凍結(jié)層上水地區(qū)實(shí)用排水措施

維克多·瓦西里耶維奇·舍佩廖夫 著；戴長雷，李卉玉 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.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究所凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000；5.黑龍江省寒地建筑科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

凍結(jié)層上水地區(qū)實(shí)用排水措施

維克多·瓦西里耶維奇·舍佩廖夫1著；戴長雷2,3,4，李卉玉2,5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.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究所凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000；5.黑龍江省寒地建筑科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

研究凍結(jié)層上水地區(qū)實(shí)用排水措施對(duì)解決凍土地區(qū)居民因凍結(jié)層上水而帶來的諸多不便問題具有重要的作用。本文通過以建在永久凍土上最大的城市——雅庫茨克市為例進(jìn)行說明，指出了：(1)永凍區(qū)土壤浸沒問題給許多居民帶來諸多不便；(2)永凍區(qū)土壤浸沒主要是人們?cè)诮ㄔO(shè)大量砌體結(jié)構(gòu)房屋的同時(shí)，還對(duì)道路進(jìn)行改造，鋪澆瀝青而造成的；(3)礦化凍結(jié)層上水的危害主要為其在多年凍土層下的滲漏引發(fā)的濕陷現(xiàn)象和其的廣泛分布使城區(qū)無法進(jìn)行綠化；(4)永凍區(qū)城市排水要求為應(yīng)從凍土、水文地質(zhì)和工程地質(zhì)角度綜合考慮，提出合理科學(xué)依據(jù)，制定實(shí)用的保護(hù)措施；(5)永凍區(qū)城市排水技術(shù)方案構(gòu)建時(shí)建議形成統(tǒng)一的相互聯(lián)系的收集雨水和凍結(jié)層上水的三級(jí)排水系統(tǒng)。

土壤浸沒；排水；永凍區(qū)；凍結(jié)層上水；雅庫茨克市

1 永凍區(qū)土壤浸沒問題

如今，凍土地區(qū)的許多居民區(qū)正經(jīng)歷著被凍結(jié)層上水浸淹帶來的諸多不便。這個(gè)問題產(chǎn)生的嚴(yán)重性讓我們以目前建在永久凍土上最大的城市——雅庫茨克市為例進(jìn)行說明。

在雅庫茨克地區(qū)，土地受到浸淹已不新鮮。自20世紀(jì)60年代，從大規(guī)模開發(fā)建設(shè)開始，到設(shè)施完備砌體結(jié)構(gòu)建筑投入使用后，這類問題就紛紛涌現(xiàn)。由于生活、生產(chǎn)用水總量增加，外部供水、供暖系統(tǒng)、管網(wǎng)的擴(kuò)大，導(dǎo)致每年持壓管線發(fā)生故障滲漏的總量持續(xù)增加。

隨著多層住宅和工業(yè)建筑建設(shè)的規(guī)模擴(kuò)大和節(jié)奏加快，開發(fā)建設(shè)湖泊洼地的空地成為必然。這些湖泊洼地多為U型洼地。人們把填平洼地、建設(shè)房屋作為首選，這給城市內(nèi)自然排水帶來困難[1-4]。

2 永凍區(qū)土壤浸沒原因

在建設(shè)大量砌體結(jié)構(gòu)房屋的同時(shí)，人們還對(duì)道路進(jìn)行改造，鋪澆瀝青路基，在雅庫茨克市特殊的氣候和凍土條件下，路基起到了低溫阻塞物的作用，完全切斷了城市區(qū)域凍結(jié)層上水的徑流通道。這些水的分布呈點(diǎn)狀。除此之外，道路鋪澆瀝青，建筑物四周與房屋下面的空地澆筑混凝土，這也從根本上減少了水分的蒸發(fā)，大大減少了城市區(qū)域水平衡的支出項(xiàng)。

雅庫茨克市區(qū)發(fā)生浸淹，促使有害低溫作用的形成與發(fā)展，如熱潛蝕、熱侵蝕、凍脹、熱喀斯特等作用，它們對(duì)房屋、公路構(gòu)筑物、地下管道、及其他類工程的地基穩(wěn)定性造成了負(fù)面影響(見圖1)。

