俄羅斯雅庫特典型寒區(qū)低壓水工建筑物結(jié)構(gòu)的監(jiān)測

魯?shù)婪颉じダ琢_維奇·張 著；戴長雷，王 羽，于 淼,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，俄羅斯 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.黑龍江大學(xué)中俄寒區(qū)水文和水利工程聯(lián)合實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080；5.東北聯(lián)邦大學(xué)，俄羅斯 雅庫茨克 677000)

1 監(jiān)測目的和任務(wù)

水工建筑物及其結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜的技術(shù)系統(tǒng)，對其狀況進行監(jiān)測顯得尤為重要。目前對在建和已建成的水工建筑物的狀況進行監(jiān)測與評價，主要目的是獲取新的發(fā)現(xiàn)、驗證工程的設(shè)計與決策并改善工程建設(shè)的規(guī)范與方法。目前，對已建成的水工建筑物的維護和保養(yǎng)是首要問題。

水工建筑物監(jiān)測的任務(wù)主要有以下四個方面：①評估結(jié)構(gòu)狀況并制定必要和適當(dāng)?shù)拇胧栽鰪娖浞€(wěn)定性。②評價水利工程設(shè)施對環(huán)境的影響。③探索運營期結(jié)構(gòu)物理參數(shù)動態(tài)變化趨勢。④總結(jié)并改善結(jié)構(gòu)的設(shè)計和工程建設(shè)的規(guī)范與方法。

在多年凍土區(qū)，每個大壩的特性都是獨特的。在低壓水工建筑物運行期間，土壤的性質(zhì)會一直變化。水工建筑物結(jié)構(gòu)的溫度濕度狀態(tài)的形成過程長達數(shù)年之久。同時，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)以及滲透方式也發(fā)生了改變[1-3]。因此，對水工建筑物及其結(jié)構(gòu)進行的監(jiān)測應(yīng)該具有研究性質(zhì)，而不能用某種標準來衡量。

2 監(jiān)測體系的結(jié)構(gòu)及其組織

組織完成水利工程設(shè)施原位監(jiān)測的過程較為復(fù)雜。觀測的時間、次數(shù)和條件等取決于水工建筑物本身的類型、設(shè)計尺寸、工程地質(zhì)條件和多年凍土條件[4]。監(jiān)測的內(nèi)容包括：①水利工程設(shè)施周圍的凍土與水文地質(zhì)條件。②建筑工地與受露天礦坑影響的植被恢復(fù)情況。③壩基、壩肩的溫度變化，溢洪道邊坡與溢洪道表面的溫度變化。④壩基和壩肩以及溢洪道的周圍的滲流情況。⑤水庫靠近大壩區(qū)域的水熱交換情況。⑥大壩的壩頂及下游季節(jié)性的凍融作用情況。⑦水文地質(zhì)的觀測——庫區(qū)下墊面季節(jié)性凍融情況、地下水含水層與凍土層的狀況。⑧壩堤與溢洪道的沉降、邊緣侵蝕的情況。

水利工程的監(jiān)測工作與其生態(tài)調(diào)查研究工作具有密切的聯(lián)系，兩者應(yīng)同步展開。結(jié)構(gòu)監(jiān)測實際上是水利工程設(shè)施的生態(tài)安全及其對環(huán)境影響研究的一個組成部分。因此，類似于生態(tài)安全的監(jiān)測體系，必須將其分為三個階段進行，即準備階段、設(shè)計階段和運行階段[5]。

在準備階段，首先明確凍土監(jiān)測的必要性。對水利工程設(shè)施及建筑工地相鄰地區(qū)進行凍土地貌調(diào)查，確定監(jiān)測的類型與監(jiān)測對象的結(jié)構(gòu)，確定監(jiān)測裝置和設(shè)備的技術(shù)要求。

