魯?shù)婪颉じダ琢_維奇·張 著；戴長(zhǎng)雷，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，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.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.東北聯(lián)邦大學(xué)，俄羅斯 雅庫茨克 677000)

地處寒區(qū)的黑龍江(阿穆爾河)是世界上最長(zhǎng)的國際界河，為東北亞的地理中心。結(jié)合寒區(qū)、俄羅斯等特色研究基礎(chǔ)，立足于寒區(qū)水科學(xué)與國際河流問題，自2008年至今，黑龍江大學(xué)等單位迄今已成功主辦了12屆“寒區(qū)水資源及其可持續(xù)利用”系列學(xué)術(shù)研討會(huì)(Conference on Water in Cold regions)。會(huì)議分別就“寒區(qū)水資源及其可持續(xù)利用”、“寒區(qū)水循環(huán)及國際河流開發(fā)”、“黑龍江(阿穆爾河)流域寒水與界河問題”、“寒區(qū)冰情及凍土水文效應(yīng)”、“寒區(qū)水科學(xué)及國際河流”、“寒區(qū)水利與中俄合作”、“從第10屆國際凍土工程會(huì)議到第15屆全國水利量測(cè)技術(shù)綜合學(xué)術(shù)研討會(huì)中的寒水問題研究”、“烏蘇里江國際河流水安全暨中俄跨國界含水層管理”、“額爾古納河及黑龍江上游雪情研究”、“黑龍江(阿穆爾河)流域下游水問題研究”、“冰城聚議冰工程——第9屆全國冰工程會(huì)議中的冰雪凍融問題”進(jìn)行了深入的討論。同時(shí)集結(jié)會(huì)議成果出版了“寒區(qū)水科學(xué)及國際河流研究系列叢書”12冊(cè)。

1 問題的提出

俄羅斯薩哈(雅庫特)共和國位于西伯利亞東部，是世界典型寒區(qū)。水工建筑物作為重要的水利基礎(chǔ)設(shè)施，在其發(fā)展過程中發(fā)揮著重要的作用，但受低溫環(huán)境和凍土條件影響，較大程度上影響其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此，俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院麥爾尼科夫凍土研究所基于俄羅斯薩哈共和國相關(guān)水利樞紐多年的原位監(jiān)測(cè)，為提高水工建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提出相關(guān)措施?？蔀橹袊畢^(qū)水利工程的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

多年的觀察研究揭示了水工建筑物(如涵洞、溢洪道等)在其工作期間與周圍土壤相互作用的特點(diǎn)及其質(zhì)量失效的主要原因。由于水工結(jié)構(gòu)與回填土和地基土之間的相互作用，需要解決不同溫度條件下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題。

基于研究，解決不同條件下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題的方法如下：計(jì)算給定類型土的凍裂間距以及物理力學(xué)性質(zhì)，然后通過一些結(jié)構(gòu)構(gòu)件(如垛式保持架、隔板和其他結(jié)構(gòu)部件)，人為地將土壤分塊，這些結(jié)構(gòu)構(gòu)件也將起到防滲帷幕的作用。

2 常溫條件結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

涵洞連接墻的結(jié)構(gòu)如圖1所示，這種結(jié)構(gòu)是在現(xiàn)場(chǎng)分析和實(shí)驗(yàn)室研究的基礎(chǔ)上出現(xiàn)的。

1-鋼筋混凝土墻;2-隔板;3-側(cè)面; 4-冰層; 5-堤防;6-解凍邊界 圖1 涵洞連接墻結(jié)構(gòu)示意圖

建議在雅庫特的Khorobut，Orosuno-Negedyakh和Chappainda灌渠中進(jìn)行水利工程的防滲帷幕設(shè)計(jì)。此外，現(xiàn)場(chǎng)研究和數(shù)值模擬提供了一些關(guān)于改善工作涵洞結(jié)構(gòu)的建議，該建議同樣可用于雅庫特的水利工程。

根據(jù)供水設(shè)施的目的，涵洞可分為兩類，一類可承受持續(xù)的壓力，另一類只承受較短的春汛的壓力[1]。僅在春季工作的涵洞，通過永久凍土與季節(jié)性凍土融合保證滲透穩(wěn)定性，從而提供可靠的防滲帷幕。過水期間零度等溫線不超過防滲裝置(隔板)或側(cè)墻與涵臺(tái)的保護(hù)裝置所在區(qū)域。

對(duì)于承受恒定壓力的涵洞結(jié)構(gòu)，必須保證在凍土融化或凍結(jié)時(shí)具有滲透穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在凍土融化時(shí)，通過與在非凍土地區(qū)相同工程措施保證滲透穩(wěn)定性。但通常情況下，其還與大量的土壤、泥沙和其他材料的活動(dòng)相關(guān)，會(huì)由于融冰過程中相當(dāng)大的土壤沉降和排水過程而變得更加復(fù)雜。在土壤凍結(jié)時(shí)，土壤防滲帷幕應(yīng)一直保持凍結(jié)狀態(tài)?？墒褂眉竟?jié)性或永久冷凍裝置來保證地基與防滲結(jié)構(gòu)處于凍結(jié)狀態(tài)。

