魯?shù)婪颉じダ琢_維奇·張 著；戴長(zhǎng)雷，李卉玉，于　淼，劉琛琛 譯

(1.俄羅斯科學(xué)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(xué)寒區(qū)地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；3.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；4.黑龍江省寒地建筑科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080；5.中俄寒區(qū)水文和水利工程聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150080)

寒區(qū)土壩季節(jié)性凍融對(duì)壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有很大影響。在土壩內(nèi)配置熱虹吸冷卻器(又稱熱棒)，通過冷卻器的單向?qū)Ю渥饔?，冬天在凍土層中?chǔ)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(qiáng)度，可有效防止壩體沉降。該技術(shù)可以為高寒地區(qū)的水工建筑物的修建提供思路。本文對(duì)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(xué)監(jiān)測(cè)與分析進(jìn)行論述。

1　土壩的基礎(chǔ)參數(shù)

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(duì)這座土壩進(jìn)行一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究[1-4]。

該地區(qū)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(fēng)速為1.8 m/s。年均降水量為247 mm。監(jiān)測(cè)地區(qū)的積雪厚度達(dá)到29 cm。地表以下45 cm的永凍層在不斷地向外擴(kuò)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(diǎn)。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(duì)深度達(dá)5 m處的凍土層邊界進(jìn)行鉆探，根據(jù)鉆探數(shù)據(jù)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(dá)到飽和狀態(tài)。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(zhǎng)142 m，寬10 m，高11 m，其中黏土部分用推土車和自動(dòng)傾卸卡車進(jìn)行施工(土壤的物理性質(zhì)見表1～表4)。它被設(shè)計(jì)為一個(gè)自然凍結(jié)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(zhǎng)60 m的金屬管道，從土壩右側(cè)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(gè)面積為2.5 cm×2.5 cm的金屬隔膜。在正常水位下有一個(gè)臨界值，臨界值之上的進(jìn)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(shí)上，這個(gè)土壩是在原有土壩的基礎(chǔ)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(duì)重新建造的土壩造成影響，并且在出水管道中發(fā)現(xiàn)了漏洞，這是接觸面滲流的證據(jù)。盡管變形的部分已經(jīng)修理，但是一個(gè)關(guān)于提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的技術(shù)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(jié)構(gòu)穩(wěn)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(zhǎng)度為3.5～13.0 m，管外徑為145 mm，內(nèi)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(gè)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(shè)實(shí)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(yùn)行的效率。其次是在堤岸和壩基上對(duì)溫度條件進(jìn)行多年監(jiān)測(cè)，對(duì)5～15 m深度的地?zé)徙@井進(jìn)行了土壤溫度動(dòng)態(tài)變化的研究。可通過鉆孔對(duì)熱虹吸冷卻器之間的冰土墻進(jìn)行溫度測(cè)量，其中側(cè)向剖面由斜坡和壩頂上、下兩側(cè)的4個(gè)鉆孔進(jìn)行監(jiān)測(cè)，橫向剖面由熱虹吸現(xiàn)場(chǎng)2處鉆孔進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3　壩體與地基溫度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

定期監(jiān)測(cè)始于1983年2月。監(jiān)測(cè)開始時(shí)，路堤沿橫斷面的周邊被凍結(jié)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(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化。1983年的監(jiān)測(cè)表明，在2個(gè)月的熱虹吸冷卻器運(yùn)行之后，土壤溫度的降低不明顯。虹吸0.7 m內(nèi)的溫度下降到0.7～0.8 ℃，在1.1 m內(nèi)下降到0.1～0.2 ℃。在夏季，當(dāng)虹吸管關(guān)閉時(shí)，解凍的地塊出現(xiàn)冷水流出，導(dǎo)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(dá)到-2.9 ℃，1985年4月，土壤溫度達(dá)到-6 ℃。每年都有明顯的溫度下降趨勢(shì)，這一結(jié)果得到1989年3月以前持續(xù)6年監(jiān)測(cè)結(jié)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(chǎng)動(dòng)態(tài)圖

為確定在熱虹吸冷卻器之間形成了堅(jiān)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(shí)發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)，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(jié)的條件：深度為11 m時(shí)，土壤處于熱虹吸冷卻器的強(qiáng)烈側(cè)向影響區(qū)域，當(dāng)土壤深度超過11 m時(shí)，土壤受熱虹吸冷卻器兩端表面影響。 1985年10月，在同一地點(diǎn)，重新鉆了深22 m的鉆孔。鉆孔的結(jié)果再次證明形成了堅(jiān)實(shí)的冰土墻，提供了土壩的不透水性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

對(duì)出口管周圍熱態(tài)形成的觀測(cè)具有一定的參考價(jià)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(tài)的動(dòng)態(tài)變化如圖7所示。

1—6年的地面溫度趨勢(shì)；2—距離熱虹吸冷卻器0.7 m溫度動(dòng)態(tài)；3—距離熱虹吸冷卻器1.1 m溫度動(dòng)態(tài)；4—距離熱虹吸冷卻器10 m溫度動(dòng)態(tài)圖6　8 m深度處土壤溫度場(chǎng)動(dòng)態(tài)圖

圖7　土壩溢洪道土體溫度場(chǎng)動(dòng)態(tài)圖

但因?yàn)楣艿篮蜔岷缥鋮s器的接頭沒有配備控制和測(cè)量工具，只能通過目測(cè)來得出結(jié)論。6年的現(xiàn)場(chǎng)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(chǎn)生了牢固凍結(jié)。因此，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)證實(shí)了由熱虹吸冷卻器所產(chǎn)生的可靠的冰土墻的可能性[6]。

4　結(jié)　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(duì)重新建造的土壩再次造成損害，并且在出水管道中發(fā)現(xiàn)了漏洞，壩體結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定。

(2)1989年3月以前持續(xù)6年監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，熱虹吸冷卻器運(yùn)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(jiān)實(shí)的冰土墻，提高土壩的不透水性。

(3)根據(jù)多年現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)顯示，在安裝熱虹吸冷卻器后，土壩沒有發(fā)生滲流，也沒有任何變形或故障，表明熱虹吸冷卻器產(chǎn)生的牢固凍結(jié)明顯提高了壩體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

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[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.