凍融和水流對寒區(qū)土渠侵蝕試驗分析與設計

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)

凍融和水流對寒區(qū)土渠侵蝕試驗分析與設計

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)

凍融和水流對寒區(qū)土渠侵蝕作用是一個復雜的現(xiàn)象，其對永凍區(qū)的水利工程、農業(yè)灌溉等方面都具有重大的影響。通過凍融和水流對寒區(qū)土渠侵蝕試驗,對其作用規(guī)律展開研究，目的是通過試驗解決凍融和水流對寒區(qū)土渠侵蝕問題。指出：試驗是基于水流與土壤相互作用的復雜性，并對此定義出的4個研究方向：(1)河床穩(wěn)定性研究；(2)各行業(yè)松散物料的水運運輸；(3)沉積物的液壓挖掘；(4)永久凍土條件下自然侵蝕過程的研究為背景展開的。試驗的進行地域薩哈(雅庫特)共和國有3種開放的土體河渠用于灌溉：(1)流域灌溉系統(tǒng)的河渠；(2)灌溉河渠；(3)排水系統(tǒng)的河渠。試驗的目的是研究土體灌溉河渠與環(huán)境的相互作用過程，確定其不足的原因，并提出開發(fā)建議，以提高其運行的可靠性。設計試驗時采用Khalaany體系和Khorobut體系。

凍融；水流；侵蝕試驗；寒區(qū)土渠；薩哈(雅庫特)共和國

1 試驗背景

水流與土壤的相互作用通常是一個包括水力機械、物理、化學、物理機械及其他過程的復雜現(xiàn)象。

因此，從實踐的角度來看，可以在研究水流與土壤的相互作用中定義以下方向：

(1)河床穩(wěn)定性研究。這個方向的研究可用來開發(fā)最精細的計算方法，廣泛用于解凍分散土壤中灌溉土體河渠的設計。它開發(fā)的計算土體河渠穩(wěn)定河床的方法，目前有4種[1]：制度理論方法；最大界限剪切方法；容許速度方法；相似法。

Zamarin E A、Velikanov M A、Levi I I等對該方向的發(fā)展做出了重大貢獻。這些方法僅適用于解凍的土壤基質，但不考慮永久凍土基質[2-9]。

(2)各行業(yè)松散物料的水運運輸。這一實地研究大部分涉及松散材料在隧道中的水運運輸。以下人員的論文中提供了理論與實踐工作：Yufin A P、Traynis V V、Kuprin A I等[10-13]。

(3)沉積物的液壓挖掘。該領域主要涉及采用解凍土壤井下法的采礦作業(yè)，并在Arens V Z、Ismatilova B V、Friedman B E等人的論文中進行了綜述，而且Shpack V M、Kuzmin G P、Yakovlev A V在院士Melnikov P I的指導下，得出了適用于永久凍土條件的方法[14-18]。

Friedman B E、Khnykin V F、Shorokhov S M關于多孔隙巖石的論文非常值得探究。在開發(fā)永久凍土條件下的礫石沉積物時，熱物理學方面是非常重要的。Pavlov A V、Perlstain G Z、Peristain G Z等人的著作中給出了反映位于俄羅斯北部和東北部地域條件下礦物開采熱物理學方面的理論[19-25]。

(4)永久凍土條件下自然侵蝕過程的研究。這個分支對自然條件下的景觀形成研究頗有建樹。它有以下幾個方面：熱物理學、物理機械學、水文學和地質地理學。莫斯科國立大學的Ershov E D、Konstantinova G S、Zamolotchikova S A等科學家對永久凍土條件下自然侵蝕進行了大量的實驗和實地研究[26-29]。

在河岸、水塘和水庫侵蝕研究中發(fā)現(xiàn)了相當多的事實。這個過程的現(xiàn)代化概念主要是由Are F E、Konstantinov I P、Tomirdiaro S V等永久凍土研究所成員開發(fā)的[30-35]。

