魯?shù)婪颉じダ琢_維奇·張 著；戴長雷，李卉玉 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(qū)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)

永凍區(qū)低水頭水利工程建設實踐與分析

魯?shù)婪颉じダ琢_維奇·張1著；戴長雷2,3，李卉玉2,4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(qū)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)

永凍區(qū)低水頭水利工程建設以及維護其穩(wěn)定性至今仍然是一個大的挑戰(zhàn)，一個正確的設計和維護方案可以極大地造福人類。在梳理大壩類型、各種案例以及大壩各部分受損原因的前提下，對小型低水頭工程的施工和性能進行分析。指出：①要成功地設計和修筑適合永久凍土區(qū)的小型低水頭工程，需要對工程現(xiàn)場進行充分的調(diào)查。②在永凍土層上可以修筑凍結型、制冷型和解凍型堤壩，具體實施取決于堤壩的用途、環(huán)境條件及凍土條件。③實踐表明，近年來的潰壩事故多由結構錯誤所致，因此需要特別注意水利工程的結構安排。④在設計低水頭工程時，應特別注意一點，即土壤和結構性部件的工程特性在水利設施運轉(zhuǎn)期間會發(fā)生變化。⑤針對運轉(zhuǎn)結構的監(jiān)測不應該局限于一系列標準化觀測，且必須符合科學要求。

永凍區(qū)；水利工程；大壩；薩哈(雅庫特)共和國；雅庫茨克

在永凍層修建小水位差土壩的歷史已經(jīng)超過200 a了[1-7]。建造永凍層大壩最初是為了滿足工、農(nóng)業(yè)發(fā)展以及俄羅斯東部公路建設的需要。最廣為人知的土壩位于：梅克爾特河(外貝加爾-彼得羅夫斯克區(qū))、阿馬扎爾河、莫戈恰河、右馬格達加奇河，以及大涅韋爾河(斯科沃羅季諾附近)。這些大壩的建設經(jīng)驗告訴我們：在北方地區(qū)寒冷的生存條件下，如果不發(fā)生滲漏情況，大壩通常會結冰且其下游通道也會保持干燥。發(fā)育在大壩的中心部分的凍結心墻與下層的凍土一起形成一道防水帷幕。這種凍結心墻阻止了滲漏現(xiàn)象的發(fā)生，有助于維持大壩的結構穩(wěn)定性。

在大壩熱狀態(tài)下的永凍層基礎上設計和建造土壩的原則是由布利茲尼亞克[8]首次提出的。他引入了“凍結型大壩”和“解凍型大壩”這兩個名詞。不久之后季莫費伊丘克[9]提出了水工建筑物的分類和建造方法。然而，直到建筑規(guī)范SNiP 2.06.05-84*官方認可永凍區(qū)水工建筑物的兩種建造原則之前，工程師們對這一點都有巨大的爭議。第一個方法(原則一)是大壩的防水性和結構穩(wěn)定性，其地基取決于凍結條件；第二個方法(原則二)利用的是解凍條件下的土壤。

基于建造和操作方法的不同，大壩可分為凍結型大壩、解凍型大壩和混合型大壩。凍結型大壩是指由壩芯和壩基部分處于凍結形式下的巖土來提供防滲功能的大壩。解凍型大壩是指由包含防滲材料的土壤構筑壩體和壩基、且允許解凍的背水面部分壩殼發(fā)生滲流的大壩?；旌闲痛髩问侵赣娌糠志C合根據(jù)原則一和原則二修筑的大壩。

另外，我們認為還有一種類型，就是季節(jié)凍融型大壩。這是一種季節(jié)性(春季)運行的大壩，其在春汛時的防滲功能可由季節(jié)性凍結層來提供。

筑壩時，可在非永凍區(qū)普遍采用的板樁、襯墊以及其他防滲材料，與既防滲又強度優(yōu)良的凍結型冰土心墻比起來，在永凍區(qū)卻顯得耐用性不足，因而適用性欠佳[8，10-13]。

