同的溫度-濕度參數下的熱膨脹系數在很大程度上取決于顆粒組成和濕度[5]。表1提供了各種土壤的熱膨脹系數。

因此，在5%～10%的水分和溫度降為-2～-5 ℃的條件下，由砂土向黏土的轉變時，熱膨脹系數為原來的50倍。這些因素，以及其他一些因素，成為了防凍裂縫建議的基礎，并在Khorobut灌溉系統中進行了檢驗，并在所有雅庫特的土壩設計中引入了這些建議。讓我們用實驗數據來看看它。雖然如上所述，Khorobut回收系統的土壩沒有裂縫，但由于這些壩中的土壤脫水，水分含量降低了一半。防護砂的存在，溫度變形系數小的砂礫層可以防止凍裂開裂變形。

在馬來亞切列帕尼哈河和庫爾斯尤拉赫河中的土壩在運行的第一年遭受了嚴重的破壞，這些水庫由霜凍不穩定的微弱壓實的砂土和不含防護層的黏土填埋。

基于對多年凍土地區壩體結構的經驗研究和總結，建議采取以下措施來提高結構的穩定性。

表1　不同類型土壤的熱膨脹系數

(1)用熱濕隔離層覆蓋堤壩以降低溫度-濕度梯度。

(2)為可能的裂紋擴展深度提供土壤加固。

(3)用1 m厚的粗粒材料(砂礫)覆蓋大壩，防止低溫裂縫的形成。

(4)調節熱狀態。

結合上述方法，Zhang給出了土壩的推薦結構，取決于它們的熱狀況和當地土壤的存在情況[6]。

3　結　論

壩體產生形變不僅由于當地水文狀況、環境和其他自然條件的改變而引起，如缺乏這種類型大壩對應的設計規范，工程地質資料不足，水文和其他條件勘測的費用不足，建設工程質量差等都會影響壩體結構的穩定性。

通過對西伯利亞高寒區典型土壩穩定性相關參數的監測與分析，結果表明夏季水庫排水后，土壩上游淹沒區河浸水邊界線之上的區域經歷了浸水與干燥，因此壩體表面發生干縮變形而出現干縮裂縫。在冬季的低溫條件下，壩體在冷卻期間會發生收縮凍結，因而產生霜凍裂縫。即使溫度升高土壤也回不到原來的位置，填滿土壤后留下的空隙會發生滲流，使得在洪水期間溢洪道壁面常常出現土壤沖刷，并且在解凍后沖刷區域的土壤發生沉降。監測結果表明，壩體發生形變由復雜的溫度和濕度梯度所引起，相同的溫(濕)度參數下的熱膨脹系數在很大程度上取決于顆粒組成和濕度。本文針對多年凍土地區壩體結構存在的問題，提出了相應措施來提高壩體結構穩定性，可為我國從事寒區水利科學的相關科研、設計及施工人員提供參考。