“空氣-永久凍土”邊界熱交換過程的研究主要是解決礦產業(yè)開放地區(qū)覆蓋層的問題。主要關注提高凍土凍結速度，這個過程是基于熱平衡法。

永久凍土中水流與凍結、正在解凍和已解凍土壤之間的熱交換過程存在的問題，可分為死水塘中的熱交換和凍結河岸與河流、海洋、大型水庫之間的相互作用，以及在水力侵蝕場中各種解凍土壤類型與水流之間的熱交換。第一種情況下，Tomirdiaro S V、Are F A、Feldman C M等人收集了大量的理論和實地資料。馬加丹科學家Goldman V G、Chistopolsky S D、Lavrov N V等人對第二種情況進行了研究[36-42]。

從永久凍土條件下灌溉土體河渠的具體特征來看，河床穩(wěn)定性中最重要的作用是水道和空氣流通道的熱交換過程。永久凍土研究所的實驗研究表明，即使在非常慢的速度下，水溫在0.5～10 ℃左右，凍土也受到水流的侵蝕。此外，大家都清楚解凍土壤的厚度和濕度對于解凍土壤顆粒的穩(wěn)定性非常重要。根據(jù)Mirtskhulava C E的說法，由于水層的負荷影響，黏性土壤的沖刷阻力增加。同時對于永久凍土體，其表面某些解凍了的土層中水蒸氣的存在會大大降低凍結區(qū)的熱流，從而保持凍結狀態(tài)。一般來說，河床的穩(wěn)定性取決于土壤解凍的最大深度，例如存在于河渠底部和斜坡下的冰楔情況。季節(jié)性凍土的解凍深度可以通過河渠灌溉和水流大小來控制[43-46]。

研究設計、施工和運行問題的條件，以及對土體河渠與環(huán)境相互作用領域的研究工作及主要方向，讓我們制定了研究的目標和問題。

2 薩哈(雅庫特)共和國灌溉河渠

薩哈(雅庫特)共和國有3種開放的土體河渠用于灌溉：流域灌溉系統(tǒng)的河渠；灌溉河渠；排水系統(tǒng)的河渠。

淺谷河流或洼地凹陷的具體特點規(guī)定了第一類河渠。這類河渠適用于流域灌溉系統(tǒng)。沿洼地的底部運行的河渠在河口被淹沒的時候會下沉。灌溉后，當灌溉水從灌溉地中排出時，河渠的作用就是排水。一般來說，對河渠的要求不高。

第二種用于農田澆水和灌溉。水可以在短時間內(例如春季流域灌溉)和長時間(例如在植物植被的所有時期內)內都可以留在河渠中。

第三類河渠主要用于淺谷河流和洼地積水地面的排水。這個體系的具體特點是，在排水之后，它們作為灌溉用水通過其向灌溉地提供水之后又作為排水路線，因此與流域灌溉河渠相似。

根據(jù)地形條件，河渠是在凹陷、切割和填充、土堆處筑成。

根據(jù)永久凍土地質條件，河渠運行于在相對有利的條件下，當土壤通過解凍穩(wěn)定的分散沉積物呈現(xiàn)時；在絕對不利的條件下，當它們在具有富含冰的土壤和冰楔的所謂的冰層的沉積物中筑成時。

觀察一些薩哈(雅庫特)共和國灌溉系統(tǒng)證明，運行過程中的土體工程發(fā)生相當大的變形。設計與勘探工作分析表明：在永久凍土條件下，沒有土體河渠設計、建造和運行有關的規(guī)范性文件；河渠河道的設計完成，不考慮河渠運行過程中發(fā)生的解凍、凍結和凍土的建筑現(xiàn)場和過程的地質條件，以及其與水和空氣的相互作用。

3 試驗目的確定與試驗方案設計

分析土壤與環(huán)境相互作用的實地研究工作主要方向、解凍和凍土侵蝕特征、熱濕土壤體系及其對季節(jié)性解凍深度的影響，以及設計條件、建筑和運行問題，定義了研究的目標、問題和研究準備工作。

研究目標是研究土體灌溉河渠與環(huán)境的相互作用過程，確定其不足的原因，并提出開發(fā)建議，以提高其運行的可靠性。

為了達到這個目標，必須解決一些問題：積極開展農田灌溉河渠區(qū)域的實地觀察活動；在自然條件下研究土體河渠的熱濕狀況；考慮到運行狀況的具體特征，研究自然條件下土體河渠的熱交換過程。