大壩的凍結型心墻可以由自然凍結方式形成，也可以人工凍結方式形成?；谌斯鼋Y的大壩充填和筑基方式變得越來越普遍。凍結方法包括：建造時將大壩充填于隔層之間，以便冬季大壩逐漸凍結；在壩體內(nèi)預設廊道或通風井，并在下游壩殼上設置匯合口，以便冬季的冷氣流通；安裝制冷系統(tǒng)(鉆孔中設冷凍樁)。

1 壩芯凍結型大壩

斯塔羅-扎沃茨科伊池大壩是一個在隔層間充填凍結類型的案例，9.5 m高，位于外貝加爾地區(qū)彼得羅夫斯克區(qū)的梅克爾特河上。建造期12 a以上，并存在了150多年[14]。那之后，有數(shù)座在冬季修建的大壩，是通過在各層中放入凍結松土后加水完成的。有一座此種類型的大壩，大約7 m高，于1950—1951年冬季修建在諾里爾斯克的納列德內(nèi)河上[11]。以0.2 m一層進行填砌，且每層都加水飽和。每一層都會在下層填砌之前就凍結。在-30 ℃通風的條件下，每層的凍結時間為1 d。

20世紀60年代早期，布利諾夫和斯科爾尼亞科夫在薩哈(雅庫特)共和國西部的米爾內(nèi)河附近做了地層中填土凍結的現(xiàn)場實驗，三組實驗模型都設置為由凍結土塊組成的2 m的高土壩。分層厚度分別設置為10 cm、20 cm和40 cm，凍結速度與之有關，-8 ℃～-25 ℃的通風溫度可監(jiān)測到。結果發(fā)現(xiàn)，在米爾內(nèi)地區(qū)，大壩在一個冬季期間可以升高1.2 m[15]。1961年，雷斯卡諾夫設計了伊列利亞赫河上的一座大壩[16],該大壩高4.1 m，長285 m?；谠O計方案，首先采用1 m厚度、凍結的、塊狀淤泥質(zhì)黏土進行填砌。然后往土塊間的空隙中飽水。建好5 a后觀測到，季節(jié)性融凍深度不超過2 m，且壩芯區(qū)全年保持在凍結的狀態(tài)。

2 空氣制冷型大壩

在馬加丹地區(qū)的索爾維格河上，有一座1944年完工的人工凍結大壩，該壩高4 m,通過木質(zhì)走廊通風。1966年的監(jiān)測結果表明，凍結效果令人滿意[17]。

1943年，在多爾戈耶湖地區(qū)修建了10座大壩，在該項目中，依次開展了給多種土壤的制冷系統(tǒng)進行凍結速度的測試[11]。最初，大壩修建了一排冷卻管，將其安裝在間隔為2.5 m的鉆孔中。氯化鈣溶液被用作為換熱流體。冬季時，如果將裝在容器中的氯化鈣溶液放置在地表開敞環(huán)境中，它就會冷卻。但是，這種裝在冷卻管中的氯化鈣溶液會逐漸腐蝕套管，泄露到大壩的填土部分，并使得壩芯在零下的溫度環(huán)境中緩凍，如此一來，氯化鈣溶液作為換熱流體在大壩人工制冷系統(tǒng)中很快就被禁用了。后來，換熱流體換成了冬季的冷空氣。冷空氣作為大壩制冷系統(tǒng)的換熱流體被證明是有效且可靠的。據(jù)此原理成功設計空氣制冷系統(tǒng)的大壩被建設在下述地區(qū)：納列德內(nèi)河[11]、米亞溫賈河[18]、伊列利亞赫河[19]、佩韋克溪[20]、巴謝爾卡維泉[17]、東俄羅斯北極地區(qū)的梅爾科埃湖[21]、斯特特坎河[13]和奧伊烏魯-尤列格河溪[13，22]。

