俄羅斯雅庫特典型寒區水利工程穩定性研究方法

魯道夫·弗拉基米羅維奇·張 著；戴長雷，張兆廷，于 淼,5，王 羽 譯

(1.俄羅斯科學院西伯利亞分院麥爾尼科夫凍土研究所，俄羅斯 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.東北聯邦大學，俄羅斯 雅庫茨克 677000)

多年凍土地區的水利工程的結構穩定性是一個值得關注的問題。溢洪道和涵洞的失穩是造成大多數寒區水利工程事故的主要原因。通過對寒區水利工程溢洪道及涵洞的研究發現，大部分溢洪道和涵洞的結構設計沒有考慮土壤的溫度應力作用和凍融作用。這些作用具體表現為水分的遷移、冰的形成以及土壤礦物顆粒結構的改變等，并受土壤溫度濕度狀態的季節循環和年循環的影響。

通過研究溢洪道與地基土的相互作用，發現凍土地基上建造的溢洪道夏季對土壤溫度影響的深度為4.0～5.0 m，冬季為7.0～8.0 m，壩趾下凍融層埋深為1.9 m。在非凍土地基上建造的溢洪道，使talik河的凍結深度達到3.0～3.5 m， 并使多年凍土層頂部埋深抬升至4.0～4.5 m。每年在壩趾下形成凍融土層的凍結溫度為-15～-17 ℃，直到8月中旬才解凍，9月底又開始凍結。凍融層內全年溫度變化范圍為0.7～1.2 ℃。由于凍土層本身具有隔熱與防滲帷幕的作用，地基上形成了新的溫度狀態。在涵洞側墻支撐結構處出現了土體的剝落現象，這是引起溢洪道和涵洞結構失穩的主要原因[1-2]。

對溢洪道和涵洞土體剝落的機理做出如下假設：隨著負溫期的開始，水利工程溢洪道和涵洞的側墻溫度開始逐漸降低。側墻通常具有復雜的幾何形狀，并且有著大面積的與空氣和水流進行熱交換的熱交換面。當地基土壤中水分水流動至低溫側墻處，會在“土壤—側墻”邊界處結冰，并將在一段時間后形成冰層，該冰層使地基土壤與側墻之間產生裂縫。另一方面，溫度變形會導致回填土體積減小。這兩個過程的疊加效應引起了側墻的土體剝落現象。在春季，隨著氣溫逐漸升高并慢慢高于冰點，冰層開始融化，由于熱變形會導致土壤體積增加，但其增量要小于冰層的厚度。結果，土壤與側墻之間產生了裂縫，成為了水流接觸滲透的通道，最終導致該區域結構發生應變。

研究的目的是揭示在地基回填土中發生的地質變化過程，以及結構與環境的溫度應力作用，以找出斷裂應變的原因，并制定解決方案，增強結構的穩定性。

為了驗證上述土體剝落假設，進行了原位監測與試驗相結合的綜合性研究： 1989～1999年在Suola河的Khorobut和Byuteydyakh灌渠、Kyurgelehkh河的Orosuno-Negedyakh灌渠以及雅庫特的Maganka河、Shestakovka河和Matta河的水利工程進行了原位監測，并在中國科學院冰川凍土研究所進行了物理模擬試驗。

在Khorobut灌區進行了更為復雜的原位監測，監測內容包括：①溢洪道與涵洞周圍土壤溫度濕度狀態的季節循環和年循環的變化特征；②地基土壤的力學性質動態變化；③側墻的壓力與形變；④側墻墻后土壤的水平位移。

1 研究區概況

Khorobut灌渠的渠首位于雅庫特Megino Kangalsky地區Suola河上、Kharba Atakh鎮附近，距河口82 km[3]。地質條件如下：Suola河的河床是由富含冰的第四紀沉積物和熱喀斯特巖石組成。多年凍土厚度達300 m，且在300 m深度處溫度常年為-2 ℃。季節性凍融層的深度為1.2～2.0 m。地基土由亞砂土、亞黏土、不同粒度的砂土、卵石和砂石組成，渠首地質剖面如圖1所示。

1- 鉆孔；2-回填土(亞砂土和亞黏土)；3-亞砂土；4-亞黏土；5-砂土；6-卵石；7-砂石；8，9-植物碎屑；10-凍融層邊界； 圖1 渠首地質剖面

亞砂土處于最上層，埋深3.5 m，含水率為12%～28%，密度為1.8 kg/cm3，孔隙度為0.6，塑性指數為4.4。在1 kg/cm2的載荷下相對沉降為3.0 cm/m。多年凍土區亞砂土的天然含水率為23%～70%。

亞黏土層主要分布于河流的右岸，亞砂土層下，含有大量植物碎屑，其厚度為0.5～3.5 m，埋深為4.0～7.0 m。含水率28%～48%，低溫下具有層狀紋理，容重2.0 g/cm3，孔隙度為0.57，塑性指數為9.8。