除研究流域灌溉河渠之外，Khalaany和Khorobut還對土體河渠熱濕狀況進行詳細的實地觀察，并對水與空氣流和河床之間的熱交換過程進行研究。

Khalaany體系的研究包括：溫度測量、河渠內和未受干擾地點的土壤溫度、河渠和淹水區(qū)的水溫和深度、風速、積雪覆蓋厚度、季節(jié)性土壤解凍動力學的觀測。

Khalaany渠上溫度監(jiān)測井的布置和流域灌溉系統(tǒng)(壩址處)概貌如圖1、圖2所示。

圖1 Khalaany干渠上溫度監(jiān)測井的布局

1—溫度監(jiān)測井(孔)；2—黏土；3—亞黏土；4—砂礫；5—冰楔；6—滑動土體圖2 Khorobut流域灌溉干渠橫斷面監(jiān)測孔布置圖

溫度測量采用溫濕度計、土壤溫度測量——通過MMT-1標記的熱敏電阻進行測量，該熱敏電阻嵌入特殊的橡膠頭蓋并排列成熱敏電阻串。使用常規(guī)技術以及使用在永久凍土研究所中制定的方法進行溫度測量[47]。

使用測量棒測量河渠的水深。水流速度采用常規(guī)水文法通過CM-21標記電流表進行測定；風速由ASO-3標記的手持式風速計進行測量。

1985年4月28日—5月25日，每5 d觀察一次。以后的測量是在1985年6月26日、1985年10月3日和1986年3月12日進行的。

在Khorobut體系中，觀測包括：空氣和水溫、土壤(底部、坡度)的梯度溫度測量、河渠影響區(qū)域以外的土壤溫度、干燥山坡和水下熱流、季節(jié)性解凍深度、水流深度及其速度、土壤濕度、雪情調查、空氣濕度。使用常用的水化學、放射測定法、土壤學和永久凍土研究技術進行觀測。

在尖木樁PC 1 + 63和PC 4 + 14處制作的2個地點進行了空氣溫度、熱流量、土壤溫度、水流和空氣流速的動態(tài)觀察。1986年4月27日—29日，當?shù)貢r間每天上午3時和9時、下午3時和9時，進行上述參數(shù)測量。梯度溫度觀測進行到3 m深處。1986年4月—12月，每月進行一次深度到10 m的關鍵孔的測量，1987—1990年期間，每年進行兩次深度到10 m的關建孔的測量。

Khorobut體系流域灌溉干渠橫斷面監(jiān)測孔布置圖和流域灌溉系統(tǒng)概貌如圖3、圖4所示。

圖3 Khalaany流域灌溉系統(tǒng)(壩址處)概貌

圖4 Khorobut流域灌溉系統(tǒng)概貌

4 結 論

(1)水流與土壤的相互作用通常是一個包括水力機械、物理、化學、物理機械及其他過程的復雜現(xiàn)象。并對此定義出的4個研究方向：河床穩(wěn)定性研究；各行業(yè)松散物料的水運運輸；沉積物的液壓挖掘；永久凍土條件下自然侵蝕過程的研究為背景展開的。

(2)薩哈(雅庫特)共和國有3種開放的土體河渠用于灌溉：流域灌溉系統(tǒng)的河渠；灌溉河渠；排水系統(tǒng)的河渠。

(3)試驗的目的是研究土地灌溉河渠與環(huán)境的相互作用過程，確定其不足的原因，并提出開發(fā)建議，以提高其運行的可靠性。

(4)設計試驗時采用Khalaany體系和Khorobut體系。

[1] Гришанин К В. Устойчивость русел рек и каналов[M]. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1974.

[2] Замарин Е А. Транспортирующая способность скоростей течения в каналах[M]. Москва:Госстройиздат, 1951.

[3] Великанов М А. Динамика русловых процессов[M]. Москва: ГИТТЛ, 1955.

[4] Леви И И. Динамика русловых потоков[M]. Москва: Госэнергоиздат, 1957.

[5] Мирцхулава Ц Е. Размыв русел и методика оценки их устойчивости[M]. Москва:Колос, 1967.

[6] Мирцхулава Ц Е. Инженерные методы расчета и прогноза водной эрозии[M]. Москва:Колос, 1970.

