魯?shù)婪颉じダ琢_維奇·張 著；戴長(zhǎng)雷，李卉玉，王 帝 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(guó) 雅庫(kù)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.黑龍江大學(xué)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；5.黑龍江省寒地建筑科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

對(duì)俄羅斯西伯利亞典型高寒區(qū)土壩的溢洪道附近土體進(jìn)行分階段動(dòng)態(tài)分析研究，不僅得到了多年凍土條件下的結(jié)構(gòu)在10 a運(yùn)行期間溫度動(dòng)態(tài)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)其溫度應(yīng)力呈現(xiàn)出接近周期性穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)典型高寒區(qū)土壩溢洪道的溫濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析發(fā)現(xiàn)，在多年凍土地區(qū)建立的溢洪道附近土體發(fā)生了位移，并且在溢洪道側(cè)墻與壩體連接處出現(xiàn)了明顯裂縫。對(duì)此進(jìn)行了分析與說(shuō)明，解釋了裂縫出現(xiàn)的原因。

1 溢洪道側(cè)墻周圍土體溫度監(jiān)測(cè)

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

土體溫度動(dòng)態(tài)變化表明，溢洪道周圍土體中會(huì)形成極冷區(qū)域。溫度梯度在10月(傳感器安裝的初始時(shí)刻)達(dá)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(jié)過(guò)程中發(fā)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(gè)5 m厚的土層中，平均溫度達(dá)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(kāi)始解凍。5月中旬時(shí)，厚度為0.5 m的土層溫度梯度達(dá)到15 ℃/m。

地基實(shí)測(cè)與預(yù)測(cè)的溫度變化有著相同的趨勢(shì)，只是溫度的數(shù)值稍有不同：在壩頂處，冬季溫度較低而夏季較高，圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)地基溫度動(dòng)態(tài)變化有明顯的影響，使地基溫度變化較為平穩(wěn)。在一個(gè)長(zhǎng)期的凍融循環(huán)過(guò)程中(1989—1994年期間)形成了凍結(jié)的心墻。在水平方向距側(cè)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(cè)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(guò)幾年的研究得出有凍結(jié)心墻的土壩更加穩(wěn)定的結(jié)論。

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

在有圍護(hù)結(jié)構(gòu)下的多年凍土地基溫度場(chǎng)對(duì)于溫度應(yīng)力動(dòng)態(tài)的研究具有重要意義。即使對(duì)于一個(gè)很小的結(jié)構(gòu)，溫度應(yīng)力的大小也取決于諸多因素，例如積雪厚度、濕度、接觸區(qū)域的熱量交換率等。根據(jù)俄羅斯工程歷史資料可知1988年秋季圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工結(jié)束時(shí)，測(cè)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?yōu)?0.3 ℃。然而在這種溫度下，冰晶與其包裹的細(xì)粒砂之間會(huì)發(fā)生熱量交換，所以在第一個(gè)冬季并未完全凍結(jié)土層。1989年夏季，地基發(fā)生進(jìn)一步融化，凍結(jié)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(jié)水位說(shuō)明了融化深度的不均勻性，多年凍土溫度不隨年內(nèi)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(dòng)態(tài)變化如圖2所示，圖2表明最劇烈的熱交換過(guò)程發(fā)生在溢洪道運(yùn)行的第一年，水庫(kù)中一年四季都有液態(tài)水，這使得多年凍土向圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)展。

在沒(méi)有積雪的冬季，圍護(hù)結(jié)構(gòu)下也可以形成凍結(jié)巖心。由于閘門(mén)抬升會(huì)伴有劇烈的空氣流動(dòng)，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(jié)厚度不超過(guò)防滲裝置的范圍。即結(jié)構(gòu)的穩(wěn)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(shuō)明盡管水庫(kù)一年四季都有水存在，但溢洪道仍然是凍結(jié)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(jīng)過(guò)十多年的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，溢洪道溫度呈現(xiàn)出周期性，溢洪道本身已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。計(jì)算機(jī)建?？梢灶A(yù)測(cè)其達(dá)到完全穩(wěn)定的具體時(shí)間。對(duì)溢洪道周圍溫度狀況的監(jiān)測(cè)主要結(jié)果如下：

(1)得到了多年凍土條件下的結(jié)構(gòu)在10 a運(yùn)行期間溫度動(dòng)態(tài)，并且呈現(xiàn)出接近周期性穩(wěn)定狀態(tài)。