在準備階段編制《凍土監(jiān)測技術(shù)項目》，詳細說明監(jiān)測對象的凍土條件，并配備原位監(jiān)測平臺。該技術(shù)項目包括以下幾項內(nèi)容：①選定的監(jiān)測類型的目的并具體化。②確定地點、工程內(nèi)容、監(jiān)測技術(shù)說明。③設(shè)備和設(shè)備的用途、主要數(shù)據(jù)記錄形式、工程時間表。④所用的電子信息載體軟件。⑤消除不同安全隱患的技術(shù)方案，包括低溫情況、工作人員的指定。⑥監(jiān)測的技術(shù)與經(jīng)濟評價、工程的預(yù)算費用。

應(yīng)在水利工程設(shè)施及相鄰地區(qū)進行凍土地貌調(diào)查，包括大比例尺地圖、平面圖和剖面圖。根據(jù)俄羅斯標準的要求，這些工程以圖表和試驗材料的形式，明確呈現(xiàn)出工程環(huán)境因人類活動而出現(xiàn)變化的情況，以及受影響土地的植被恢復(fù)方案。

監(jiān)測區(qū)設(shè)備準備工作包括：①地?zé)嵩O(shè)備和測壓鉆孔的鉆探、低溫凍土測溫計的安裝、沉降測量裝置、壓力計。②測地線網(wǎng)的布置。③試驗材料在施工條件和自然條件下的低溫變化過程的研究設(shè)備。④水庫水位和冰況的觀測設(shè)備。

在水利工程設(shè)施運行期間，根據(jù)《凍土監(jiān)測技術(shù)項目》規(guī)定的方案，對研究區(qū)和相鄰區(qū)域進行定期監(jiān)測和調(diào)查。

3 監(jiān)測體系的內(nèi)容及其組織

對水工建筑物周圍多項自然條件的狀況進行監(jiān)測，目的是確定并預(yù)防影響其穩(wěn)定性的低溫引起的安全隱患。同時在多年凍土區(qū)，水工建筑物及其周圍區(qū)域的溫度狀況是影響其穩(wěn)定性的主要因素。因此，組織溫度監(jiān)測是重中之重。

在施工和運行期間的溫度監(jiān)測應(yīng)確定以下過程的參數(shù)： ①水庫的溫度狀況與冰況。 ②水庫的水文狀況。③建筑物結(jié)構(gòu)及其基礎(chǔ)的溫度濕度狀態(tài)產(chǎn)生的應(yīng)力。④溢洪道和進水口的構(gòu)造，以及處于不利的多年凍土條件下水庫及其邊坡的構(gòu)造(如熱巖溶、泥流、冰丘、凍脹作用產(chǎn)生裂縫)。⑤堤防與地基土的季節(jié)性凍融作用對支墩的影響。⑥低溫過程及其發(fā)展。

在水工建筑物范圍內(nèi)的測溫鉆孔具體位置如下：①在壩堤、地基、支墩等可能發(fā)生滲漏破壞的地方。②在大壩處至少有三條剖面線，分別在壩頂、壩肩和壩堤處。根據(jù)多年凍土——地質(zhì)構(gòu)造與結(jié)構(gòu)的溫度預(yù)測資料，確定鉆孔深度和位置。③建議在上游修建防洪堤來控制壩體上游地基和帷幕的凍融作用以方便測量鉆孔溫度。在帷幕區(qū)域所做的測溫鉆孔深度不得小于5 m。④在凍融土區(qū)域內(nèi)地下徑流附近，各監(jiān)測點配備組合式測溫鉆孔和壓力計。測溫鉆孔應(yīng)采用直徑80～120 mm的無縫鋼管，接頭必須密封且隔熱，并具有一定的抗機械磨損的作用。

每年的溫度檢測周期設(shè)置如下：①第一季度(春季)——水庫融冰期后和洪水期前。②第二季度(夏季)——氣溫穩(wěn)定達到零度以上后。③第三季度(秋季)——河流凍結(jié)期間。④第四季度(冬季)——12月—次年3月。

水利工程設(shè)施結(jié)構(gòu)的變形(沉降和位移)監(jiān)測應(yīng)按相應(yīng)的條例與規(guī)范性文件的規(guī)定進行；監(jiān)測過程中參照的控制點不應(yīng)受到隆起、熱沉降變形和其他低溫過程的影響。

