俄羅斯西伯利亞典型土壩溢洪道溫濕度監測與分析

魯道夫·弗拉基米羅維奇·張 著；戴長雷，李卉玉，王 帝 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)

對俄羅斯西伯利亞典型高寒區土壩的溢洪道附近土體進行分階段動態分析研究，不僅得到了多年凍土條件下的結構在10 a運行期間溫度動態，同時發現其溫度應力呈現出接近周期性穩定狀態。對典型高寒區土壩溢洪道的溫濕度進行監測與分析發現，在多年凍土地區建立的溢洪道附近土體發生了位移，并且在溢洪道側墻與壩體連接處出現了明顯裂縫。對此進行了分析與說明，解釋了裂縫出現的原因。

1 溢洪道側墻周圍土體溫度監測

在1989—1999年這10 a內，對多年凍土地基上的溢洪道周圍土體濕熱狀況進行了研究。多年凍土地基上某些時段的地基橫斷面和縱斷面的溫度場如圖1、圖2所示。

土體溫度動態變化表明，溢洪道周圍土體中會形成極冷區域。溫度梯度在10月(傳感器安裝的初始時刻)達到14.9 ℃/m，11月為16 ℃/m。1月中下旬5 m深處的溢洪道周圍土體凍結過程中發生了劇烈的降溫，使得地基表面與壩體交界處的土體溫度降低到-44 ℃。3月中旬，在整個5 m厚的土層中，平均溫度達到-17.3 ℃。1 m厚地層的平均溫度為-36.4 ℃。

4月底—5月初土體開始解凍。5月中旬時，厚度為0.5 m的土層溫度梯度達到15 ℃/m。

地基實測與預測的溫度變化有著相同的趨勢，只是溫度的數值稍有不同：在壩頂處，冬季溫度較低而夏季較高，圍護結構對地基溫度動態變化有明顯的影響，使地基溫度變化較為平穩。在一個長期的凍融循環過程中(1989—1994年期間)形成了凍結的心墻。在水平方向距側墻4.5 m處，解凍土層的厚度從5.0 m降低到2.5 m；在距側墻3.0 m處，解凍土層的厚度從3.0 m降低到2.0 m。因此，通過幾年的研究得出有凍結心墻的土壩更加穩定的結論。

圖2 索拉河流域Khorobut流域灌溉系統鋼筋混凝土溢洪道路堤及地基土溫度(縱斷面)

在有圍護結構下的多年凍土地基溫度場對于溫度應力動態的研究具有重要意義。即使對于一個很小的結構，溫度應力的大小也取決于諸多因素，例如積雪厚度、濕度、接觸區域的熱量交換率等。根據俄羅斯工程歷史資料可知1988年秋季圍護結構施工結束時，測得最大融化深度為3.0 m。1989年4月，該深度的溫度由-0.2 ℃變為-0.3 ℃。然而在這種溫度下，冰晶與其包裹的細粒砂之間會發生熱量交換，所以在第一個冬季并未完全凍結土層。1989年夏季，地基發生進一步融化，凍結水位降至地表以下0.5 m(鉆孔10和鉆孔13)、0.7 m(鉆孔20)和1.0 m(鉆孔11)。上述凍結水位說明了融化深度的不均勻性，多年凍土溫度不隨年內溫差變化而變化。在12 m深處，鉆孔22溫度從-2.4 ℃升至-2.0 ℃，鉆孔9的溫度從-1.5 ℃升至-1.3 ℃。

在縱向剖面上的溫度動態變化如圖2所示，圖2表明最劇烈的熱交換過程發生在溢洪道運行的第一年，水庫中一年四季都有液態水，這使得多年凍土向圍護結構發展。

在沒有積雪的冬季，圍護結構下也可以形成凍結巖心。由于閘門抬升會伴有劇烈的空氣流動，深度為3.5 m的土體溫度降至-13 ℃，深度5 m和10 m的土體溫度分別降至-8 ℃和-2.5 ℃。夏季冰凍融化至地表以下3.25 m，凍結厚度不超過防滲裝置的范圍。即結構的穩定性是由鋼筋混凝土和防滲膜共同提供的，并且防滲膜是固定在永久凍土地基上的。說明盡管水庫一年四季都有水存在，但溢洪道仍然是凍結的。

溢洪道周圍土體解凍厚度為8～10 m，在Zhang的論著中得到了論證[1]。

經過十多年的監測結果表明，溢洪道溫度呈現出周期性，溢洪道本身已經達到穩定狀態。計算機建?？梢灶A測其達到完全穩定的具體時間。對溢洪道周圍溫度狀況的監測主要結果如下：