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

(3)溢洪道側(cè)墻在第一年冬季凍結(jié)，僅在水庫(kù)運(yùn)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(wěn)定區(qū);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(gè)新的熱力學(xué)狀態(tài)，在該條件下冬季凍結(jié)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(zhǎng)的周期內(nèi)，溫度區(qū)間的動(dòng)態(tài)變化能夠證明，若將防滲裝置深入地基基礎(chǔ)和堤防，則更有助于開(kāi)發(fā)新防滲模式和改善涵洞現(xiàn)有結(jié)構(gòu)。

2 溢洪道周圍土體濕度監(jiān)測(cè)

溢洪道在運(yùn)行過(guò)程中，土體水分、容重的分布是一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題[2]。雅庫(kù)特索拉河Khorobut盆地灌溉系統(tǒng)鋼筋混凝土溢洪道右側(cè)濕度和容重的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)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?yàn)榇嬖诙喾N礫石和碎石。除了溢洪道側(cè)墻外，不可能找到任何土體濕度的規(guī)律與之匹配(見(jiàn)表2)。但總的來(lái)說(shuō)，考慮到通過(guò)溢洪道和土體凍融過(guò)程的水位情況，我們可以做出如下假設(shè)：

在運(yùn)行3 a的溢洪道中，距側(cè)墻0.5 m處，濕度在1～2 m深度范圍內(nèi)增加了7%～8%，從第四年開(kāi)始出現(xiàn)了濕度降低的趨勢(shì)。土體濕度在5～6 m深度范圍內(nèi)增加了22%～24%，這是由于存在恒定的水分來(lái)源(季節(jié)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(shí)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(cè)墻有弱化的趨勢(shì)[3]。這些弱化區(qū)很可能會(huì)發(fā)生凍裂破壞，需要進(jìn)一步研究。

Kergelehkh河Orosuno-Negedyakh流域灌溉系統(tǒng)主要調(diào)節(jié)河岸右側(cè)的排水物理力學(xué)特性，研究成果見(jiàn)表3，圖4展示了洞口位置、墻面方案、取樣地點(diǎn)和洞室照片。

表1 Khorobut盆地灌溉系統(tǒng)溢洪道右側(cè)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(tǒng)的土體物理力學(xué)性質(zhì)的取樣地點(diǎn)

土壤是一種多孔結(jié)構(gòu)，具有以下特征：液限為31.5%，塑性極限為19.0，塑性指數(shù)為12.5[4]。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了溢洪道側(cè)墻存在凍結(jié)巖心，外部保護(hù)層產(chǎn)生了一條寬2 cm深1.5 m清晰可見(jiàn)的裂縫。與保護(hù)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(jiān)測(cè)中可以看出，當(dāng)排水調(diào)節(jié)器移開(kāi)時(shí)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(jiàn)表3)，在距地表2 m處土層容重從1.94 g/cm3變?yōu)?.84 g/cm3。

表3 1995年7月29日Verkhneviluisky地區(qū)的Orosuno-Negedyakh流域灌溉系統(tǒng)，由預(yù)制鋼筋混凝土制成的排水調(diào)節(jié)器在溢洪道右側(cè)探測(cè)洞測(cè)得數(shù)據(jù)

續(xù)表3

續(xù)表3

3 溢洪道周圍土體形變動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與分析

溢洪道周圍土體變形及其壓力關(guān)系的實(shí)驗(yàn)成果與預(yù)測(cè)結(jié)果相吻合，表明最活躍的過(guò)程發(fā)生在濕熱區(qū)域形成的第一年。圖5顯示了索拉河Khorobut流域灌溉系統(tǒng)鋼筋混凝土溢洪道周圍土體的變形和土壓力的動(dòng)態(tài)變化?？紤]到第一年運(yùn)行，按條件分為四個(gè)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(jié)，礦物顆粒向溢洪道側(cè)墻移動(dòng)，導(dǎo)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(xù)降低(溫度達(dá)到-30 ℃)，其余的自由水和未凍水也會(huì)結(jié)冰，導(dǎo)致土體體積急劇膨脹，顆粒進(jìn)一步向溢洪道移動(dòng)。同時(shí)深部土體由于壓力增大會(huì)導(dǎo)致礦物顆粒和冰的體積減

1.變形傳感器放置地點(diǎn)的地溫，℃；2.距側(cè)墻40 cm處的土壤的變形；3.距側(cè)墻15 cm處的土壤的變形；4.側(cè)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(dòng)態(tài)變化

少。這些變形是逐漸積累起來(lái)的，在2月底—3月初將會(huì)在溢洪道周圍引起土體運(yùn)移。溢洪道周圍土壓力降至0。第三階段，當(dāng)土體溫度從-30 ℃上升到0 ℃時(shí)，土體礦物顆粒的溫度變形將會(huì)導(dǎo)致顆粒向溢洪道附近移動(dòng)。最后，發(fā)生在5月底的第四階段，當(dāng)土體溫度升高到0 ℃以上時(shí)，顆粒繼續(xù)向溢洪道附近運(yùn)動(dòng)，直到到達(dá)第一階段結(jié)束的狀態(tài)。溢洪道附近土體移動(dòng)的最大距離為1.0 mm。觀測(cè)周期為1 a，之后因洪水導(dǎo)致傳感器故障而中斷。