[7] Мирцхулава Ц Е. Допускаемая скорость водного потока для различных грунтов с данной гарантией неразмываемости[C] // Русловые процессы и методы их моделирования. Ленинград: 1977,3-8.

[8] Студеничников Б И. Размываемая способность потока и методы русловых расчетов[M]. Москва:Стройиздат, 1964.

[9] Ибадзаде Ю А. Водопроводные каналы (гидравлические и русловые расчеты) [M]. Москва:Стройиздат, 1975.

[10] Юфин А П. Гидромеханизация[M]. Москва: Строй-издат, 1965.

[11] Трайнис В В. Параметры и режимы гидравлического транспортирования угля по трубопроводам[M]. Москва: Наука, 1970.

[12] Куприн А И. Безнапорный гидротранспорт[M]. Москва:Недра, 1980.

[13] Смолдырев А Е. Трубопроводный транспорт (основы расчета) [M]. Москва，1980.

[14] Аренс В Ж, Исматилов Б В, Шпак Д Н. Скважинная гидродобыча твердых полезных ископаемых[M]. Москва，1980.

[15] Фридман Б Э. Гидроэлеваторы[M]. Москва: Машгиз, 1960.

[16] Чижевский М В, Шпак Д Н, Шлыков Л А. и др. Гидронамыв глубинного песка при сооружении оснований дорог [J].Строительство трудопроводов. 1981, 10: 13-14.

[17] Шпак Д Н. Добыча глубинных песчано-гравийных строительных материалов через скважины—Научно-технический обзор[M]. Москва:Информнефтегазстрой, 1982.

[18] Кузьмин Г П, Яковлев А В. Подземные резервуары в мерзлых грунтах[M].Якутск: Изд-во ИМЗ СО РАН, 1992.

[19] Фридман Б Э. Разработка россыпных месторождений золота гидравлическим способом[M]. Вельске：Типолитография в г. Вельске，1959.

[20] Хныкин В Ф. Разрушение горных пород гидромониторными струями на открытых разработках[M]. Москва:Наука, 1969.

[21] Шорохов С М. Технология и комплексная механизация разработки россыпных месторождений[M]. Москва:Наука, 1973.

[22] Павлов А В, Оловин Б А. Искусственное оттаивание мерзлых пород теплом солнечной радиации при разработке россыпей[M]. Новосибирск: Наука, 1974.

[23] Перльштейн Г З. Водно-тепловая мелиорация мерзлых пород Северо-Востока СССР[M]. Новосибирск: Наука, 1979.

[24] Перльштейн Г З, Самышин В К, Лавров Н П. Теоретические предпосылки разработки россыпей Северо-Востока гидравлическим способом [C]//Научно-практическая конференция，Магадан： 1984,49-50.

[25] Скуба В Н, Первенцев И П, Саввин Е Д.Гидравлическая добыча и переработка многолетнемерзлых песков с высоким содержанием глин [R]. Якутск: Бюллетень научно-технической информации. 1983.

[26] Ершов Э Д, Кучков Э З, Малиновский Д В. Размываемость мерзлых пород и принципы оценки термоэрозионной опасности территорий [J].Вестник МГУ.1979， 3： 67-76.

[27] Константинова Г С. Изучение овражной эрозии в области многолетнемерзлых пород [C]//II Всесоюзная конференция по проблеме “Закономерности проявления эрозионных и русловых процессов в различных природных условиях”. Москва: Изд-во МГУ, 1976.

[28] Замолотчикова С А,Чушкина Н И. Термоэрозия пород в низовьях р. Енисей[C]//Мерзлотные исследования. Москва: Изд-во МГУ, 1977(XVI)： 78-84.

[29] Данько В К, Лобастова С А, Салагаев В Б. Результаты исследования термоэрозии на мерзлых песках // Инженерные изыскания в строительстве[J]. Н-Т реферативный сборник, 1980，1：4-5.

[30] Арэ Ф Э. Тепловой режим мелких озер таежной зоны Восточной Сибири Озера криолитозоны Сибири[M].Новосибирск: Наука, 1974.

[31] Арэ Ф Э. Термоабразия морских берегов[M]. Москва:Наука, 1980.

[32] Арэ Ф Э. Основы прогноза термоабразии берегов[M]. Новосибирск: Наука, 1985.