大壩人工制冷的另一種技術是在大壩背水面設置防護罩，在多爾戈耶湖大壩對該項技術進行了測試。防護罩可以用來消除大壩下游一側周期性積累的厚雪蓋的保溫效應?？死茁宸蛐头雷o罩[10]可在冬季使大壩制冷系統(tǒng)通風，而在夏季則將通風口關閉。應用這種類型的防護罩，可以保證屏障下壩體的溫度維持在接近0 ℃。這種類型的壩后防護罩可使大壩下游一側的壩體溫度成功降低，從而不再需要使用大壩冷卻管。值得指出的是，由于水庫對上游火力發(fā)電廠起到了冷卻池的作用，所以多爾戈耶湖大壩處于高熱負荷狀態(tài)。這種獨特的壩體土壤制冷方法在阿德馬大壩也得到了應用[21]。

3 垂直管制冷

目前，液體熱虹吸(比如煤油)和液-氣制冷劑(如氟利昂)都被應用于凍結土壩建設中[23-26]。這種系統(tǒng)可以在美國查塔尼卡河[27]，伊爾古克漢河,卡扎奇卡河，圖曼溪[28]，曼加卡河[29]上，以及湖上靠近雅庫茨克永凍層研究所[30]的地方成功建造大壩。

4 自然凍結型大壩

在眾多大壩中，自然凍結型大壩會在運行時間里進行自然凍結，這種大壩是為了供水和水回收而于1940—1970年建造而成的。有一個7 m和一個8 m高的兩座大壩，建在維爾霍揚斯克烏盧斯的庫姆河上，年平均氣溫(MAAT)為-13.9 ℃[31]；兩個3 m高的大壩，建在丘拉普恰烏盧斯，靠近丘拉普恰的科克哈拉河上，年平均氣溫為-11.7 ℃；三個3 m高帶有比尤泰德水回收系統(tǒng)的大壩和四個高達4.6 m帶有霍羅布特水回收系統(tǒng)的大壩，建在梅吉諾-卡納拉斯烏盧斯, 年平均氣溫為-10℃[32-33]；五個4 m高，建在奧爾忠尼啟則烏盧斯的肯克梅山谷，年平均氣溫為-10.2 ℃；五個3 m高建在霍斯-尤里亞山谷的大壩；4 m高建在波爾杜奧河的大壩以及11 m高建在戈爾內(nèi)烏盧斯的馬塔河上的大壩，年平均氣溫為-11.1 ℃[33]；實驗性的4 m高建在奧廖克明斯克烏盧斯的小切列帕尼哈河上的大壩，年平均氣溫為-6.7 ℃[33]；六個3 m高帶有奧羅蘇諾-涅格佳赫平原灌溉系統(tǒng)，建在丘爾格列赫的大壩，以及三個3 m高建在維爾霍維柳伊斯克烏盧斯的布魯坎河河灘上的大壩，年平均氣溫為-9.3 ℃。另外，還有建在烏斯季揚斯基烏盧斯的磨壩：庫拉爾黃金開采公司的大壩，4～7 m高，修建在波洛吉溪、烏蘭巴托溪、布爾谷阿特河、伊爾杰克拉赫河和瑪瑪尼亞河上，年平均氣溫為-14.2 ℃[34]；兩座杰普塔茨基項目中的大壩，分別為9.8 m和14.5 m高，位于博伊斯卡維溪上，年平均氣溫為-15.2 ℃。

