薩哈(雅庫特)共和國典型土壩在熱虹吸冷卻器作用下的熱力學監測

魯道夫·弗拉基米羅維奇·張 著；戴長雷，李卉玉，于　淼，劉琛琛 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；5.中俄寒區水文和水利工程聯合實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080)

寒區土壩季節性凍融對壩體結構穩定性有很大影響。在土壩內配置熱虹吸冷卻器(又稱熱棒)，通過冷卻器的單向導冷作用，冬天在凍土層中儲存大量冷量，在夏季使凍土不致融化，形成“永凍層”，提高了凍土的強度，可有效防止壩體沉降。該技術可以為高寒地區的水工建筑物的修建提供思路。本文對俄羅斯薩哈(雅庫特)共和國典型土壩在熱虹吸冷卻器作用下的熱力學監測與分析進行論述。

1　土壩的基礎參數

位于馬干卡河下游的一座土壩，建于1980年，距離雅庫茨克市7 km。蓄存水量用于灌溉190 hm2的馬鈴薯田。針對這座土壩進行一項實驗研究[1-4]。

該地區年均溫度是-10.3 ℃；一月份平均氣溫為-45 ℃；七月份的平均溫度為19 ℃；溫度的最低值為-64 ℃；溫度最高值為38 ℃。冬季的平均風速為1.8 m/s。年均降水量為247 mm。監測地區的積雪厚度達到29 cm。地表以下45 cm的永凍層在不斷地向外擴張，溫度范圍為-2.7～-3 ℃。同樣，在湖泊和小河的河床下也有深度范圍在10～15 m的不凍層。

地基具有下列工程特點。馬干卡河左右岸是由不同類型土壤組成的(圖1)，在1977年11月對深度達5 m處的凍土層邊界進行鉆探，根據鉆探數據得出，土壤的平均濕度為0.21，容重為1910 kg/m3。

圖1　馬干卡河下游壩體縱剖面圖

河床上的土壤水分達到飽和狀態。但不凍層的厚度并未確定。河谷的右岸由肥沃的土壤組成，被不同粒度的砂石覆蓋，厚度為1～2 m。這些沙地的平均濕度為0.45；體積重量為1560 kg/m3。凍土上限位于深度為1～2 m處。

土壩長142 m，寬10 m，高11 m，其中黏土部分用推土車和自動傾卸卡車進行施工(土壤的物理性質見表1～表4)。它被設計為一個自然凍結的土壩。其中泄洪道和擋水墻被用于泄洪以及污水處理。直徑為1 m，長60 m的金屬管道，從土壩右側的頂部以1∶10的傾斜度放置。順著管道，每隔6～8 m的地方安有四個面積為2.5 cm×2.5 cm的金屬隔膜。在正常水位下有一個臨界值，臨界值之上的進水口部分由鋼筋混凝土澆筑而成。

表1　馬干卡河下游壩頂以下0.5 m處土壤濕度　%

事實上，這個土壩是在原有土壩的基礎上重建的。原有的土壩建于1973年，曾分別在1975年和1980年兩次遭到破壞。在1982年，洪水對重新建造的土壩造成影響，并且在出水管道中發現了漏洞，這是接觸面滲流的證據。盡管變形的部分已經修理，但是一個關于提高結構穩定性的技術問題被提出來。

表3　馬干卡河下游壩頂以下0.5 m處土壤密度　g·cm-3

表4　馬干卡河下游壩頂以下1.2 m處土壤密度　g·cm-3

2　熱虹吸冷卻器布置方案

為了提高土壩的不透水性和結構穩定性，在1982年將熱虹吸冷卻器插入土壩的堤岸和地基中。1982年12月—1983年1月，熱虹吸冷卻器被插入土壩的頂部邊緣，間距為2.5 m[5]。熱虹吸冷卻器長度為3.5～13.0 m，管外徑為145 mm，內徑為66 mm。外部換熱器由直徑為219 mm的管子制成,它的高度為2 m，并有一個由翼緣寬度為70 mm 的角鋼組成的縱向散熱片。換熱器使用柴油作為傳熱劑，傳熱率是1.6。圖2～圖4顯示了熱虹吸冷卻器的布置方案。

圖2　土壩中熱虹吸冷卻器布置圖

圖3　土壩中熱虹吸冷卻器橫向布置圖

圖4　土壩中熱虹吸冷卻器縱向布置圖

在雅庫特的灌溉排水壩建設實踐中，首次使用了熱虹吸冷卻器。研究的目的是在自然條件下檢查熱虹吸冷卻器在給定間距下運行的效率。其次是在堤岸和壩基上對溫度條件進行多年監測，對5～15 m深度的地熱鉆井進行了土壤溫度動態變化的研究。可通過鉆孔對熱虹吸冷卻器之間的冰土墻進行溫度測量，其中側向剖面由斜坡和壩頂上、下兩側的4個鉆孔進行監測，橫向剖面由熱虹吸現場2處鉆孔進行監測。