[33] Константинов И П, Суходровский В Л. О формировании берегов в области вечной мерзлоты (на примере Вилюйского водохранилища) [C]// Изучение берегов водохранилищ Сибири. Новосибирск: Наука, 1977,62-72.

[34] Томирдиаро С В, Рябчук В К, Голодовкина А Д. Переработка льдонасыщенных берегов водоемов и водохранилищ на арктических и субарктических равнинах Северо-Востока СССР [C]// Труды совещаний по изучению берегов и водохранилищ и вопросы дренажа в условиях Сибири. Новосибирск： 1964. 1.

[35] Шур Ю Л. Термокарст[M]. Москва: Недра, 1977.

[36] Томирдиаро С В. Физика озерного термокарста в полярных низменностях и в Антарктиде и криогенная переработка грунтов[J]. Колыма, 1965, 8: 36-41.

[37] Фельдман Г М. Термокарст и вечная мерзлота[M]. Новосибирск: Наука, 1984.

[38] Шур Ю Л, Васильев А А, Вейсман Л И. и др. Методы изучения скорости термоабразии[C]// Береговые процессы в криолитозоне. Новосибирск: 1984,3-12.

[39] Гольдтман В Т. Теплообмен в фильтрующих крупнозернистых грунтах при дренажной и игловой оттайке [C]// Труды ВНИИ-I. Мерзлотоведение. Магадан:1959,167-222.

[40] Чистопольский С Д. Оттайка вечномерзлых грунтов россыпей в Заполярье [C]// Труды ВНИИ-1. Магадан:1958.

[41] Перльштейн Г З. Водно-тепловая мелиорация мерзлых пород Северо-Востока СССР[M]. Новосибирск: Наука, 1979.

[42] Лавров Н П, Самышин В К, Чуркин А Г.Особенности разработки мерзлых пород гидросмывом[C]//Совершенствование технологии разработки россыпных месторождений. Магадан:Сборник научных трудов ВНИИ-1. 1982,3-14.

[43] Кузьмин Г П, Яковлев А В. Подземные резервуары в мерзлых грунтах[M]. Якутск: Изд-во ИМЗ СО РАН, 1992.

[44] Перльштейн Г З. Водно-тепловая мелиорация мерзлых пород Северо-Востока СССР[M]. Новосибирск: Наука, 1979.

[45] Саввин Е Д, Фёдоров Ф М. Скорость оттаивания глинистых пород при размыве [C]// Бюл. НТИ. Якутск:Проблемы горного дела Севера ЯФ СО АН СССР, 1981, 17-11.

[46] Самышин В К. Теплообмен водного потока с оттаивающими горными породами и атмосферой [C]// Совершенствование техники и технологии разработки многолетнемерзлых россыпей. Магадан: Сборник научных трудов ВНИИ-1. 1983,59-62.

[47] Балобаев В Т. Расчет глубины протаивания с учетом внешнего теплообмена [C]//Сезонное протаивание и промерзание грунтов на территории Северо-Востока СССР. Москва: Наука, 1966,47-57.

Experimentalanalysis and design of soil canal erosion in cold area with frozen and water flowWritten 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)

The effect of freeze-thaw and water flow on soil erosion in cold region is a complex phenomenon, which has great influence on water conservancy project, agricultural irrigation and so on. The effect of freeze-thaw and water flow on the soil erosion in the cold region is studied. the purpose is to solve the problem of soil erosion in the cold region by freeze-thaw and water flow. It points out: The experiment is based on the complexity of the interaction between water flow and soil, and the four research directions defined: (1) studies of riverbed stability；(2)hydrotransportation of loose materials in various branches of industry；(3) hydraulic excavation of deposits； (4) study of natural erosive processes in permafrost conditions. Three types of open earthen canals are used for irrigation purpose in Yakutia:(1) canals of basin irrigation systems; (2) irrigation canals; (3) canals of drainage system. The aim of researches is a study of interaction processes of earthen irrigation canals with the environment, determination of reasons of their failures and recommendations development concerning the increase of their operation reliability. The khalaany system and khorobut system are used in the design test.

freeze thawing; current; erosion effect; soil canal in cold area; The Sakha(Yakutia) Republic

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。

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。

TV135.3

：A

：2096-0506(2017)08-0028-06