鲁道夫·弗拉基米罗维奇·张 著；戴长雷，李卉玉，王 帝 译

(1.俄罗斯科学院西伯利亚分院麦尔尼科夫冻土研究所，萨哈共和国 雅库茨克 677010；2.黑龙江大学寒区地下水研究所，黑龙江 哈尔滨 150080；3.黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080；4.黑龙江大学中俄寒区水文和水利工程联合实验室，黑龙江 哈尔滨 150080；5.黑龙江省寒地建筑科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

对俄罗斯西伯利亚典型高寒区土坝的溢洪道附近土体进行分阶段动态分析研究，不仅得到了多年冻土条件下的结构在10 a运行期间温度动态，同时发现其温度应力呈现出接近周期性稳定状态。对典型高寒区土坝溢洪道的温湿度进行监测与分析发现，在多年冻土地区建立的溢洪道附近土体发生了位移，并且在溢洪道侧墙与坝体连接处出现了明显裂缝。对此进行了分析与说明，解释了裂缝出现的原因。

1 溢洪道侧墙周围土体温度监测

在1989—1999年这10 a内，对多年冻土地基上的溢洪道周围土体湿热状况进行了研究。多年冻土地基上某些时段的地基横断面和纵断面的温度场如图1、图2所示。

土体温度动态变化表明，溢洪道周围土体中会形成极冷区域。温度梯度在10月(传感器安装的初始时刻)达到14.9 ℃/m，11月为16 ℃/m。1月中下旬5 m深处的溢洪道周围土体冻结过程中发生了剧烈的降温，使得地基表面与坝体交界处的土体温度降低到-44 ℃。3月中旬，在整个5 m厚的土层中，平均温度达到-17.3 ℃。1 m厚地层的平均温度为-36.4 ℃。

4月底—5月初土体开始解冻。5月中旬时，厚度为0.5 m的土层温度梯度达到15 ℃/m。

地基实测与预测的温度变化有着相同的趋势，只是温度的数值稍有不同：在坝顶处，冬季温度较低而夏季较高，围护结构对地基温度动态变化有明显的影响，使地基温度变化较为平稳。在一个长期的冻融循环过程中(1989—1994年期间)形成了冻结的心墙。在水平方向距侧墙4.5 m处，解冻土层的厚度从5.0 m降低到2.5 m；在距侧墙3.0 m处，解冻土层的厚度从3.0 m降低到2.0 m。因此，通过几年的研究得出有冻结心墙的土坝更加稳定的结论。

图2 索拉河流域Khorobut流域灌溉系统钢筋混凝土溢洪道路堤及地基土温度(纵断面)

在有围护结构下的多年冻土地基温度场对于温度应力动态的研究具有重要意义。即使对于一个很小的结构，温度应力的大小也取决于诸多因素，例如积雪厚度、湿度、接触区域的热量交换率等。根据俄罗斯工程历史资料可知1988年秋季围护结构施工结束时，测得最大融化深度为3.0 m。1989年4月，该深度的温度由-0.2 ℃变为-0.3 ℃。然而在这种温度下，冰晶与其包裹的细粒砂之间会发生热量交换，所以在第一个冬季并未完全冻结土层。1989年夏季，地基发生进一步融化，冻结水位降至地表以下0.5 m(钻孔10和钻孔13)、0.7 m(钻孔20)和1.0 m(钻孔11)。上述冻结水位说明了融化深度的不均匀性，多年冻土温度不随年内温差变化而变化。在12 m深处，钻孔22温度从-2.4 ℃升至-2.0 ℃，钻孔9的温度从-1.5 ℃升至-1.3 ℃。

在纵向剖面上的温度动态变化如图2所示，图2表明最剧烈的热交换过程发生在溢洪道运行的第一年，水库中一年四季都有液态水，这使得多年冻土向围护结构发展。

在没有积雪的冬季，围护结构下也可以形成冻结岩心。由于闸门抬升会伴有剧烈的空气流动，深度为3.5 m的土体温度降至-13 ℃，深度5 m和10 m的土体温度分别降至-8 ℃和-2.5 ℃。夏季冰冻融化至地表以下3.25 m，冻结厚度不超过防渗装置的范围。即结构的稳定性是由钢筋混凝土和防渗膜共同提供的，并且防渗膜是固定在永久冻土地基上的。说明尽管水库一年四季都有水存在，但溢洪道仍然是冻结的。

溢洪道周围土体解冻厚度为8～10 m，在Zhang的论著中得到了论证[1]。

经过十多年的监测结果表明，溢洪道温度呈现出周期性，溢洪道本身已经达到稳定状态。计算机建模可以预测其达到完全稳定的具体时间。对溢洪道周围温度状况的监测主要结果如下：