5 解凍壩

解凍型大壩也被廣泛用于俄羅斯和世界的永凍區(qū)大壩建設。

5.1 俄羅斯

在俄羅斯，整個永凍區(qū)修建的解凍型大壩都有各種各樣的實際理由和操作條件。從項目中我們可以得到豐富的工程經(jīng)驗：兩個高4 m，1913—1914年建在阿馬扎爾河的大壩，年平均氣溫為-4.7 ℃；1932年建在右馬格達加奇河上的7 m高大壩，年平均氣溫為-2.1 ℃；9.6 m高建在斯科沃羅季諾火車站附近的大涅韋爾河上的大壩，年平均氣溫為-4.7 ℃；6 m高，1942年建在諾里爾斯克附近的科娃特拉特內(nèi)溪上的大壩，年平均氣溫為-9.5 ℃；一些建在科雷馬河盆地中的大壩，年平均氣溫為-13.2 ℃。中埃利根河上6.8 m高的大壩和1945年建在烏基娜雅河上的大壩；1958年建在阿特烏里亞赫河上的7 m高大壩，1960年建在馬加丹地區(qū)鄂霍次克海濱區(qū)的卡梅努什卡河上高達16.5 m的大壩，年平均氣溫為-2 ℃；1967年建在馬加丹省奧羅圖坎附近的冉爾基小溪上高達16.6 m的大壩，年平均氣溫為-12 ℃；1982年建在阿隆果拉河的涅留恩格里發(fā)電廠高達29.8 m的大壩，年平均氣溫為-9.4 ℃；1982年建在和平站附近的特姆塔依達赫溪上高達34 m的大壩，年平均氣溫為-8.2 ℃[13]。

5.2 國際上

國際上最著名的大壩就是：位于美國阿拉斯加小切納河上高達31 m的大壩，年平均氣溫為-4 ℃(喬治，1937)；建于1959—1960年位于加拿大納爾遜河上的凱爾西發(fā)電站，高2～6 m，有36.6 m高的主壩和7個水庫式封閉堤壩，年平均氣溫為-3.9 ℃[35-36]；建于1973—1975年位于凱爾西河下游160 km，納爾遜河上的凱特爾發(fā)電站，右翼高48 m，左翼高40 m的馬鞍狀大壩，年平均氣溫為-5 ℃[37]；位于加拿大黃刀鎮(zhèn)附近的斯奈爾河上高達24 m的大壩，年平均氣溫為-5.6 ℃[38]；位于育空河上懷特霍斯山脈項目中的高達15.8 m和20.7 m的大壩，年平均氣溫為-7.6 ℃[39]；赫斯溪上高達25.3 m的大壩[4]和位于美國阿拉斯加費爾班克斯附近的查塔尼卡河[40]上高達44 m的大壩，年平均氣溫為-4 ℃。

5.3 解凍型大壩的建筑經(jīng)驗

在大壩建設之前包含大量的冰塊夾雜物。在卡扎奇卡河上修建一個大壩時也嘗試了這一方法。在挖掘出一條防滲隔離橫槽后，高含冰量碎石沉積物就可以裸露在陽光下兩個夏季解凍。建造前進行路基土的解凍還有另外一個案例，即梅爾卡亞河上修建的一個大壩。該大壩規(guī)劃修建在一個地下的冰凍湖上，該冰凍湖里充滿了冰塊和泥炭層，而且在河谷邊坡上有滿是冰楔的凍土[31]。應該注意的是，在這種特別復雜的凍土地貌條件下進行永久凍土的解凍并進行大壩的設計需要十分復雜和精細的測量，比如土壤的部分更換、建造前的解凍、在很深的地帶(6 m)嵌入部分防滲隔離帶、填補基巖裂縫等。

在使用壽命期間接受永久凍土解凍的設計方法應用于加拿大馬尼托巴省凱爾西市的小型泥土堤壩。永久凍土以冰凍物質(zhì)含量相對較高且厚度較小(8～10 m)的冰凍島嶼的形式存在。這些堤壩的設計目的是要緩和因地基土的解凍產(chǎn)生的位移。為了在解凍期間穩(wěn)定地基土，需要使用砂樁以加速土壤的排水。這些堤壩性能數(shù)年來一直很好，觀測數(shù)據(jù)確認了所使用的方法以及初期計算的正確性[36]。

6 結論與討論

雖然在永久凍土地帶進行小型壩的修建和使用有許多成功案例可以借鑒，但是，在經(jīng)年累月中維護這些大壩的穩(wěn)定性至今仍然是一個大的挑戰(zhàn)。值得我們留意的是，在俄羅斯，高達90%的填河大壩[41]和53%的境內(nèi)和工業(yè)供水大壩[42]在投入運營后3 a內(nèi)都遭到損壞。