對(duì)于河漫灘部分溢洪道，建議采用帶水閘的結(jié)構(gòu)。入口的壓頭受涵臺(tái)隔板部分的擋土墻尺寸和篩網(wǎng)高度的限制。對(duì)于8～15 m高的大壩，有必要設(shè)置一個(gè)高揚(yáng)程水槽與下游共軛。

在巖石基礎(chǔ)上的泄洪道或進(jìn)水閘處采用溝槽式自動(dòng)化施工。采用共軛結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)與下游的共軛。為了降低水流能量，常用結(jié)構(gòu)有陡坡、瀑布和井等[2]。

3 低溫條件結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

在裂隙巖基上開發(fā)陸上凍融河道的實(shí)踐表明，在季節(jié)性降溫裝置失效的情況下，在正常水位標(biāo)記處，水庫在凍土地基邊緣存在嚴(yán)重的的滲漏現(xiàn)象，Myaundza河，Irelyakh河和Sytykan河的供水設(shè)施就是典型的案例。通常在涵臺(tái)下形成的居間不凍層朝向堤岸發(fā)展并延伸到地基深處。裂縫巖石的融化深度達(dá)到28～30 m。這些例子表明供水設(shè)施結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)存在漏洞。特別是溢洪道與河道以及壩體與壩基之間的熱相互作用問題沒有得到妥善解決，季節(jié)性降溫裝置在水庫相當(dāng)大的熱量交換下的降溫能力被高估等。

橫穿凍結(jié)壩體的溢洪道應(yīng)設(shè)計(jì)成在過水期間對(duì)壩體的升溫效應(yīng)最小。零度等溫線不得超過不透水裝置或涵臺(tái)結(jié)構(gòu)區(qū)域。因此，雅庫茨克北部地區(qū)的涵臺(tái)下防滲裝置深入地基多年凍土的深度必須在1.5～2.0 m，雅庫茨克中部地區(qū)必須在3.5～4.0 m，雅庫茨克南部地區(qū)必須在4.5～5.0 m。在冬季，除去涵臺(tái)上的積雪并打開水閘以創(chuàng)造良好的空氣動(dòng)力條件是排水工程運(yùn)行的必要條件[3]。這些簡(jiǎn)單的技術(shù)為地基土的凍結(jié)和凍結(jié)巖心的形成提供了條件，其中涵洞人工防滲裝置是錨固的。

下面給出了在雅庫特水資源和填海造陸工程實(shí)踐中獲得批準(zhǔn)的一些結(jié)構(gòu)。特別推薦使用開敞式的出水口工程作為最簡(jiǎn)單的操作方式，排水工程應(yīng)最大限度地利用當(dāng)?shù)氐慕ㄖ牧稀?/p>

如果在建筑區(qū)域有森林(特別是落葉松樹林)，建議使用這種木材制作結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗梢栽诓皇ミB續(xù)性的情況下發(fā)生相當(dāng)大的變形。這種材料的缺點(diǎn)是在潮濕環(huán)境下容易腐爛。

如果施工現(xiàn)場(chǎng)可用惰性骨料，則采用混凝土或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)更為可取。值得注意的是，在多年凍土條件下，對(duì)骨料和水泥的要求比通常要高。水利工程混凝土標(biāo)號(hào)不得少于400。使用較小標(biāo)號(hào)的混凝土?xí)?dǎo)致結(jié)構(gòu)的低溫風(fēng)化速度加快。

預(yù)制混凝土的大量使用仍然存在問題。雅庫茨克填海造陸工程中排水工程的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)尚不成熟。雖然有一少部分排水工程發(fā)生一些小的變形可以正常運(yùn)行，但大多數(shù)的工程都受到了嚴(yán)重的破壞。

實(shí)踐表明，為了提供排水工程的穩(wěn)定性，有必要開發(fā)上游涵臺(tái)部件并使用現(xiàn)代合成材料提供其增加的防滲穩(wěn)定性，因?yàn)殚L(zhǎng)期處于低溫環(huán)境下，永久凍土的膠著力是有限的。

在使用由金屬管制成的封閉式溢洪道和調(diào)節(jié)閥時(shí)，建議采用直通式結(jié)構(gòu)。類似結(jié)構(gòu)已在雅庫特的Maganka河在正常水位的斗式進(jìn)水口成功運(yùn)作了20年。虹吸式金屬溢洪道在填海造陸及排水設(shè)施中均證明了其可靠性。實(shí)踐表明，最簡(jiǎn)便的操作方式是在壩面設(shè)置虹吸管。虹吸式溢洪道通常以管簇的形式使用，管簇被放置在不同的位置，以滿足給定的上游水位狀態(tài)[4]。

4 結(jié) 論

(1)僅在春季工作的涵洞，通過多年凍土與季節(jié)性凍土融合保證滲透穩(wěn)定性，從而提供防滲帷幕的穩(wěn)定性。

(2)對(duì)于河漫灘部分的溢洪道，建議采用帶水閘的結(jié)構(gòu)，對(duì)于8～15 m高的大壩，有必要設(shè)置一個(gè)高揚(yáng)程水槽與下游共軛，從而保證壩身穩(wěn)定。

(3)在建筑區(qū)域有森林(特別是落葉松樹林)的地區(qū)，建議用這種木材制作結(jié)構(gòu)。

(4)如果施工現(xiàn)場(chǎng)存在足量惰性骨料，則混凝土或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)更為可取。