(1)得到了多年冻土条件下的结构在10 a运行期间温度动态，并且呈现出接近周期性稳定状态。

(2)若将围护结构上积雪除去，即使水库中有水，建筑物仍可视为建造在冷冻地基上。若将通风良好的溢洪道上的积雪清除，则更有助于岩心的冻结。

(3)溢洪道侧墙在第一年冬季冻结，仅在水库运行的第十年便形成平均温度为-3 ℃、平均深度范围在3.0～4.5 m的稳定区;最冷月份地基表面与坝体交界处边界温度降至-44 ℃；在地表以下3.5 m处温度降至-13 ℃，地表以下5 m和地表以下10 m处的地温分别降至-8 ℃和-2.5 ℃。

(4)涵洞在20 m厚的解冻土层上形成了一个新的热力学状态，在该条件下冬季冻结了3.5 m厚的隔热不透水层，这有助于多年冻土的形成。

(5)在1 a或更长的周期内，温度区间的动态变化能够证明，若将防渗装置深入地基基础和堤防，则更有助于开发新防渗模式和改善涵洞现有结构。

2 溢洪道周围土体湿度监测

溢洪道在运行过程中，土体水分、容重的分布是一个值得关注的问题[2]。雅库特索拉河Khorobut盆地灌溉系统钢筋混凝土溢洪道右侧湿度和容重的动态监测结果见表1和表2。埋深0～6 m的地基土平均土体湿度为5%，深度为13.4 m，容重为1.96 g/cm3。埋深6～15 m的地基土具有坝址多年冻土的典型特征，其湿度为24%，容重为1.85 g/cm3。

土体容重值稍高是因为存在多种砾石和碎石。除了溢洪道侧墙外，不可能找到任何土体湿度的规律与之匹配(见表2)。但总的来说，考虑到通过溢洪道和土体冻融过程的水位情况，我们可以做出如下假设：

在运行3 a的溢洪道中，距侧墙0.5 m处，湿度在1～2 m深度范围内增加了7%～8%，从第四年开始出现了湿度降低的趋势。土体湿度在5～6 m深度范围内增加了22%～24%，这是由于存在恒定的水分来源(季节性解冻层的渗流)。

图3展示了Khorobut溢洪道的展望洞口布置图和挖洞时的照片。矿物颗粒的再充填只能在距墙0.5～0.8 m处，沿溢洪道侧墙有弱化的趋势[3]。这些弱化区很可能会发生冻裂破坏，需要进一步研究。

Kergelehkh河Orosuno-Negedyakh流域灌溉系统主要调节河岸右侧的排水物理力学特性，研究成果见表3，图4展示了洞口位置、墙面方案、取样地点和洞室照片。

表1 Khorobut盆地灌溉系统溢洪道右侧土体的湿度和容重

表2 1993年10月10日Khorobut流域溢洪道地基边缘勘探洞不同深度下土体的湿度、容重和颗粒比重

图3 Khorobut溢洪道的展望洞口布置图

图4 Orosuno-Negedyakh盆地灌溉系统的土体物理力学性质的取样地点

土壤是一种多孔结构，具有以下特征：液限为31.5%，塑性极限为19.0，塑性指数为12.5[4]。实验证实了溢洪道侧墙存在冻结岩心，外部保护层产生了一条宽2 cm深1.5 m清晰可见的裂缝。与保护层接触的土体湿度为18%～20.7%，容重为1.26 g/cm3。在Khorobut河的溢洪道温湿度监测中可以看出，当排水调节器移开时土体的容重在减少。因此在距地表1.0 m处土层容重从1.8 g/cm3减少到距地表0.8 m处的1.52 g/cm3(见表3)，在距地表2 m处土层容重从1.94 g/cm3变为1.84 g/cm3。

表3 1995年7月29日Verkhneviluisky地区的Orosuno-Negedyakh流域灌溉系统，由预制钢筋混凝土制成的排水调节器在溢洪道右侧探测洞测得数据

续表3

续表3

3 溢洪道周围土体形变动态监测与分析

溢洪道周围土体变形及其压力关系的实验成果与预测结果相吻合，表明最活跃的过程发生在湿热区域形成的第一年。图5显示了索拉河Khorobut流域灌溉系统钢筋混凝土溢洪道周围土体的变形和土压力的动态变化。考虑到第一年运行，按条件分为四个阶段：第一阶段是从10月—次年1月初，第二阶段是从1月—3月中旬，第三阶段是从3月中旬—5月初，第四阶段是从5月中旬—9月底。

第一阶段，由于自由水冻结，矿物颗粒向溢洪道侧墙移动，导致土体体积增加。压力传感器显示压力从0增加到2.3～3.6 kg/cm2。在第二阶段，由于土体温度继续降低(温度达到-30 ℃)，其余的自由水和未冻水也会结冰，导致土体体积急剧膨胀，颗粒进一步向溢洪道移动。同时深部土体由于压力增大会导致矿物颗粒和冰的体积减