雅庫茨克市由于供熱系統(tǒng)大范圍漏水，造成侵蝕加快，導(dǎo)致瀝青路的毀壞圖1 瀝青路毀壞圖

3 礦化凍結(jié)層上水的危害

在礦化的凍結(jié)層上水分布地區(qū)，低溫作用發(fā)展得更為迅速。這些水在多年凍土層下的滲漏引發(fā)了濕陷現(xiàn)象，以面的形式發(fā)展，加大了市區(qū)沼澤化程度，并形成熱喀斯特湖。因此，最近十年內(nèi)，在城市西北，形成了一個(gè)很大的湖，被稱為新湖。由于熱侵蝕作用，這個(gè)湖底以每年2～4 cm速度下降。而湖面則以1.5～2.0 m/a的速度持續(xù)不斷地縮小[5-7]。

礦化的凍結(jié)層上水的廣泛分布也是城區(qū)無法進(jìn)行綠化的主要原因之一，當(dāng)植物根部生長到這一水位時(shí)，植物就會(huì)死亡。這些植物只在有排水的地方才能存活(如沿城市防護(hù)堤，在鋪設(shè)有地下疏水集管的街道上，在勒娜河第二階地的高處等)。

4 永凍區(qū)城市排水要求

雖然雅庫茨克市區(qū)浸潤和受淹問題早在40 a前就已出現(xiàn)，但這一問題沒有根本解決。設(shè)置在城市街道旁的路面敞開式混凝土排水溝，由于在建設(shè)時(shí)沒有考慮到氣候特點(diǎn)、凍土水文地質(zhì)、地貌條件的影響，導(dǎo)致這些排水溝不能實(shí)現(xiàn)排水功能，而很快就被破壞掉，變成垃圾場(chǎng)(見圖2)。由于沒有組織地收集和排出由屋頂流下的大氣降水，加劇了凍結(jié)層上水入滲，使居民區(qū)內(nèi)受淹，出現(xiàn)房屋與建筑物地基不均勻沉降和變形。

由于降雨，下水道水位發(fā)生變化，導(dǎo)致裸露在外的混凝土受到破壞和變形，由此引起了季節(jié)性膨脹和土壤的塌陷圖2 路面敞開式混凝土排水溝破壞圖

唯一被廣泛應(yīng)用的防止城區(qū)受浸淹的方法是采用外運(yùn)土來填筑。因此，在每一份總平面圖中都有一條標(biāo)準(zhǔn)說明：“當(dāng)建筑時(shí)，必須全部或選擇性地進(jìn)行填筑。”依照這一建議，施工人員采用外運(yùn)土對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行填筑，而不考慮總的城市規(guī)劃，不遵守統(tǒng)一標(biāo)高，以及地表水、凍結(jié)層上水水流方向的坡度。因此一些舊建筑，特別是建在私人地塊上的舊建筑，就處在了人為制造出的洼地上，凍結(jié)層上水加重了它們受浸淹的程度。在城市道路和設(shè)施完善改造時(shí)，也會(huì)大量采用外運(yùn)土進(jìn)行填筑的方法。例如，在一些道路的路基剖面，澆筑了多層瀝青，這些瀝青層之間被外運(yùn)土層分隔，這就導(dǎo)致個(gè)別路面的高度相當(dāng)于舊房屋屋頂一樓的高度。

所有上述所說無疑說明，必須立即采取有效措施，解決城區(qū)排水問題，否則危機(jī)很快轉(zhuǎn)變成災(zāi)難。

目前，無論是在雅庫茨克市，還是其他位于多年凍土區(qū)的大型居民區(qū)，防止區(qū)域受浸淹的工作變得愈加困難，其主要原因如下。

(1)由于嚴(yán)寒的氣候條件和復(fù)雜的凍土水文地質(zhì)條件，無法采用標(biāo)準(zhǔn)定型的排水結(jié)構(gòu)物和雨水排出系統(tǒng)。

(2)區(qū)內(nèi)的工程建設(shè)，包括地下電纜設(shè)施、水持壓管道、天然氣和其他城市管網(wǎng)，大大增加了排出凍結(jié)層上水最優(yōu)方案的應(yīng)用難度。

