俄羅斯雅庫特典型寒區(qū)水利工程穩(wěn)定性研究方法

魯?shù)婪颉じダ琢_維奇·張 著；戴長雷，張兆廷，于 淼,5，王 羽 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)

多年凍土地區(qū)的水利工程的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是一個值得關(guān)注的問題。溢洪道和涵洞的失穩(wěn)是造成大多數(shù)寒區(qū)水利工程事故的主要原因。通過對寒區(qū)水利工程溢洪道及涵洞的研究發(fā)現(xiàn)，大部分溢洪道和涵洞的結(jié)構(gòu)設(shè)計沒有考慮土壤的溫度應(yīng)力作用和凍融作用。這些作用具體表現(xiàn)為水分的遷移、冰的形成以及土壤礦物顆粒結(jié)構(gòu)的改變等，并受土壤溫度濕度狀態(tài)的季節(jié)循環(huán)和年循環(huán)的影響。

通過研究溢洪道與地基土的相互作用，發(fā)現(xiàn)凍土地基上建造的溢洪道夏季對土壤溫度影響的深度為4.0～5.0 m，冬季為7.0～8.0 m，壩趾下凍融層埋深為1.9 m。在非凍土地基上建造的溢洪道，使talik河的凍結(jié)深度達到3.0～3.5 m， 并使多年凍土層頂部埋深抬升至4.0～4.5 m。每年在壩趾下形成凍融土層的凍結(jié)溫度為-15～-17 ℃，直到8月中旬才解凍，9月底又開始凍結(jié)。凍融層內(nèi)全年溫度變化范圍為0.7～1.2 ℃。由于凍土層本身具有隔熱與防滲帷幕的作用，地基上形成了新的溫度狀態(tài)。在涵洞側(cè)墻支撐結(jié)構(gòu)處出現(xiàn)了土體的剝落現(xiàn)象，這是引起溢洪道和涵洞結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的主要原因[1-2]。

對溢洪道和涵洞土體剝落的機理做出如下假設(shè)：隨著負(fù)溫期的開始，水利工程溢洪道和涵洞的側(cè)墻溫度開始逐漸降低。側(cè)墻通常具有復(fù)雜的幾何形狀，并且有著大面積的與空氣和水流進行熱交換的熱交換面。當(dāng)?shù)鼗寥乐兴炙鲃又恋蜏貍?cè)墻處，會在“土壤—側(cè)墻”邊界處結(jié)冰，并將在一段時間后形成冰層，該冰層使地基土壤與側(cè)墻之間產(chǎn)生裂縫。另一方面，溫度變形會導(dǎo)致回填土體積減小。這兩個過程的疊加效應(yīng)引起了側(cè)墻的土體剝落現(xiàn)象。在春季，隨著氣溫逐漸升高并慢慢高于冰點，冰層開始融化，由于熱變形會導(dǎo)致土壤體積增加，但其增量要小于冰層的厚度。結(jié)果，土壤與側(cè)墻之間產(chǎn)生了裂縫，成為了水流接觸滲透的通道，最終導(dǎo)致該區(qū)域結(jié)構(gòu)發(fā)生應(yīng)變。

研究的目的是揭示在地基回填土中發(fā)生的地質(zhì)變化過程，以及結(jié)構(gòu)與環(huán)境的溫度應(yīng)力作用，以找出斷裂應(yīng)變的原因，并制定解決方案，增強結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

為了驗證上述土體剝落假設(shè)，進行了原位監(jiān)測與試驗相結(jié)合的綜合性研究： 1989～1999年在Suola河的Khorobut和Byuteydyakh灌渠、Kyurgelehkh河的Orosuno-Negedyakh灌渠以及雅庫特的Maganka河、Shestakovka河和Matta河的水利工程進行了原位監(jiān)測，并在中國科學(xué)院冰川凍土研究所進行了物理模擬試驗。

在Khorobut灌區(qū)進行了更為復(fù)雜的原位監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容包括：①溢洪道與涵洞周圍土壤溫度濕度狀態(tài)的季節(jié)循環(huán)和年循環(huán)的變化特征；②地基土壤的力學(xué)性質(zhì)動態(tài)變化；③側(cè)墻的壓力與形變；④側(cè)墻墻后土壤的水平位移。

1 研究區(qū)概況

Khorobut灌渠的渠首位于雅庫特Megino Kangalsky地區(qū)Suola河上、Kharba Atakh鎮(zhèn)附近，距河口82 km[3]。地質(zhì)條件如下：Suola河的河床是由富含冰的第四紀(jì)沉積物和熱喀斯特巖石組成。多年凍土厚度達300 m，且在300 m深度處溫度常年為-2 ℃。季節(jié)性凍融層的深度為1.2～2.0 m。地基土由亞砂土、亞黏土、不同粒度的砂土、卵石和砂石組成，渠首地質(zhì)剖面如圖1所示。

1- 鉆孔；2-回填土(亞砂土和亞黏土)；3-亞砂土；4-亞黏土；5-砂土；6-卵石；7-砂石；8，9-植物碎屑；10-凍融層邊界； 圖1 渠首地質(zhì)剖面

亞砂土處于最上層，埋深3.5 m，含水率為12%～28%，密度為1.8 kg/cm3，孔隙度為0.6，塑性指數(shù)為4.4。在1 kg/cm2的載荷下相對沉降為3.0 cm/m。多年凍土區(qū)亞砂土的天然含水率為23%～70%。

亞黏土層主要分布于河流的右岸，亞砂土層下，含有大量植物碎屑，其厚度為0.5～3.5 m，埋深為4.0～7.0 m。含水率28%～48%，低溫下具有層狀紋理，容重2.0 g/cm3，孔隙度為0.57，塑性指數(shù)為9.8。

