西伯利亞典型溢洪道凍融物理模擬與溫度場分析

魯?shù)婪颉じダ琢_維奇·張 著；戴長雷，李卉玉，王 羽 譯

(1.俄羅斯科學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.黑龍江大學寒區(qū)地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；3.黑龍江大學 水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080；4.黑龍江大學中俄寒區(qū)水文和水利工程聯(lián)合實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080；5.黑龍江省寒地建筑科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

俄羅斯西伯利亞典型寒區(qū)溢洪道在寒冷條件下出現(xiàn)凍漲破壞，為了更加深入的把握溢洪道的破壞機理，由俄羅斯西伯利亞分院麥爾尼科夫凍土研究所的工程建設(shè)實驗室、冰川中心工程實驗室和中國科學院地質(zhì)研究所聯(lián)合開展研究，建立了溢洪道與凍土間的物理模型，并在物理模型的基礎(chǔ)上建立溢洪道周圍土體的溫度模型，通過對模型的分析與探討，證實了溢洪道側(cè)墻與土壤邊界發(fā)生土壤剝落，土壤與防滲帷幕斜面上的接觸面存在壓力等結(jié)論。

1 物理模擬

1.1 物理模擬基礎(chǔ)

此項研究由俄羅斯科學院西伯利亞分院麥爾尼科夫凍土研究所的工程建設(shè)實驗室、冰川中心工程實驗室和中國科學院地質(zhì)研究所于1994年3月在物理建模部聯(lián)合舉辦。

假設(shè)在施工期間溢洪道側(cè)墻與凍結(jié)回填土之間是相互作用的。這一假設(shè)是闡述凍土形變問題的基本前提，也是在自然和實驗室條件下進行此項研究的基礎(chǔ)[1]。

此研究意在建立涵洞鋼筋混凝土側(cè)墻土體剝落過程的模型，并對已建成的防滲帷幕進行試驗。

由于試驗的復雜性導致對長期循環(huán)中的凍融過程進行全面的建模并對整個低溫過程的模擬沒有成功。因此發(fā)現(xiàn)熱過程建模的特殊情況并提出如下假設(shè)：模型與實際工程所用材料完全相同，模型材料的溫度與自然條件下工程材料的溫度完全相同[2]。初始條件：回填土為黏土，濕度為0.3，容重為1.93 g/cm3，溫度為9.5 ℃。邊界溫度條件：第Ⅰ部分土壤溫度tⅠ=f1(t1)，第Ⅱ部分土壤溫度tⅡ=f2(t2)，第Ⅲ部分土壤溫度tⅢ=f3(t3)=常量，溢洪道各部分土壤初始溫度如表1所示。

表1 溢洪道各部分土壤初始溫度

假設(shè)模型材料及溫度符合實際條件，試驗的預期目標為：(1)確定在側(cè)墻與土壤的邊界處是否形成冰層。(2)檢查土壤與防滲帷幕斜面上的接觸面是否存在壓力[3]。

圖1為溢洪道側(cè)墻細部圖，圖2為溫度、壓力和形變傳感器布置圖，其中溫度傳感器還可以監(jiān)測土壤濕度、容重等參數(shù)。

圖1 溢洪道側(cè)墻細部圖(單位：cm)

(編號+型號，T為溫度傳感器、P為壓力傳感器、D為形變傳感器)圖2 溫度、壓力和形變傳感器布置圖(單位：cm)

將含水量等于飽和含水量的土壤裝載到模型中，其側(cè)表面覆蓋有聚乙烯薄膜以防止凍結(jié)。出于同樣的目的，溢洪道的混凝土碎片需涂抹一層凡士林。模塊的外部尺寸為1600 mm，寬度為980 mm，高度為1500 mm，如圖3所示。

模型的溫度范圍由專門設(shè)備控制，可以設(shè)定溫度范圍并在試驗期間自動保持在預設(shè)范圍內(nèi)。使用熱電偶裝置控制土壤凍結(jié)速率，每10 min測量一次溫度。用形變傳感器測量墻體的水平變形，測量范圍在1～30 mm之間。用BE-2KC型(日本)的傳感器測量壓力，測量范圍為0～2 kg/cm2。

所有信息，包括背景、計算和結(jié)果都通過計算機計算并保存在磁盤上。溫度記錄的時間間隔為10 min，變形和壓力記錄的時間間隔為30 min。

圖3 建模裝置模塊裝置尺寸(單位：mm)

1.2 物理模擬的結(jié)果與分析

模型凍結(jié)過程中溫度場表明了最高的溫度梯度存在于溢洪道開放面的主動熱交換區(qū)域。溫度梯度造成土壤水分的遷移，部分監(jiān)測點土壤濕度及容重狀況試驗數(shù)據(jù)見表2和表3，由表中數(shù)據(jù)可知在1994年3月18—29日上層滯水埋深持續(xù)下降。