已經(jīng)有多位研究人員對大壩損壞的原因和類型進行了描述和研究[12，15，43-48]。由于資金限制造成的現(xiàn)場勘測不充分，以及這種結構沒有相關的設計和建造標準，產(chǎn)生了破壞性變形。如果有設計概念和建造方面的指導，建造者們就可以選擇正確的設計方案，并合理地考慮大壩現(xiàn)場的永久凍土和氣候條件問題。

在用高含冰量土壤修建大壩時，必定會因地基土解凍引起的局部凹陷和落水洞、路堤和橋臺銜接部分受到的沖刷、縱向的裂縫和斜坡的不穩(wěn)定性而產(chǎn)生問題[49]。

韋杰涅耶夫全俄水利工程研究院西伯利亞分院對大壩安全問題進行了研究，其中包括在一次近似中使用現(xiàn)場數(shù)據(jù)和模式識別理論[50-52]對失效模式進行分類。他們將兩種大壩建造類型(即凍結型和解凍型)的土工結構失效分成可接受和不可接受兩種類型。對于凍結型大壩，主要的大壩失效首先是因熱量導致的(橋臺、壩體或大壩地基解凍)，其次，因滲漏導致結構失效和強度失效，也有可能發(fā)生設計、技術和操作失效。對于解凍型大壩，產(chǎn)生失效的原因與一般的大壩類似。

在極北部地區(qū)，輸水建筑結構一直以來都是土質(zhì)大壩最容易受損的部分。根據(jù)別蘭[53]的研究，在所有失效中，與溢洪道和排水工程相關的失效可達67%。

目前，溢洪道和進水渠通常建造在河道和河漫灘或者穿過河岸，具體取決于地理技術條件、項目目的以及對技術和成本的考慮。在河道中和在河漫灘上的工程安排，主要是在填河方案中采用，具體是在河道中嵌入溢洪道，以及在河漫灘上修筑取水工程。在供水工程中，這些結構建造在河岸上。

輸水建筑結構的大多數(shù)失效是由于建造質(zhì)量低劣，偏離設計規(guī)劃和規(guī)范，以及在不少情況下是因為忽視了凍土地貌的特性。

基于此，在開展新的輸水建筑結構設計的同時，平原土壩嵌入虹吸式取水結構的方式越來越廣泛的應用在阿姆杰爾馬的伊列利亞赫河、米亞溫賈河、多爾戈耶湖、杰普塔茨基項目和涅留恩格里發(fā)電站大壩，以及其他項目。在霍斯-尤里亞赫河谷盆地灌溉項目中的一號大壩，其虹吸式取水結構在1969年被成功用于釋放洪水，使盆地的水位下降。該大壩上嵌入了六個虹吸式取水結構，每個虹吸式取水結構的釋放量為0.3 m3/s。另外一個成功運用虹吸式取水結構作為泄洪道的案例是在薩哈(雅庫特)共和國戈爾內(nèi)區(qū)的馬塔河大壩。這個大壩有11 m高，嵌入了六個直徑為1420 mm，總釋放量為143.4 m3/s的金屬虹吸管。另外還有兩個直徑為325 mm，釋放量為0.46 m3/s的虹吸式取水結構用于水庫的清潔性放水。該大壩運營已達9 a。其他國家也使用過相同的解決方案。比如，在阿拉斯加，在查塔尼卡水電站的建設過程中就對虹吸式泄洪道進行了實驗性的測試，共安裝了5套虹吸式泄洪道，結果證明性能良好[40]。

在現(xiàn)代的案例中，泄洪設計絕大部分是安排在大壩旁邊的泄洪道。但是，仍然沒有找到并且仍然在持續(xù)研究針對十分復雜的富冰且解凍不穩(wěn)定的永久凍土條件以及一些解凍相對穩(wěn)定的巖層的可選解決方案。也有不成功的案例，比如卡贊卡河上的木制泄洪道設計[31]由于土壤冰層解凍和臨時河岸泄洪道導致失效，還有伊列利亞赫河的上壩[39]。伊列利亞赫河項目泄洪道下方的基巖大量解凍，造成了滲漏量加大。這也導致了臨時水壩的失效并威脅到上壩的穩(wěn)定。1969年的春季，也就是大壩投運第五年，其泄洪道下方的解凍地帶延伸至30 m深處，接近在泄洪道右側用冷凍管道修建和維持的凍土帷幕。這個凍土帷幕從下方開始解凍。