砂土層位于亞黏土層下，由不同粒徑的土壤顆粒組成。厚度為7.5～9.0 m，含水率為15%～23%，低溫下具有層狀紋理，滲透系數(shù)為2.61 m/d。干燥條件下內(nèi)摩擦角為35°、浸水條件下內(nèi)摩擦角為28°、孔隙度為0.63。

卵石層位于砂土層之下，且同樣摻雜植物碎屑。卵石層厚度呈不均勻分布，在左岸為2.5～4.0 m，河道處為9.0 m，在右岸為5.0～7.0 m。

砂石層的厚度分布不均勻，在河岸處略微傾斜，在河道處厚度下降至1.5 m。

渠首壩體高6.3 m，寬8.0 m，上、下游壩坡坡比分別為3.0和2.5，采用亞砂土與亞黏土混合土填筑，含水率為15.8%，容重為1.94 g/cm3。

溢洪道為開敞式溢洪道，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土澆筑在樁基上。設(shè)計流量為200 m3/s，溢洪道設(shè)尺寸為3.5 m×3.5 m閘門，并配有機械螺桿提升機。圖2給出了溢洪道的縱斷面圖和橫截面圖。壩體上游的底板長10 m，由15 cm厚的現(xiàn)澆鋼筋混凝土板組成，位于碎石地基上。在板與板之設(shè)0.2 mm厚的聚乙烯薄膜層。為了減緩溢洪道下泄水流的速度，分別安裝了3個消力墩和16個消力戽，布置位置如圖2(b)所示。護坦厚度為70～139 cm。壩趾下有三個不透水隔板，分別設(shè)置在引水段、壩體段和泄水段。隔板埋深3.0～3.5 m，溢洪道全長68.2 m。

圖2 Khorobut灌渠Suola河溢洪道結(jié)構(gòu)示意圖

導(dǎo)流輸水隧洞由鋼筋混凝土制成，橫截面為矩形，總長度53.1 m。進水口處尺寸為2.0 m×2.0 m，出水口處尺寸為2.7 m ×3.9 m。設(shè)計流量為40 m3/s。進出口都設(shè)有機械式螺旋啟閉機控制的閘門。隧洞位于壩基上。在隧洞上安裝了由R.V. Zhang和G. V. Melkozerov 設(shè)計的特殊防滲裝置[4]。

為了降低水流速度，導(dǎo)流輸水隧洞的出口做成漏斗狀，末端有13個消力墩。

2 方法與結(jié)果

原位監(jiān)測包括以下內(nèi)容：溫度場動態(tài)變化、滲流研究、土壤力學(xué)性質(zhì)的變化、側(cè)墻后土體的變形、側(cè)墻土壓力、側(cè)墻水平位移。

在溢洪道上通過24個10～15 m深的鉆孔監(jiān)測了土體溫度場的動態(tài)變化。此外，溢洪道兩面?zhèn)葔Ω鞔蛄?個的水平孔，深度為5 m。土體溫度用熱敏電阻MMT-1，MMT-4進行測量。鉆孔處的溫度用地質(zhì)學(xué)方法進行測量[5]。通過壓力觀測井，研究溢洪道基礎(chǔ)的滲流場。這些井的水位通過電子傳感器和水位測量儀測量。 分別在自然條件和實驗條件下，對土壤物理力學(xué)性質(zhì)進行了動態(tài)監(jiān)測。從井和探孔中取土樣來分析土壤的含水率、顆粒組成、容重、孔隙度和強度等特性。通過田間試驗觀測了土壤礦物顆粒的低溫結(jié)構(gòu)。

通過探孔使用專用設(shè)備觀測側(cè)墻墻后土體水平位移。傳感器的安裝深度為2.5 m，距離側(cè)墻15 cm(測點1)和40 cm(測點2)。在距離水閘1.2 m 和5.5 m處的另外兩個測點處分別測量了側(cè)墻的形變。采用壓力傳感器PDM-70在1.0 m、2.5 m、3.0 m和4.5 m的高程處觀測溢洪道側(cè)墻土壤壓力動態(tài)變化。壓力傳感器和變形傳感器的布置以及它們的結(jié)構(gòu)如圖3所示。測量頻率取決于監(jiān)測季節(jié)。在春秋兩季，每天或每10天測量一次；在冬季和夏季，每月測量兩次。

圖3 Khorobut灌區(qū)鋼筋混凝土溢洪道右側(cè)傳感器布置方案及傳感器結(jié)構(gòu)示意圖(mm)

對在實驗條件下溫度變化模型進行研究時，需假設(shè)模型材料與天然材料性質(zhì)相同，實驗條件溫度與自然條件下的氣溫相同，土壤凍結(jié)速率由原位監(jiān)測數(shù)據(jù)確定。 利用計算機對各種氣候和地質(zhì)條件下的溢洪道溫度場二維模型進行預(yù)測。采用解析法進行壩體裂縫預(yù)測，數(shù)據(jù)來源原位監(jiān)測的數(shù)據(jù)。

3 結(jié) 論

(1)通過對多年凍土地區(qū)的水利工程的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響的研究，土壤與結(jié)構(gòu)之間的溫度應(yīng)力作用、土壤的凍融作用以及土壤溫度濕度狀態(tài)都會對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

(2)寒區(qū)水利工程穩(wěn)定性研究需采用原位監(jiān)測與實驗室模擬相結(jié)合研究的方法。原位監(jiān)測為實驗室模擬提供數(shù)據(jù)支持。