(1)得到了多年凍土條件下的結構在10 a運行期間溫度動態，并且呈現出接近周期性穩定狀態。

(2)若將圍護結構上積雪除去，即使水庫中有水，建筑物仍可視為建造在冷凍地基上。若將通風良好的溢洪道上的積雪清除，則更有助于巖心的凍結。

(3)溢洪道側墻在第一年冬季凍結，僅在水庫運行的第十年便形成平均溫度為-3 ℃、平均深度范圍在3.0～4.5 m的穩定區;最冷月份地基表面與壩體交界處邊界溫度降至-44 ℃；在地表以下3.5 m處溫度降至-13 ℃，地表以下5 m和地表以下10 m處的地溫分別降至-8 ℃和-2.5 ℃。

(4)涵洞在20 m厚的解凍土層上形成了一個新的熱力學狀態，在該條件下冬季凍結了3.5 m厚的隔熱不透水層，這有助于多年凍土的形成。

(5)在1 a或更長的周期內，溫度區間的動態變化能夠證明，若將防滲裝置深入地基基礎和堤防，則更有助于開發新防滲模式和改善涵洞現有結構。

2 溢洪道周圍土體濕度監測

溢洪道在運行過程中，土體水分、容重的分布是一個值得關注的問題[2]。雅庫特索拉河Khorobut盆地灌溉系統鋼筋混凝土溢洪道右側濕度和容重的動態監測結果見表1和表2。埋深0～6 m的地基土平均土體濕度為5%，深度為13.4 m，容重為1.96 g/cm3。埋深6～15 m的地基土具有壩址多年凍土的典型特征，其濕度為24%，容重為1.85 g/cm3。

土體容重值稍高是因為存在多種礫石和碎石。除了溢洪道側墻外，不可能找到任何土體濕度的規律與之匹配(見表2)。但總的來說，考慮到通過溢洪道和土體凍融過程的水位情況，我們可以做出如下假設：

在運行3 a的溢洪道中，距側墻0.5 m處，濕度在1～2 m深度范圍內增加了7%～8%，從第四年開始出現了濕度降低的趨勢。土體濕度在5～6 m深度范圍內增加了22%～24%，這是由于存在恒定的水分來源(季節性解凍層的滲流)。

圖3展示了Khorobut溢洪道的展望洞口布置圖和挖洞時的照片。礦物顆粒的再充填只能在距墻0.5～0.8 m處，沿溢洪道側墻有弱化的趨勢[3]。這些弱化區很可能會發生凍裂破壞，需要進一步研究。

Kergelehkh河Orosuno-Negedyakh流域灌溉系統主要調節河岸右側的排水物理力學特性，研究成果見表3，圖4展示了洞口位置、墻面方案、取樣地點和洞室照片。

表1 Khorobut盆地灌溉系統溢洪道右側土體的濕度和容重

表2 1993年10月10日Khorobut流域溢洪道地基邊緣勘探洞不同深度下土體的濕度、容重和顆粒比重

圖3 Khorobut溢洪道的展望洞口布置圖

圖4 Orosuno-Negedyakh盆地灌溉系統的土體物理力學性質的取樣地點

土壤是一種多孔結構，具有以下特征：液限為31.5%，塑性極限為19.0，塑性指數為12.5[4]。實驗證實了溢洪道側墻存在凍結巖心，外部保護層產生了一條寬2 cm深1.5 m清晰可見的裂縫。與保護層接觸的土體濕度為18%～20.7%，容重為1.26 g/cm3。在Khorobut河的溢洪道溫濕度監測中可以看出，當排水調節器移開時土體的容重在減少。因此在距地表1.0 m處土層容重從1.8 g/cm3減少到距地表0.8 m處的1.52 g/cm3(見表3)，在距地表2 m處土層容重從1.94 g/cm3變為1.84 g/cm3。

表3 1995年7月29日Verkhneviluisky地區的Orosuno-Negedyakh流域灌溉系統，由預制鋼筋混凝土制成的排水調節器在溢洪道右側探測洞測得數據

續表3

續表3

3 溢洪道周圍土體形變動態監測與分析

溢洪道周圍土體變形及其壓力關系的實驗成果與預測結果相吻合，表明最活躍的過程發生在濕熱區域形成的第一年。圖5顯示了索拉河Khorobut流域灌溉系統鋼筋混凝土溢洪道周圍土體的變形和土壓力的動態變化。考慮到第一年運行，按條件分為四個階段：第一階段是從10月—次年1月初，第二階段是從1月—3月中旬，第三階段是從3月中旬—5月初，第四階段是從5月中旬—9月底。

第一階段，由于自由水凍結，礦物顆粒向溢洪道側墻移動，導致土體體積增加。壓力傳感器顯示壓力從0增加到2.3～3.6 kg/cm2。在第二階段，由于土體溫度繼續降低(溫度達到-30 ℃)，其余的自由水和未凍水也會結冰，導致土體體積急劇膨脹，顆粒進一步向溢洪道移動。同時深部土體由于壓力增大會導致礦物顆粒和冰的體積減

1.變形傳感器放置地點的地溫，℃；2.距側墻40 cm處的土壤的變形；3.距側墻15 cm處的土壤的變形；4.側墻下土壤的壓力。圖中P為壓力，kg/cm2；t為溫度，℃；Δl為變形，mm。圖5 溢洪道的變形和土體壓力動態變化