下一個(gè)觀測(cè)周期在1991年測(cè)量設(shè)備更新后開(kāi)始，到1993年結(jié)束，共持續(xù)了3 a時(shí)間。

如下為3 a的土體變形動(dòng)態(tài)：在1991—1992年冬季，土體顆粒運(yùn)動(dòng)總體趨勢(shì)是從溢洪道移動(dòng)到土壩堤防。從1992年4月中下旬開(kāi)始進(jìn)入春季，土體開(kāi)始向溢洪道移動(dòng)。到1993年，這種從溢洪道向堤岸移動(dòng)的趨勢(shì)保持不變。值得注意的是，朝堤岸移動(dòng)的土體顆粒沒(méi)有回到先前的狀態(tài)，因此證實(shí)了溢洪道附近的土體運(yùn)移。

1991年9月開(kāi)始對(duì)溢洪道土壓力動(dòng)態(tài)進(jìn)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(wú)規(guī)律性。

對(duì)1.0 m、2.5 m、3.5 m和4.5 m深度處土體凍結(jié)過(guò)程中壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。11月時(shí)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(cè)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(shí)期的土體溫度資料進(jìn)行比較，注意到溢洪道附近土體正在移動(dòng)，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(nèi)其均值下降到0.5 kg/cm2。從4月中旬受到變形過(guò)程影響開(kāi)始在溢洪道的壓力就開(kāi)始增加。在深度為1.0～2.5 m時(shí)，壓力均值增加到1.0 kg/cm2，在3.5～4.0 m深度時(shí)，壓力增加到1.5 kg/cm2。4月初，由于太陽(yáng)輻射增強(qiáng)致使表面黑化(道路越過(guò)溢洪道)增加，雪開(kāi)始融化。白天，水進(jìn)入土體和墻壁之間的間隙，到晚上凍結(jié)，從而產(chǎn)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(wěn)定，一直到夏季，期間平均壓力為1.2 kg/cm2。脫水過(guò)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(jié)，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(jié)這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)土體和結(jié)構(gòu)相互作用是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，它取決于許多因素。

在溢洪道附近土體凍結(jié)后的第一年，觀測(cè)到溢洪道上的土體有運(yùn)移現(xiàn)象(見(jiàn)圖6)。在隨后的幾年里，季節(jié)性解凍后，土體與溢洪道側(cè)墻之間的間隙可以被流動(dòng)的土體填滿。同時(shí)，在長(zhǎng)達(dá)幾年的循環(huán)中，與冷凍的第一年發(fā)生了相同的過(guò)程，但它們更平滑且具有更小的壓力。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程證實(shí)了我們對(duì)于承壓結(jié)構(gòu)中土體運(yùn)移的假設(shè)。該結(jié)構(gòu)在運(yùn)行第一年的大規(guī)模損壞可以用土體運(yùn)移來(lái)解釋，而這一點(diǎn)也得到了調(diào)查的證實(shí)。在自然條件下，首次獲得了在濕熱狀態(tài)形成過(guò)程中溢洪道附近的變形值和土壓力值，這些數(shù)據(jù)可解決灌溉排水工程實(shí)際問(wèn)題。

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

4 結(jié) 論

在圍護(hù)結(jié)構(gòu)下多年凍土地基溫度場(chǎng)溫度應(yīng)力動(dòng)態(tài)的研究相當(dāng)重要，通過(guò)對(duì)俄羅斯西伯利亞典型高寒區(qū)土壩的溢洪道附近土體進(jìn)行分階段動(dòng)態(tài)分析研究發(fā)現(xiàn)，即使對(duì)于一個(gè)很小的結(jié)構(gòu)，溫度應(yīng)力也取決于諸多因素，例如積雪、濕度、接觸區(qū)域的熱量交換率等。而對(duì)溢洪道濕度和容重的長(zhǎng)周期溫度應(yīng)力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究發(fā)現(xiàn)，若將防滲裝置深入基礎(chǔ)和堤防，則更有助于開(kāi)發(fā)新防滲模式并改善涵洞現(xiàn)有結(jié)構(gòu)。溢洪道側(cè)墻壓力下土體變形的分階段動(dòng)態(tài)研究在自然條件下首次監(jiān)測(cè)到在濕熱狀態(tài)形成過(guò)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(xiàn)的原因和土壤運(yùn)移的原因。