3　壩體與地基溫度動態監測

定期監測始于1983年2月。監測開始時，路堤沿橫斷面的周邊被凍結深度為2～4 m，在深度為15 m處，在0.1 ℃的溫度下解凍。

圖5給出了壩體橫截面溫度場的動態變化。1983年的監測表明，在2個月的熱虹吸冷卻器運行之后，土壤溫度的降低不明顯。虹吸0.7 m內的溫度下降到0.7～0.8 ℃，在1.1 m內下降到0.1～0.2 ℃。在夏季，當虹吸管關閉時，解凍的地塊出現冷水流出，導致溫度升高。在7～10 m的深度，只比最初的低0.2～0.4 ℃。在1983年冬季，熱虹吸冷卻器再次開啟，溫度開始急劇下降。在1984年1月底，觀察到了土冰柱的牢固封閉。 1984年4月，7～10 m深的土壤溫度達到-2.9 ℃，1985年4月，土壤溫度達到-6 ℃。每年都有明顯的溫度下降趨勢，這一結果得到1989年3月以前持續6年監測結果的支持(圖6)。

圖5　配置液體虹吸管冷卻器后壩體和地基的溫度場動態圖

為確定在熱虹吸冷卻器之間形成了堅固的冰土墻，在1984年7月完成了深度為15 m的鉆孔檢查。在鉆孔檢查時發現直到11 m深度的是冰土墻的核心。更深處，在15 m深度處土壤為層狀冷凍結構，冰包裹層的厚度為1～2 mm。低溫條件下的比較分析表明了土壤凍結的條件：深度為11 m時，土壤處于熱虹吸冷卻器的強烈側向影響區域，當土壤深度超過11 m時，土壤受熱虹吸冷卻器兩端表面影響。 1985年10月，在同一地點，重新鉆了深22 m的鉆孔。鉆孔的結果再次證明形成了堅實的冰土墻，提供了土壩的不透水性和結構穩定性。

對出口管周圍熱態形成的觀測具有一定的參考價值。研究表明，涵洞溢洪道是冬季冰凍、夏季解凍的通道。熱狀態的動態變化如圖7所示。

1—6年的地面溫度趨勢；2—距離熱虹吸冷卻器0.7 m溫度動態；3—距離熱虹吸冷卻器1.1 m溫度動態；4—距離熱虹吸冷卻器10 m溫度動態圖6　8 m深度處土壤溫度場動態圖

圖7　土壩溢洪道土體溫度場動態圖

但因為管道和熱虹吸冷卻器的接頭沒有配備控制和測量工具，只能通過目測來得出結論。6年的現場觀察顯示，沒有滲流，也沒有任何變形或故障。由此證明熱虹吸冷卻器產生了牢固凍結。因此，現場監測證實了由熱虹吸冷卻器所產生的可靠的冰土墻的可能性[6]。

4　結　論

(1)建于1973年的土壩，曾分別在1975年和1980年兩次遭到破壞。1982年，洪水對重新建造的土壩再次造成損害，并且在出水管道中發現了漏洞，壩體結構并不穩定。

(2)1989年3月以前持續6年監測結果表明，熱虹吸冷卻器運行之后，土壤溫度每年明顯下降。在熱虹吸冷卻器作用下，形成堅實的冰土墻，提高土壩的不透水性。

(3)根據多年現場監測顯示，在安裝熱虹吸冷卻器后，土壩沒有發生滲流，也沒有任何變形或故障，表明熱虹吸冷卻器產生的牢固凍結明顯提高了壩體的結構穩定性。

參考文獻：

[1]Мельников П И. Вечная мерзлота в районе г. Якутска [C]// Исследование вечной мерзлоты в ЯАССР. Москва: Изд-во АН СССР, 1950.

[2]Соловьев П А. Криолитозона северной части Лено-Амгинского междуречья[M]. Москва: Изд-во АН СССР, 1959.

[3]Соловьев П А. Многолетняя мерзлота (криолитозона)[C] // Атлас сельского хозяйства Якутской АССР. Москва:1989.

[4]Вотяков И Н. Физико-механические свойства мерзлых и оттаивающих грунтов Центральной Якутии[M].Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1975.

[5]Макаров В И. Термосифоны в северном строительстве[M]. Новосибирск: Наука, 1985.

[6]Чжан Р В. Создание противофильтрационного элемента в грунтовой плотине мелиоративного назначения [C]// Материалы конференций и совещаний по гидротехнике. Инженерное мерзлотоведение в гидротехнике. Ленинград:Энергоатомиздат, 1989.