現(xiàn)在在瑟特坎水利工程設施中也發(fā)生類似的泄洪道變形問題。對此， R.M.Kamensky建議將河岸的泄洪體移離堤岸到較遠處以排除熱量的影響[54]，這就再次確認了將兩種工事建造在同一結構下的方案是不可取的。

伊列利亞赫河大壩的泄洪道之所以發(fā)生問題，是因為當初低估了河谷邊坡的凍土基巖裂隙問題。從某種程度上來講，這是重蹈了韋杰米科夫所描述的米亞溫賈河泄洪道的覆轍[55]。

許多研究人員都在現(xiàn)場和實驗室對泄洪道與排水工程之間的相互作用進行了研究。卡拉賓、博戈斯洛夫斯基、季莫費丘克、斯洛耶夫、沃爾科夫、謝列維奧爾斯托夫、伊拉羅夫和其他人總結了相關研究成果[3-4,32,56-62]。

第一位制定在永久凍土上建造輸水建筑結構的設計和運行要求的是博戈斯洛夫斯基 。具體來說，他建議泄洪道應布置在和大壩有一定距離的位置。然后，他建議從泄洪道的下游側排水，如果在冬季沒有結冰更是如此。從泄洪道的下游側排水導致地基永久凍土的退化，這從實地現(xiàn)場證實了他的概念。最后，他說泄洪道全年應該只用很短一段時間，其他部分時間保持干燥[56]。

除了上述供水工程中的水渠經(jīng)驗外，在薩哈(雅庫特)共和國的填河項目中還有很多和這種結構的建造和運營相關的歷史案例。這一經(jīng)驗起始于19世紀，1877年在奧廖克明斯克區(qū)修建了一個包含許多水力結構的灌溉系統(tǒng)[63]。1911年，在阿爾丹區(qū)的奧洛姆河上的大壩堤岸上修建了一個4 m高的支垛泄洪道[64]。20世紀50年代，在梅拉河和塔塔河上修建的支垛泄洪道沒有經(jīng)受住第一次洪峰。出現(xiàn)這種狀況是因為沒有充分考慮地基的復雜凍土條件。當時還嘗試采用樁板結構泄洪道。例如，1959—1965年間在蘇奧拉河道中修建了一個帶有懸臂式延伸部分的樁板結構泄洪道(即霍羅布特填河系統(tǒng))。這個3.6 m高的泄洪道的設計釋放量為75 m3/s。1966年，1969年和1970年，在排水板與堤岸土壤接觸的地方發(fā)生了幾次主要的失效。1969—1970年，在上游側護坦產(chǎn)生大量的凍脹現(xiàn)象，1980年的洪水徹底毀掉了該泄洪道。蘇奧拉河的比尤捷伊佳赫灌溉系統(tǒng)的主要水利工程設施中也采用了相同的結構，從1976—1979年也發(fā)生了相同性質(zhì)的變形。該大壩由于1979年的洪水和運營上的重大錯誤導致洪水漫過大壩，從而被損毀。另外，比尤捷伊佳赫灌溉系統(tǒng)有2個支垛泄水處調(diào)節(jié)器和一個加固的混凝土調(diào)節(jié)器。應該注意的是，在加固混凝土泄水處調(diào)節(jié)器的連接處存在碎裂的裂紋。這導致了滲水，侵蝕了土壤。在下游側很明顯地存在橢圓形裂縫和剪切裂隙。