工程規(guī)定出用以下參數(shù)確定寒區(qū)條件下水工建筑物結(jié)構(gòu)的可靠性：①大壩的頂部以下多年凍土地基的年最大凍融深度。②年溫度變化幅度與大壩下部凍土融區(qū)的自然凍結(jié)速度。③壩頂、壩肩和壩堤處土壤的年最大季節(jié)性凍融深度。④大壩上游側(cè)水庫底部溫度。⑤位于凍結(jié)帷幕上游側(cè)凍融土區(qū)地下徑流附近的土壤溫度。⑥年循環(huán)冬季的開始與結(jié)束的時間。⑦受水庫溫度影響的預(yù)測區(qū)內(nèi)多年凍土地基溫度場。

壩體土壤溫度變形產(chǎn)生的位移(隆起和沉降)可達幾十厘米，這個過程可以通過在筑壩時設(shè)置的特殊裝置——土壤位移測量儀來記錄。土體季節(jié)性隆起和沉降，以及溫度和濕度的大幅度變化，除了會導(dǎo)致土體物理性質(zhì)發(fā)生改變之外，還會使壩體結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力條件，從而致使壩體產(chǎn)生裂縫。

一年內(nèi)溫暖時期結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性在很大程度上取決于熱侵蝕過程，因此，有必要對邊坡熱侵蝕問題給予足夠的重視。雨雪落在由優(yōu)質(zhì)土壤構(gòu)成的邊坡上，會產(chǎn)生沖刷作用，久而久之，雨雪對邊坡的沖刷逐漸擴大、加深，就會出現(xiàn)安全隱患。對于水庫的天然邊坡，這些過程會導(dǎo)致溝壑、沖刷區(qū)、凹槽的形成。當(dāng)部分填充物被沖刷出來時，熱侵蝕的過程會導(dǎo)致孔洞的形成。如果熱侵蝕作用同時伴隨著嚴重的水土流失，那么結(jié)構(gòu)就容易發(fā)生破壞。

水利工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測包括以下幾個部分：①監(jiān)測單個結(jié)構(gòu)和建筑物整體的水平及垂直位移。②監(jiān)測結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)狀態(tài)。③監(jiān)測壩體和邊坡的建筑性能。④對結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進行總體評估，并對其可靠性進行分析。

根據(jù)已知的地理條件、凍土條件、水文地質(zhì)條件，在100～200 m范圍內(nèi)對水工建筑物周圍的自然條件進行監(jiān)測。監(jiān)測包括以下內(nèi)容：①大地測量網(wǎng)的組織。②地?zé)岷退牡刭|(zhì)鉆孔。③安裝土壤位移測量裝置、雨量計、雪量計。④組織在監(jiān)測點監(jiān)測凍融層的季節(jié)性融化、濕度變化、土體物理性質(zhì)的變化過程。

4 建 議

(1)建議在解決及改善低壓水工建筑物穩(wěn)定性問題時，重點完成以下任務(wù)：①開發(fā)或引入一套低壓水工建筑物的凍土監(jiān)測系統(tǒng)。②開發(fā)或引入凍土區(qū)水工建筑物安全控制監(jiān)測系統(tǒng)。

(2)各類監(jiān)測設(shè)備是成功實現(xiàn)對凍土區(qū)的分區(qū)并完成對凍土區(qū)低壓水工建筑物的監(jiān)測的基礎(chǔ)。因此，改進改善監(jiān)測設(shè)備是組織監(jiān)測的任務(wù)之一。其中包括遠程傳感器和相關(guān)軟件的開發(fā)、建立可以高效測量并記錄數(shù)據(jù)信息的自動化測量系統(tǒng)、開發(fā)獨立設(shè)備電源。這些設(shè)備必須能在極端低溫下正常運行。需要注意的是，對水工建筑物的長期監(jiān)測，一定要使用自動校正控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)同樣要及時改進，以應(yīng)對在運行過程中出現(xiàn)的新任務(wù)和新問題。