砂土層位于亞黏土層下，由不同粒徑的土壤顆粒組成。厚度為7.5～9.0 m，含水率為15%～23%，低溫下具有層狀紋理，滲透系數為2.61 m/d。干燥條件下內摩擦角為35°、浸水條件下內摩擦角為28°、孔隙度為0.63。

卵石層位于砂土層之下，且同樣摻雜植物碎屑。卵石層厚度呈不均勻分布，在左岸為2.5～4.0 m，河道處為9.0 m，在右岸為5.0～7.0 m。

砂石層的厚度分布不均勻，在河岸處略微傾斜，在河道處厚度下降至1.5 m。

渠首壩體高6.3 m，寬8.0 m，上、下游壩坡坡比分別為3.0和2.5，采用亞砂土與亞黏土混合土填筑，含水率為15.8%，容重為1.94 g/cm3。

溢洪道為開敞式溢洪道，采用現澆鋼筋混凝土澆筑在樁基上。設計流量為200 m3/s，溢洪道設尺寸為3.5 m×3.5 m閘門，并配有機械螺桿提升機。圖2給出了溢洪道的縱斷面圖和橫截面圖。壩體上游的底板長10 m，由15 cm厚的現澆鋼筋混凝土板組成，位于碎石地基上。在板與板之設0.2 mm厚的聚乙烯薄膜層。為了減緩溢洪道下泄水流的速度，分別安裝了3個消力墩和16個消力戽，布置位置如圖2(b)所示。護坦厚度為70～139 cm。壩趾下有三個不透水隔板，分別設置在引水段、壩體段和泄水段。隔板埋深3.0～3.5 m，溢洪道全長68.2 m。

圖2 Khorobut灌渠Suola河溢洪道結構示意圖

導流輸水隧洞由鋼筋混凝土制成，橫截面為矩形，總長度53.1 m。進水口處尺寸為2.0 m×2.0 m，出水口處尺寸為2.7 m ×3.9 m。設計流量為40 m3/s。進出口都設有機械式螺旋啟閉機控制的閘門。隧洞位于壩基上。在隧洞上安裝了由R.V. Zhang和G. V. Melkozerov 設計的特殊防滲裝置[4]。

為了降低水流速度，導流輸水隧洞的出口做成漏斗狀，末端有13個消力墩。

2 方法與結果

原位監測包括以下內容：溫度場動態變化、滲流研究、土壤力學性質的變化、側墻后土體的變形、側墻土壓力、側墻水平位移。

在溢洪道上通過24個10～15 m深的鉆孔監測了土體溫度場的動態變化。此外，溢洪道兩面側墻各打了3個的水平孔，深度為5 m。土體溫度用熱敏電阻MMT-1，MMT-4進行測量。鉆孔處的溫度用地質學方法進行測量[5]。通過壓力觀測井，研究溢洪道基礎的滲流場。這些井的水位通過電子傳感器和水位測量儀測量。 分別在自然條件和實驗條件下，對土壤物理力學性質進行了動態監測。從井和探孔中取土樣來分析土壤的含水率、顆粒組成、容重、孔隙度和強度等特性。通過田間試驗觀測了土壤礦物顆粒的低溫結構。

通過探孔使用專用設備觀測側墻墻后土體水平位移。傳感器的安裝深度為2.5 m，距離側墻15 cm(測點1)和40 cm(測點2)。在距離水閘1.2 m 和5.5 m處的另外兩個測點處分別測量了側墻的形變。采用壓力傳感器PDM-70在1.0 m、2.5 m、3.0 m和4.5 m的高程處觀測溢洪道側墻土壤壓力動態變化。壓力傳感器和變形傳感器的布置以及它們的結構如圖3所示。測量頻率取決于監測季節。在春秋兩季，每天或每10天測量一次；在冬季和夏季，每月測量兩次。

圖3 Khorobut灌區鋼筋混凝土溢洪道右側傳感器布置方案及傳感器結構示意圖(mm)

對在實驗條件下溫度變化模型進行研究時，需假設模型材料與天然材料性質相同，實驗條件溫度與自然條件下的氣溫相同，土壤凍結速率由原位監測數據確定。 利用計算機對各種氣候和地質條件下的溢洪道溫度場二維模型進行預測。采用解析法進行壩體裂縫預測，數據來源原位監測的數據。

3 結 論

(1)通過對多年凍土地區的水利工程的結構穩定性影響的研究，土壤與結構之間的溫度應力作用、土壤的凍融作用以及土壤溫度濕度狀態都會對結構的穩定性產生影響。

(2)寒區水利工程穩定性研究需采用原位監測與實驗室模擬相結合研究的方法。原位監測為實驗室模擬提供數據支持。