鲁道夫·弗拉基米罗维奇·张 著；戴长雷，王 羽，于 淼,5 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.东北联邦大学，萨哈共和国 雅库茨克 677000)

1 研究背景

多年冻土区坝体的热力状态和土壤力学性质的稳定是其结构稳定性和渗透稳定性的基础。根据以往的经验，可以说没有持续的对低水头土石坝进行长期观察研究。根据现有的数据，结构的热力状态和土壤的力学性质在坝体运行期间持续变化，并且相对初始状态变化明显[1]。

低水头土石坝综合地质研究的目的是研究热力含水率状态、应力应变状态和低温状态对坝体稳定性的影响。

R.V.Zhang详细研究了雅库特中部地区自然条件下的天然冻结土坝温度状态的动态。揭示了坝体在运行的最初几年以及在稳态下温度状态形成的主要特征和模式[2]。已经确定，河口坝是季节性冻融的。由于大面积的热交换面的存在，并且没有永久冻土层，存在明显的温度和含水率梯度。温度梯度冬季为10 ℃/m，夏季为20 ℃/m，含水率梯度为10%/m)；温度年变化率可达50%，含水率年变化率可达15%。在夏季和冬季水分均会重新分布[3-4]。

根据实际需求，有必要对雅库特其他地区的坝体工作期间温度动态规律进行研究。由于使用季节性冷冻装置来制造冻土型防渗帷幕，这些研究是非常复杂的。同时，为了建立能够揭示坝体运行期间坝体内部温度动态情况的温度物理模型，在坝体运行期进行了全面的研究。这些研究包括坝体的土壤水动力学和土力学特性，以及夏季土壤水热虹吸的相关特性。

研究的对象是雅库特Gorny地区和Megino-Kangalassky地区的土石坝。对这些地区的地质和气候条件，以及坝体的设计结构和施工技术进行了详尽的论述[1,3,5]。

2 水分动态分析

在计算水工建筑物工作期间的温度场和稳定性时通常把土壤含水率假设为常数。对于长期蓄水的水库，由于上游水位通常低于坝体季节性冻融土壤层底部，上述假设显然合理；但是对于非长期蓄水水库的低水头土石坝(如河口坝、堤坝等)，因为这些坝长期在特殊温度和含水率条件下工作(有时类似于公路的堤防)，此假设是否成立还有待证实。

在雅库特的Gorny和Megino-Kangalassky地区的河口坝上首次研究了低水头土石坝土壤水分的动态变化。 这些坝包括新建的和早期建成已经运行多年的坝，坝体的土壤为亚砂土和亚黏土[3]。

在坝堤的自然水位处，每月测量一次土壤含水率，钻孔深度分别为0 m、0.5 m、1.0 m、2.0 m、2.5 m。通过收集钻孔土样并在105 ℃的温度下烘干(干重法)，来观察土样的水分动态。

雅库特Gorny地区Hos-Yurakh灌区1号坝运行的第一年，坝体土壤含水率动态特征为坝堤内土壤水分的再分布，如表1所示，冬季坝体中部的平均含水率从0.68降到了0.36，但是在上游坝趾含水率从0.33增加到0.43，下游坝趾从0.30增加到0.33。含水率的变化可以通过坝体的冻结特征解释。坝体大面积的热交换面导致了水分从坝体中部向冻结区(即坝坡)迁移。第二年的夏天，由于空气含水率很低，坝体土壤含水率普遍降低，在坝体中部从0.35降到了0.28，在下游坝趾处从0.32降到0.27,坝堤的土壤湿度变化如图1(a)所示。

表1 雅库特Gorny地区Hos-Yurakh灌区1号坝土壤含水率

春季洪水(5月18日—6月3日)影响了上游坝趾的土壤含水率：在洪水期间，含水率从0.43增加到了0.57。

雅库特Megino-kangalassky地区Khorobut灌区坝体运行的最初几年中，坝体土壤含水率变化最为明显。随后几年的土壤含水率动态需要通过5年前建成的另一座坝体数据来判断。坝体土壤平均含水率在2 m深度范围内为0.22，坝堤的土壤湿度如图1(b)所示。