少。這些變形是逐漸積累起來的，在2月底—3月初將會在溢洪道周圍引起土體運移。溢洪道周圍土壓力降至0。第三階段，當土體溫度從-30 ℃上升到0 ℃時，土體礦物顆粒的溫度變形將會導致顆粒向溢洪道附近移動。最后，發生在5月底的第四階段，當土體溫度升高到0 ℃以上時，顆粒繼續向溢洪道附近運動，直到到達第一階段結束的狀態。溢洪道附近土體移動的最大距離為1.0 mm。觀測周期為1 a，之后因洪水導致傳感器故障而中斷。

下一個觀測周期在1991年測量設備更新后開始，到1993年結束，共持續了3 a時間。

如下為3 a的土體變形動態：在1991—1992年冬季，土體顆粒運動總體趨勢是從溢洪道移動到土壩堤防。從1992年4月中下旬開始進入春季，土體開始向溢洪道移動。到1993年，這種從溢洪道向堤岸移動的趨勢保持不變。值得注意的是，朝堤岸移動的土體顆粒沒有回到先前的狀態，因此證實了溢洪道附近的土體運移。

1991年9月開始對溢洪道土壓力動態進行研究。在最初安裝傳感器之后，溢洪道的解凍土壓力范圍為1.1～2.2 kg/cm2且無規律性。

對1.0 m、2.5 m、3.5 m和4.5 m深度處土體凍結過程中壓力進行監測。11月時2.5 m、3.5 m和4.5 m深度處土體的壓力分別為2.4 kg/cm2、3.6 kg/cm2和2.4 kg/cm2,由于人為原因未測得1.0 m處壓力值。到12月份下旬壓力急劇下降。壓力在1.0 m和4.5 m處為0，2.5 m處為0.3 kg/cm2，3.5 m處為1.0 kg/cm2。

將這些資料與該時期的土體溫度資料進行比較，注意到溢洪道附近土體正在移動，因此存在總體或局部的壓力釋放。到1992年4月中旬，壓力在2.5～3.5 m的深度范圍內其均值下降到0.5 kg/cm2。從4月中旬受到變形過程影響開始在溢洪道的壓力就開始增加。在深度為1.0～2.5 m時，壓力均值增加到1.0 kg/cm2，在3.5～4.0 m深度時，壓力增加到1.5 kg/cm2。4月初，由于太陽輻射增強致使表面黑化(道路越過溢洪道)增加，雪開始融化。白天，水進入土體和墻壁之間的間隙，到晚上凍結，從而產生額外的壓力(溢洪道土體溫度平均為-11 ℃)。溢洪道土體融化層和土體覆蓋層壓力穩定，一直到夏季，期間平均壓力為1.2 kg/cm2。脫水過程(7月至次年4月初)壓力一直下降，平均值為0.4 kg/cm2。1992年10月—1993年4月期間，由于剩余水分凍結，深度為1.0 m、2.5 m和3.5 m的土體中平均壓力增加到1.0 kg/cm2，在深4.5 m處的土體中壓力增至1.7 kg/cm2。

因此，總結這項研究發現土體和結構相互作用是一個非常復雜的過程，它取決于許多因素。

在溢洪道附近土體凍結后的第一年，觀測到溢洪道上的土體有運移現象(見圖6)。在隨后的幾年里，季節性解凍后，土體與溢洪道側墻之間的間隙可以被流動的土體填滿。同時，在長達幾年的循環中，與冷凍的第一年發生了相同的過程，但它們更平滑且具有更小的壓力。

實驗過程證實了我們對于承壓結構中土體運移的假設。該結構在運行第一年的大規模損壞可以用土體運移來解釋，而這一點也得到了調查的證實。在自然條件下，首次獲得了在濕熱狀態形成過程中溢洪道附近的變形值和土壓力值，這些數據可解決灌溉排水工程實際問題。

圖6 Byutydyakh工程出口3和Khorobut流域灌溉系統的鋼筋混凝土底座的墻體上因土體運移而形成的裂縫

4 結 論

在圍護結構下多年凍土地基溫度場溫度應力動態的研究相當重要，通過對俄羅斯西伯利亞典型高寒區土壩的溢洪道附近土體進行分階段動態分析研究發現，即使對于一個很小的結構，溫度應力也取決于諸多因素，例如積雪、濕度、接觸區域的熱量交換率等。而對溢洪道濕度和容重的長周期溫度應力動態監測研究發現，若將防滲裝置深入基礎和堤防，則更有助于開發新防滲模式并改善涵洞現有結構。溢洪道側墻壓力下土體變形的分階段動態研究在自然條件下首次監測到在濕熱狀態形成過程中溢洪道附近土體的變形值和壓力值，也由此解釋了裂縫出現的原因和土壤運移的原因。