在霍羅布特系統(tǒng)的主河道沿線有三個泄水處調(diào)節(jié)器(由四角管道組成的雙組結構)和一個支垛泄水處調(diào)節(jié)器。這些調(diào)節(jié)器的設計釋放量為10 m3/s。這些結構在壩肩壁后面每年都經(jīng)受著沖刷。這迫使“紅星” 州農(nóng)場不得不在1987—1990年重建該系統(tǒng)，用加固的混凝土調(diào)節(jié)器替換所有原來的排水工事。修建于1989年的進水設施由整體式加固泄洪道組成，釋放量為200 m3/s，其泄水處調(diào)節(jié)器的釋放量為30 m3/s。現(xiàn)在的泄洪道狀況良好，泄水處調(diào)節(jié)器由于反堡墻脫離結構中心和下游的泄洪道護坦中冰契解凍而需要修繕。

使用整體式加固混凝土的另外一個成功案例是1974年在雅庫茨克附近的舍斯塔科夫卡河上修建的工程。該工程結構有三個矩形開口，每個開口的釋放量為3.2 m3/s。因為建造工程的質(zhì)量問題和運行不當，該工程在1975年發(fā)生了重大的變形，比如下游的護坦應變(其某些部分沉降達0.5 m)和低洼處的沖刷。1982年對該排水工事進行修繕并安裝冷凍系統(tǒng)后，這一結構仍然在運營使用中。

木制結構也有性能良好的案例，包括分別于1936年和1948年在蘇奧拉河上修建的兩個支垛壩。泄洪道修建在河道中，嵌入深度為5 m。在堤壩上，這些泄洪道的嵌入深度在2～10 m的范圍。這些泄洪道運行30 a沒發(fā)生問題，并于1966年拆掉。這些泄洪道之所以性能良好，是因為支垛嵌入堤壩和地基，并且深度超過了季節(jié)性解凍的穿透深度。蘇奧拉河的隔離河曲是一個天然的泄洪道，它用于排放超過大壩結構釋放能力的洪水。

建造于1959年，在阿列克謝耶夫斯基區(qū)的塔泰河上游的一個項目和建造于1964—1965年，在奧爾忠尼啟則夫斯基區(qū)的肯克梅河谷中的兩個大壩中使用剛剛砍下的帶樹冠的樹搭建的護坦性能良好。這一經(jīng)驗證明，這種結構最適合薩哈(雅庫特)共和國的特定環(huán)境，具有良好的靈活性而且強度大。但是泄水底面接觸解決方案還沒有找到十分理想的結構。

在20世紀70年代，在薩哈(雅庫特)共和國的輸水建筑結構使用的很多預制加固混凝土，當時有“維柳伊水電站施工”混凝土制造工廠可以提供預制加固混凝土。在以下項目中使用的 “白俄羅斯國家水利設計院”設計的泄洪道閘門頂端2～3 m，泄洪道寬3～5 m：

①涅梅斯金尼亞赫河上的紐爾巴泄水口調(diào)節(jié)器(連斯克區(qū)，1972)——這是一項實驗性的建造項目。泄水口調(diào)節(jié)器結構是一個封裝的管道，由樁基礎上的U形組合組成，釋放量為12 m3/s。

②布爾杜奧拉什河上的奧爾托-蘇爾托夫斯卡亞系統(tǒng)(戈爾內(nèi)區(qū),1975)——是將五個尺寸類型的合成部件安裝在加固混凝土護坦原地的泄水口處，釋放量為10 m3/s。

③克爾格爾利亞赫河上的奧羅孫諾-涅格佳赫系統(tǒng)(上維柳伊斯克區(qū)，1985)——該護坦是由安裝在加固混凝土排樁原地的加固混凝土構成。三個加固混凝土隔膜嵌入到地基，深度達2.5～4 m，主要功能是作為防止?jié)B漏的帷幕。開閘的吞吐量為17.4 m3/s。壩肩是由加固混凝土組SK-3-2構成。奧羅孫諾-涅格佳赫系統(tǒng)有六個相似的泄水處調(diào)節(jié)器。在同一個區(qū)內(nèi)，在巴雷坎河的河谷中的巴雷坎填河系統(tǒng)包含4個預制混凝土泄水處調(diào)節(jié)器。它們的尺寸類型和吞吐量與奧羅孫諾-涅格佳赫系統(tǒng)的參數(shù)相同。