在學(xué)前兒童體育游戲創(chuàng)編活動(dòng)實(shí)際設(shè)計(jì)中，要先以體質(zhì)健康和心理健康為主導(dǎo)制定游戲目標(biāo)和任務(wù)，再利用幼兒園資源，挖掘一些可用的體育游戲素材，實(shí)施游戲[1]。如，親子游戲、灌籃高手低級(jí)版游戲等等。同時(shí)，在體育游戲內(nèi)容選擇上，要注重游戲內(nèi)容可拓展性和思想教育性，并根據(jù)學(xué)前兒童年齡差異，確定具體的體育游戲內(nèi)容。比如，對(duì)于小班的兒童，可以簡單的體力、智力體育游戲?yàn)橹?。?duì)于中班的兒童，可以體力、協(xié)調(diào)力游戲?yàn)橹?。?duì)于大班幼兒，可以智力游戲?yàn)橹?，在體育游戲中發(fā)展幼兒思維水平。具體的學(xué)前兒童體育游戲創(chuàng)編活動(dòng)內(nèi)容選擇如下所示：

(3)按照保持凍土凍結(jié)狀態(tài)原則建造的房屋、路基，及施工場(chǎng)地填筑對(duì)凍結(jié)層上水徑流有很高的調(diào)節(jié)作用，這使得排水設(shè)施完成其正常的功能變得困難。

(4)由于生活生產(chǎn)用水量的不斷增加，使現(xiàn)有的城市排水管道疏水負(fù)荷過重，無法將水全部及時(shí)排出。

(5)凍結(jié)層上水在所謂的“文化層”發(fā)揮著作用?！拔幕瘜印笔侵覆捎猛膺\(yùn)土覆蓋在各種垃圾堆、污水坑、廢棄的坑洞、甚至古老的墳地上?！拔幕瘜印蓖寥罎B透性不均給排水系統(tǒng)的運(yùn)行造成極大的困難。此外，其鹽漬化程度高，腐蝕性強(qiáng)，被污染的有毒和含有細(xì)菌的凍結(jié)層上水不允許未經(jīng)預(yù)先凈化直接排向城市地表水流和水池中。

(6)從冬季到春夏季，因持壓管線的故障滲入到土壤中的水，額外補(bǔ)給了凍結(jié)層上水，并進(jìn)行了再分配。冬季，幾乎所有因故障發(fā)生滲漏的水全部聚積、凍結(jié)，形成人為的冰椎。在暖季，它們的融化增加了水平衡中的收入項(xiàng)，增大了城區(qū)浸潤程度。根據(jù)觀測(cè)結(jié)果，在雅庫茨克市區(qū)，冰椎融化徑流層厚度每年平均為55 mm，個(gè)別區(qū)域達(dá)到200 mm/a[8]。

上述存在的問題表明，在凍土地區(qū)防治被建區(qū)域浸潤和受淹工作具有極大的難度，同時(shí)也說明應(yīng)從凍土、水文地質(zhì)和工程地質(zhì)角度綜合考慮，提出合理科學(xué)依據(jù)，制定實(shí)用的保護(hù)措施。

5 永凍區(qū)城市排水技術(shù)方案

根據(jù)上文所述：探明在多年凍土中，包氣帶的水分變化具有特殊性和凍結(jié)層上水形成規(guī)律和情勢(shì)變化規(guī)律，建議在已建設(shè)區(qū)域采用綜合的排水系統(tǒng)[9-11]。

這套排水系統(tǒng)把雨水和季節(jié)融化層凍結(jié)層上水排水相結(jié)合起來，同時(shí)考慮地表雨水徑流和凍結(jié)層上水徑流之間的密切關(guān)系。

實(shí)用綜合排水系統(tǒng)主要包括：總排水管、主(街道)排水管和分區(qū)(街區(qū)內(nèi))排水管(見圖3)。

圖3 自排水泵建設(shè)區(qū)地上凍土匯流綜合示意圖

總排水管：鋪設(shè)總排水干管是第一步，目的是將水從疏水區(qū)域引出?？偱潘軕?yīng)沿主街道，按著地面的自然坡度進(jìn)行鋪設(shè)。

總排水管應(yīng)采取暗埋形式，是為了延長其使用年限，同時(shí)保證安全有效地收集和排出疏水區(qū)域雨水和凍結(jié)層上水。暗埋式的總管可以設(shè)置在地下深處(達(dá)到4.5～6.5 m)，進(jìn)而保證自流入和自流出?？偣苌厦娓采w滲透性較好的土(碎石、礫石)。