根据对河口坝土壤含水率动态分析表明，在运行的最初几年的土壤含水率一直呈下降趋势，仅在坝体运行的第一年，坝体中部土壤含水率就减少了一半以上。

从试验数据来看，在温度和含水率条件稳定的情况下，雅库特中部地区以亚砂土和亚黏土填充的坝堤的土壤含水率为0.17～0.18，如表2和表3所示[2]。坝体土壤含水率在夏季有很大波动，含水率梯度能达0.1/m。现场观测数据显示，在雅库特中部地区，由于土壤冻融过程中干燥及低温环境，低水头土石坝容易发生脱水。坝体上层土壤的重度脱水会影响坝体的强度、渗透性和土壤热力物理性质。在夏季，坝体表面会因干燥而产生相当深的裂缝，这些裂缝会在冬季因冻裂而加深[1]。

图1 土壤含水率变化

表2 雅库特Megino-Kangalassky地区Khorobut灌区坝土壤含水率

表3 雅库特Megina-Kangalasskiy地区Khorobut灌区3号坝土壤含水率

众所周知，除其他因素外， 多年冻土的稳定性很大程度上取决于其含水量(含冰量)。例如，I.N.Votyakov证明了冻结亚砂土的强度减少了1.36倍[6]。冻土的渗透性很大程度上取决于含冰量，对于冻结砂土，当土壤含水率从0.17变为0.02时，渗透系数会增加80倍以上。融化冻土的渗透系数还取决于解冻前的含冰量。例如，根据G.V.Porkhaev1960年的实验数据，冰层厚度为3 mm的解冻的亚砂土冻土层的渗透系数是冰层厚度为2 mm的两倍[7]。根据A.S.Kurilko的研究，与没有冻结的土样相比，经过4次冻融处理的黏土以及黏土与砂土的混合物的渗透系数增加了2～3倍[8-9]。多年冻土的热力物理性质会随土壤含水率的变化而变化。随着亚砂土含水率从0.3降低到0.1，其导热系数几乎降低了2倍。

显然，在多年冻土条件下的低水头土石坝的稳态、渗透和热力计算中，有必要考虑土壤水分动态。这里列出的现场观测数据是这些计算的第一类基本数据[2]。

3 物理力学性质分析

由于坝体处于复杂的热度含水率环境，坝体土壤结构有明显的变形。这些变形有两种类型：宏观结构的变形和微观结构的变形。宏观结构变形表现为干燥裂缝，裂缝深度可达1.4 m，土体表面裂缝宽度达3～5 cm。随着寒冷季节的到来，这些裂缝成为冷空气进入坝体的通道，在短短几天内就使2.0～2.5 m深度处的温度达到-4～-5 ℃。由于这种突然的降温和冷冻，导致土壤内的由温度引起的拉应力超过土壤的抗拉强度，加深了夏季干燥裂缝的深度，并产生新的冻裂。在气温回升后这些裂缝被水填充，在第二年冬季水结冰体积膨胀，继续加深裂缝，形成恶性循环。

因此，坝体季节性冻融条件下的变形，即表现为冻裂和干燥裂缝的土壤宏观结构的变形，对微观结构变形也有显著的影响，表现为土壤颗粒级配、容重等物理力学性质的变化。随着颗粒成分的变化，土体发生了一些软化现象，如表4所示。在深度1.0 m处，土壤容重从1970年的1.70 g/cm3变为1976年的1.56 g/cm3，在0.4 m处从1970年的1.96 g/cm3变为1976年的1.71 g/cm3。现场实测数据与P.A.Rebindener和G.I.Loginov、E.M.Sergeev和A.V.Minervin、N.F.Poltev、V.N.Konischev、E.D.Ershov等人的实验数据一致[10-16]。

表4 雅库特Khorobut灌区3号坝的坝体土壤颗粒级配动态变化

4 结 论

(1)在坝体运行的最初几年中，坝体土壤含水率变化最为明显，且一直呈下降趋势，仅在坝体运行的第一年，坝体中部土壤含水率就减少了一半以上。

(2)多年冻土的稳定性和渗透性很大程度上取决于其含冰量。故在多年冻土条件下的低水头土石坝的稳态、渗透和热力计算中，有必要考虑土壤水分动态情况。

(3)试验证明，在多年冻土区域，由于大面积的热交换，坝体中矿物土壤颗粒比相同条件下非冻土地区发生分解的时间更短。

(4)应当指出，低水头土石坝的温度、含水率以及热应力状态非常复杂。在运行过程中，坝体土壤参数与初始参数之间存在明显的变化。在设计堤坝时应考虑到这一事实，并做出预测及解决方案。