對于預制混凝土泄洪道性能的分析是不太確定的。這種結構一般來說很穩(wěn)定，但是有些情況下也產(chǎn)生了嚴重變形。

在大多數(shù)情況下，找出輸水建筑物損壞的真正原因并非一件易事。土壤熱狀況造成的干擾會削弱建筑物的強度，破壞滲流穩(wěn)定性，這往往正是一切麻煩的起源。

溢洪道性能分析表明，除了工程設計缺陷和保養(yǎng)不當之外，對建筑物與周圍環(huán)境之間在熱力和機械方面的相互影響以及擋土墻回填土工序缺乏認識，也是造成結構性損壞的主因之一。

根據(jù)小型低水頭工程的施工和性能分析，可以得出以下結論：

①要成功地設計和修筑適合永久凍土區(qū)的小型低水頭工程，需要對工程現(xiàn)場進行充分的調(diào)查。

②在永凍土層上可以修筑結凍型、不凍型、組合型堤壩，具體實施取決于堤壩的用途、環(huán)境條件及凍土條件。堤壩的建設和運作既存在成功先例，也不乏失敗的例子。

③堤壩潰壩的概率依然很高。在堤壩中央段，壩肩和堤岸溢洪道之間的接觸處較容易受損。變形的主因與永凍土有關。因此，有關永凍土相關工序的研究是潰壩分析和改善措施提高穩(wěn)定性的一個關鍵因素。實踐表明，近年來的潰壩事故多由結構錯誤所致，因此需要特別注意水利工程的結構安排。

④在設計低水頭工程時，應特別注意一點，即土壤和結構性部件的工程特性在水利設施運轉(zhuǎn)期間會發(fā)生變化。

⑤針對運轉(zhuǎn)結構的監(jiān)測不應該局限于一系列標準化觀測，且必須符合科學要求。

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Experience and analysis in constructing lowhead water projects in permafrostWritten by Rudolf Vladimirovich

Zhang1; Translated by DAI Changlei2,3, LI Huiyu2,4

(1.MelnikovPermafrostInstituteSiberiaBranchoftheRussianAcademyofSciences,Yakutsk677010,Russia;2.InstituteofGroundwaterinColdRegion,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China;3.SchoolofHydraulic&Electric-power,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China;4.InstituteofArchitectureScienceinColdRegion,Heilongjiang,Harbin150080,China)

Constructing and maintain the stability of these water projects in permafrost remain still a challenge today. Correct design and maintenance solution are benefit to the mankind. The paper analyzes the construction and performance of small head water projects on the basis of combing the kinds of the dams, all kinds of cases and the reason of all parts of the dam damaged. It points out: ①Adequate engineering site investigations are needed to successfully design and construct small head water projects in permafrost areas；②Dams built on permafrost can be of a frozen, unfrozen or combined type; depending on the purpose of the dam, and the environmental and permafrost conditions；③The practice has shown that the arrangement of structures for hydraulic projects requires special care, as the recent failures have been caused by errors in this aspect；④When designing low-head water projects, special attention should be given to the fact that engineering properties of soils and structural elements undergo changes during the operation phase of the facility；⑤Surveillance of operating structures should not be limited to a set of standard observations and must be scientific in nature.

permafrost; water projects; dam; Yakutia；Yakutsk

凍土工程國家重點實驗室開放基金(SKLFSE201310)；黑龍江省水文局項目(2014230101000411)

魯?shù)婪颉じダ琢_維奇·張(1941-)，男，俄羅斯薩哈共和國雅庫茨克市人，教授，主要從事凍土工程和寒區(qū)水利工程相關方向的科研和教學工作。

譯者簡介：戴長雷(1978-)，男，山東鄆城人，教授，主要從事寒區(qū)地下水及國際河流方向的教學和科研工作。E-mail:daichanglei@126.com。

TU445；TV6

A

2096-0506(2017)03-0022-09