該總排水管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(圖4)是直徑不小于800～1000 mm陶瓷管或聚合物管材。管子上半部分鑿有圓形孔或條形孔，上面覆蓋過濾性功能的材料(玻璃纖維，巖棉)。這樣的結(jié)構(gòu)可以保證總管發(fā)揮其疏水功能。管子下半部分不用鑿孔，便于水排出。春季時(shí)，當(dāng)融化雪水進(jìn)入總管內(nèi)，而周圍土溫處于0 ℃以下，為防止其在總管內(nèi)凍結(jié)，應(yīng)在總管內(nèi)鋪設(shè)加熱電線。

圖4 狹縫中排水收集器的設(shè)計(jì)模式圖

為了保證水沿著總排水管自由排出，必須配置專門的配給容器(見圖5)。配給容器的結(jié)構(gòu)能夠保證必要的坡度，使水流在總管內(nèi)順暢通過。在暴雨期或當(dāng)融化雪水徑流加大時(shí)，可以抽出配給容器內(nèi)的水。此外，利用這些配給容器，可以對(duì)整個(gè)排水系統(tǒng)進(jìn)行冬期前維護(hù)。在冬季初，用泵將配給容器內(nèi)的水抽出，配給容器之間的距離應(yīng)保證水自流保持一定坡度(不小于0.005)。

圖5 地下排水管道的泄流能力圖

主(街道)排水管：收集雨水徑流和凍結(jié)層上水徑流，并將其引至總排水管。結(jié)構(gòu)上，主排水管與總排水管可能相同，區(qū)別只是前者管徑小些(300～500 mm)。

街道排水管應(yīng)配有加熱電線，用來融化在冬季和春季時(shí)可能在管內(nèi)結(jié)的冰。沿著街道排水系統(tǒng)也可以配置小尺寸的配給容器，為雨水和凍結(jié)層上水流動(dòng)創(chuàng)造必要的坡度。

分區(qū)(街區(qū)內(nèi))排水管：收集街區(qū)和各個(gè)大型建筑物的雨水和該處的凍結(jié)層上水，并將它們引向主(街道)排水管。結(jié)構(gòu)上無異于總排水管和街道排水管，只是分區(qū)排水管直徑更小些(100～200 mm)。分區(qū)排水管可以圍繞單棟建筑物，這時(shí)分區(qū)排水系統(tǒng)不僅要排出來自屋頂?shù)乃鳎€要排出持壓管線可能因故障發(fā)生滲漏的水流。

總之，為了解決凍土地區(qū)疏水這一難題，建議形成統(tǒng)一的相互聯(lián)系的收集雨水和凍結(jié)層上水的三級(jí)排水系統(tǒng)。這套系統(tǒng)的建立和正確使用可以有效地保護(hù)所有居民區(qū)或一部分區(qū)域免受浸潤、水淹和低溫災(zāi)害的威脅。應(yīng)當(dāng)指出，這套實(shí)用的排水系統(tǒng)也可以運(yùn)用到道路建設(shè)中，特別是在建設(shè)公路或鐵路排水設(shè)施時(shí)。同樣，這套排水系統(tǒng)也可在高含冰量的多年凍土分布地區(qū)和地下冰分布地區(qū)鋪設(shè)使用。

6 結(jié) 論

(1)永凍區(qū)(如雅庫茨克地區(qū))土壤浸沒問題給許多居民帶來諸多不便。

(2)永凍區(qū)土壤浸沒原因主要為：人們?cè)诮ㄔO(shè)大量砌體結(jié)構(gòu)房屋的同時(shí)，還對(duì)道路進(jìn)行改造，鋪澆瀝青。

(3)礦化凍結(jié)層上水的危害主要為：這些水在多年凍土層下的滲漏引發(fā)的濕陷現(xiàn)象和這些水的廣泛分布使城區(qū)無法進(jìn)行綠化。

(4)永凍區(qū)城市排水要求為：應(yīng)從凍土、水文地質(zhì)和工程地質(zhì)角度綜合考慮，提出合理科學(xué)依據(jù)，制定實(shí)用的保護(hù)措施。

(5)永凍區(qū)城市排水技術(shù)方案構(gòu)建時(shí)建議形成統(tǒng)一的相互聯(lián)系的收集雨水和凍結(jié)層上水的三級(jí)排水系統(tǒng)。

[1] Шепелёв В В, Шац М М.Геоэкологические проблемы обводнения и подтопления территории г. Якутск[J]. Наука и образование, 2000( 3)： 68-71.

[2] Шац М М. Экологические проблемы северных городов (на примере Якутска) [J].Экология и жизнь, 2008(12)：64-69.