試驗開始和結(jié)束時土體的溫度及水分分布如圖4和圖5所示。等濕度線表明了冷凍過程中發(fā)生了水分的遷移，水在熱交換表面上有所增加。容重分析表明，在凍結(jié)區(qū)域存在一些融化的土壤。在14 d的冷凍期后，打開模型觀察到如下結(jié)果：

側(cè)墻土壤表面沿水流方向發(fā)生了很大的溫度變形。土壤的垂直和水平形變導致土壤和排水結(jié)構(gòu)之間形成垂直裂縫，裂縫深度范圍為15～20 cm，頂部寬度范圍為1.2～1.5 cm。土壤表面由于水分遷移而被冰層覆蓋，冰厚范圍為1.5～2.0 cm。

表2 模型中心的土壤濕度情況 %

表3 1994年4月5日試驗結(jié)束時部分監(jiān)測點土壤濕度和容重情況

圖4 溢洪道側(cè)墻后溫度場動態(tài)(t為氣溫，℃)

圖5 最終土壤水分分布(W為濕度)

2 溫度場分析

利用上述模擬的方法，擴展了這些結(jié)構(gòu)能夠正常運轉(zhuǎn)的氣候條件和地質(zhì)條件，并將非穩(wěn)態(tài)溫度場問題轉(zhuǎn)化為二維溫度場問題[4]。以大壩的邊界條件確定了10個備選方案，同時也考慮了排水結(jié)構(gòu)幾何形狀及積雪的性質(zhì)。預期目標為排水結(jié)構(gòu)于9月1日建成，冬季結(jié)冰; 5月10日—6月10日為洪水期(水閘關(guān)閉，下游無水)。6月10日，水從下游排出，排水結(jié)構(gòu)保持干燥，直到第2年5月。計算區(qū)示意圖如圖6所示，溢洪道周圍巖石模型分區(qū)圖如圖7所示。

圖6 計算區(qū)示意圖

圖7 溢洪道周圍巖石模型分區(qū)圖(單位：m)

求解結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)基本吻合，觀測區(qū)內(nèi)溫度場的性質(zhì)基本相同。在回填土溫度場變化過程中，是否存在以垂直側(cè)墻開放性的熱交換面是求解過程中的一個決定性因素。排水結(jié)構(gòu)上的積雪推遲了結(jié)構(gòu)的凍結(jié)期和溫度穩(wěn)定期。

雅庫茨克中部地區(qū)典型氣候和地質(zhì)條件下的排水結(jié)構(gòu)溫度場如圖8和圖9所示?？紤]排水結(jié)構(gòu)積雪變化情況，以排水結(jié)構(gòu)位置劃分為工程北部、工程主體、工程南部，其間以溢洪道作為工程主體，溢洪道以南為工程南部，溢洪道以北為工程北部，雅庫茨克不同地質(zhì)氣候條件下溢洪道周圍土壤熱力狀態(tài)形成時期如表4所示。

表4 溢洪道側(cè)墻排水結(jié)構(gòu)周圍土壤溫度狀態(tài)形成時期

圖8 溢洪道周圍溫度場動態(tài)圖，℃(中心區(qū)域，所有部分均沒有積雪)

圖9 排水工程周圍溫度場動態(tài)圖，℃(中心區(qū)域，排水結(jié)構(gòu)被積雪覆蓋)

3 結(jié)論與建議

通過對物理模型觀測發(fā)現(xiàn)側(cè)墻土壤表面沿水流方向發(fā)生了很大的變形，結(jié)冰現(xiàn)象集中發(fā)生在排水結(jié)構(gòu)的整個垂直面上，冰厚度為0.1～0.3 cm。土壤和排水結(jié)構(gòu)之間形成垂直裂縫。對溫度模型的分析可知排水結(jié)構(gòu)上的積雪推遲了凍結(jié)期和溫度穩(wěn)定期。由于空氣和土壤的熱交換，排水工程周圍的溫度場分布非常復雜，在壩趾處形成一部分溫度更低的區(qū)域，溫度變化范圍在-4～-6 ℃之間。因此建議用于雅庫特的Khorobut，Orosuno-Negedyakh和Chappainda灌溉體系設(shè)計防滲帷幕。綜合考慮得出如下結(jié)論：

(1)土壤和防滲帷幕的斜面上存在壓力。

(2)試驗結(jié)果證實了溢洪道側(cè)墻與土壤邊界發(fā)生土壤剝落假設(shè)和冰層形成的假設(shè)。

(3)根據(jù)氣候條件和地質(zhì)條件，形成穩(wěn)定溫度的時間如下：工程北部區(qū)域為8～14 a; 工程主體區(qū)域為15～21 a，工程南部區(qū)域為21～43 a。