1.变形传感器放置地点的地温，℃；2.距侧墙40 cm处的土壤的变形；3.距侧墙15 cm处的土壤的变形；4.侧墙下土壤的压力。图中P为压力，kg/cm2；t为温度，℃；Δl为变形，mm。图5 溢洪道的变形和土体压力动态变化

少。这些变形是逐渐积累起来的，在2月底—3月初将会在溢洪道周围引起土体运移。溢洪道周围土压力降至0。第三阶段，当土体温度从-30 ℃上升到0 ℃时，土体矿物颗粒的温度变形将会导致颗粒向溢洪道附近移动。最后，发生在5月底的第四阶段，当土体温度升高到0 ℃以上时，颗粒继续向溢洪道附近运动，直到到达第一阶段结束的状态。溢洪道附近土体移动的最大距离为1.0 mm。观测周期为1 a，之后因洪水导致传感器故障而中断。

下一个观测周期在1991年测量设备更新后开始，到1993年结束，共持续了3 a时间。

如下为3 a的土体变形动态：在1991—1992年冬季，土体颗粒运动总体趋势是从溢洪道移动到土坝堤防。从1992年4月中下旬开始进入春季，土体开始向溢洪道移动。到1993年，这种从溢洪道向堤岸移动的趋势保持不变。值得注意的是，朝堤岸移动的土体颗粒没有回到先前的状态，因此证实了溢洪道附近的土体运移。

1991年9月开始对溢洪道土压力动态进行研究。在最初安装传感器之后，溢洪道的解冻土压力范围为1.1～2.2 kg/cm2且无规律性。

对1.0 m、2.5 m、3.5 m和4.5 m深度处土体冻结过程中压力进行监测。11月时2.5 m、3.5 m和4.5 m深度处土体的压力分别为2.4 kg/cm2、3.6 kg/cm2和2.4 kg/cm2,由于人为原因未测得1.0 m处压力值。到12月份下旬压力急剧下降。压力在1.0 m和4.5 m处为0，2.5 m处为0.3 kg/cm2，3.5 m处为1.0 kg/cm2。

将这些资料与该时期的土体温度资料进行比较，注意到溢洪道附近土体正在移动，因此存在总体或局部的压力释放。到1992年4月中旬，压力在2.5～3.5 m的深度范围内其均值下降到0.5 kg/cm2。从4月中旬受到变形过程影响开始在溢洪道的压力就开始增加。在深度为1.0～2.5 m时，压力均值增加到1.0 kg/cm2，在3.5～4.0 m深度时，压力增加到1.5 kg/cm2。4月初，由于太阳辐射增强致使表面黑化(道路越过溢洪道)增加，雪开始融化。白天，水进入土体和墙壁之间的间隙，到晚上冻结，从而产生额外的压力(溢洪道土体温度平均为-11 ℃)。溢洪道土体融化层和土体覆盖层压力稳定，一直到夏季，期间平均压力为1.2 kg/cm2。脱水过程(7月至次年4月初)压力一直下降，平均值为0.4 kg/cm2。1992年10月—1993年4月期间，由于剩余水分冻结，深度为1.0 m、2.5 m和3.5 m的土体中平均压力增加到1.0 kg/cm2，在深4.5 m处的土体中压力增至1.7 kg/cm2。

因此，总结这项研究发现土体和结构相互作用是一个非常复杂的过程，它取决于许多因素。

在溢洪道附近土体冻结后的第一年，观测到溢洪道上的土体有运移现象(见图6)。在随后的几年里，季节性解冻后，土体与溢洪道侧墙之间的间隙可以被流动的土体填满。同时，在长达几年的循环中，与冷冻的第一年发生了相同的过程，但它们更平滑且具有更小的压力。

实验过程证实了我们对于承压结构中土体运移的假设。该结构在运行第一年的大规模损坏可以用土体运移来解释，而这一点也得到了调查的证实。在自然条件下，首次获得了在湿热状态形成过程中溢洪道附近的变形值和土压力值，这些数据可解决灌溉排水工程实际问题。

图6 Byutydyakh工程出口3和Khorobut流域灌溉系统的钢筋混凝土底座的墙体上因土体运移而形成的裂缝

4 结 论

在围护结构下多年冻土地基温度场温度应力动态的研究相当重要，通过对俄罗斯西伯利亚典型高寒区土坝的溢洪道附近土体进行分阶段动态分析研究发现，即使对于一个很小的结构，温度应力也取决于诸多因素，例如积雪、湿度、接触区域的热量交换率等。而对溢洪道湿度和容重的长周期温度应力动态监测研究发现，若将防渗装置深入基础和堤防，则更有助于开发新防渗模式并改善涵洞现有结构。溢洪道侧墙压力下土体变形的分阶段动态研究在自然条件下首次监测到在湿热状态形成过程中溢洪道附近土体的变形值和压力值，也由此解释了裂缝出现的原因和土壤运移的原因。