[3] Шац М М, Сериков С И. Современное обводнение территории г. Якутска[J].Наука и образование,2009( 4)：162-172.

[4] Павлова Н А,Сериков С И. Роль техногенных барражей в системе формирования поверхностного стока на территории г. Якутска и их влияние на обводненность—Научное обеспечение решения ключевых проблем развития г. Якутска[M]. Якутск: Сфера, 2010：106-110.

[5] Григорьев М Н, Курчатова А Н, Аносова Л П. и др. Контроль состояния геотехнической системы Якутска на основе мерзлотно-геоморфологической систематизац-ии (Якутск — столица северной республики: глобальные проблемы градосферы и пути их решения. Ч. И.II) [M].Якутск: Фонд“Традо- сфера”,1997: 31-39.

[6] Шепелёв В В. К понятию о криолитосфере Земли[M].Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО РАН, 1997: 80.

[7] Шепелёв В В. Гидрогеологические особенности района Якутска и основные проблемы борьбы с подтоплением территории // Материалы науч.-практ. конф. “Якутск - столица северной республики”[M]. Якутск: Фонд “Градосфера”, 1997： 51-56.

[8] Курчатова А Н. Влияние техногенных наледей на засоление литогенной осно-вы городских ландшафтов Якутска // Криолитозона и подземные воды Си-бири. Ч, II. Подземные воды и наледи[M]. Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО РАН, 1996： 95-105.

[9] Шепелёв В В. Особенности взаимосвязи подземных и поверхностных вод // Теплообмен в мерзлотных ландшафтах Восточной Сибири и его факторы[M].Тверь: Триада, 2007:27-28.

[10] Шепелёв В В. О системе инженерной защиты территории г. Якутска от опасных техноприродных процессов—Материалы годичной сессии Науч. совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии. - М.: ГЕОС, 2007: 423-426.

[11] Шепелёв В В, Попенко Ф Е.Об инженерной защите территории г. Якутска от подтопления и обводнения[J]. Наука и техника в Якутии,2007(2):15-18.

Practical drainage measures in the suprapermafrost water in the cryolithozone

Written by Viktor Vasilievich Shepelev1; Translated by DAI Changlei2,3,4, LI Huiyu2,5

(1.MelnikovPermafrostInstituteSiberiaBranchoftheRussianAcademyofSciences,Yakutsk677010,Russia;2.InstituteofGroundwaterinColdRegion,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China;3.SchoolofHydraulic&Electric-power,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China;4.StateKeyLaboratoryofFrozenSoilEngineering,NorthwestEnvironmentalResourcesResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,LanzhouGansu730000,China;5.InstituteofArchitectureScienceinColdRegion,Heilongjiang,Harbin150080,China)Abstract：It is very important to study the practical drainage measures in the suprapermafrost water in the cryolithozone to solve the problem which makes residents inconvenient because of the suprapermafrost water in the cryolithozone. By taking the example of Yakutsk, the largest city built on the permafrost, it points that: (1)The soil submergence in the permafrost zone brings many inconveniences to many inhabitants; (2)The soil submerged in the permafrost zone is mainly caused by the construction of a large number of masonry structures and the renovation of the roads and the pouring of asphalt. (3)The damage of the mineralized suprapermafrost water in the cryolithozoneis mainly caused by the seepage under the permafrost layer and its widespread distribution, which makes the urban area unable to be afforested;(4)The requirements of urban drainage in the permafrost zone are as follows: think from the perspective of frozen soil, hydrogeology and engineering geology, put forward reasonable scientific basis and work out practical protective measures; (5)In the construction of the urban drainage scheme in the permafrost zone, it is suggested to form a unified three-stage drainage system with interrelated collection of rainwater and frozen water.

soil erosion; drain; permafrost zone; the suprapermafrost water in the cryolithozone; the city of Yakutsk

凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(NO.SKLFSE201310)；黑龍江省水文局項(xiàng)目(NO.2014230101000411)

維克多·瓦西里耶維奇·舍佩廖夫(1941-)，男，教授，主要從事寒區(qū)地下水相關(guān)方向的科研和教學(xué)工作。

譯者簡介:戴長雷(1978-)，男，教授，主要從事寒區(qū)地下水及國際河流方向的教學(xué)和科研工作。

P642.14;P641

A

2096-0506(2016)12-0022-05