俄羅斯薩哈共和國(guó)低水頭土石壩水分動(dòng)態(tài)和物理力學(xué)性質(zhì)分析

魯?shù)婪颉じダ琢_維奇·張 著；戴長(zhǎng)雷，王 羽，于 淼,5 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(guó) 雅庫(kù)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)，薩哈共和國(guó) 雅庫(kù)茨克 677000)

1 研究背景

多年凍土區(qū)壩體的熱力狀態(tài)和土壤力學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定是其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和滲透穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，可以說(shuō)沒(méi)有持續(xù)的對(duì)低水頭土石壩進(jìn)行長(zhǎng)期觀察研究。根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)的熱力狀態(tài)和土壤的力學(xué)性質(zhì)在壩體運(yùn)行期間持續(xù)變化，并且相對(duì)初始狀態(tài)變化明顯[1]。

低水頭土石壩綜合地質(zhì)研究的目的是研究熱力含水率狀態(tài)、應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)和低溫狀態(tài)對(duì)壩體穩(wěn)定性的影響。

R.V.Zhang詳細(xì)研究了雅庫(kù)特中部地區(qū)自然條件下的天然凍結(jié)土壩溫度狀態(tài)的動(dòng)態(tài)。揭示了壩體在運(yùn)行的最初幾年以及在穩(wěn)態(tài)下溫度狀態(tài)形成的主要特征和模式[2]。已經(jīng)確定，河口壩是季節(jié)性凍融的。由于大面積的熱交換面的存在，并且沒(méi)有永久凍土層，存在明顯的溫度和含水率梯度。溫度梯度冬季為10 ℃/m，夏季為20 ℃/m，含水率梯度為10%/m)；溫度年變化率可達(dá)50%，含水率年變化率可達(dá)15%。在夏季和冬季水分均會(huì)重新分布[3-4]。

根據(jù)實(shí)際需求，有必要對(duì)雅庫(kù)特其他地區(qū)的壩體工作期間溫度動(dòng)態(tài)規(guī)律進(jìn)行研究。由于使用季節(jié)性冷凍裝置來(lái)制造凍土型防滲帷幕，這些研究是非常復(fù)雜的。同時(shí)，為了建立能夠揭示壩體運(yùn)行期間壩體內(nèi)部溫度動(dòng)態(tài)情況的溫度物理模型，在壩體運(yùn)行期進(jìn)行了全面的研究。這些研究包括壩體的土壤水動(dòng)力學(xué)和土力學(xué)特性，以及夏季土壤水熱虹吸的相關(guān)特性。

研究的對(duì)象是雅庫(kù)特Gorny地區(qū)和Megino-Kangalassky地區(qū)的土石壩。對(duì)這些地區(qū)的地質(zhì)和氣候條件，以及壩體的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和施工技術(shù)進(jìn)行了詳盡的論述[1,3,5]。

2 水分動(dòng)態(tài)分析

在計(jì)算水工建筑物工作期間的溫度場(chǎng)和穩(wěn)定性時(shí)通常把土壤含水率假設(shè)為常數(shù)。對(duì)于長(zhǎng)期蓄水的水庫(kù)，由于上游水位通常低于壩體季節(jié)性凍融土壤層底部，上述假設(shè)顯然合理；但是對(duì)于非長(zhǎng)期蓄水水庫(kù)的低水頭土石壩(如河口壩、堤壩等)，因?yàn)檫@些壩長(zhǎng)期在特殊溫度和含水率條件下工作(有時(shí)類(lèi)似于公路的堤防)，此假設(shè)是否成立還有待證實(shí)。

在雅庫(kù)特的Gorny和Megino-Kangalassky地區(qū)的河口壩上首次研究了低水頭土石壩土壤水分的動(dòng)態(tài)變化。 這些壩包括新建的和早期建成已經(jīng)運(yùn)行多年的壩，壩體的土壤為亞砂土和亞黏土[3]。

在壩堤的自然水位處，每月測(cè)量一次土壤含水率，鉆孔深度分別為0 m、0.5 m、1.0 m、2.0 m、2.5 m。通過(guò)收集鉆孔土樣并在105 ℃的溫度下烘干(干重法)，來(lái)觀察土樣的水分動(dòng)態(tài)。

雅庫(kù)特Gorny地區(qū)Hos-Yurakh灌區(qū)1號(hào)壩運(yùn)行的第一年，壩體土壤含水率動(dòng)態(tài)特征為壩堤內(nèi)土壤水分的再分布，如表1所示，冬季壩體中部的平均含水率從0.68降到了0.36，但是在上游壩趾含水率從0.33增加到0.43，下游壩趾從0.30增加到0.33。含水率的變化可以通過(guò)壩體的凍結(jié)特征解釋。壩體大面積的熱交換面導(dǎo)致了水分從壩體中部向凍結(jié)區(qū)(即壩坡)遷移。第二年的夏天，由于空氣含水率很低，壩體土壤含水率普遍降低，在壩體中部從0.35降到了0.28，在下游壩趾處從0.32降到0.27,壩堤的土壤濕度變化如圖1(a)所示。

表1 雅庫(kù)特Gorny地區(qū)Hos-Yurakh灌區(qū)1號(hào)壩土壤含水率

春季洪水(5月18日—6月3日)影響了上游壩趾的土壤含水率：在洪水期間，含水率從0.43增加到了0.57。

雅庫(kù)特Megino-kangalassky地區(qū)Khorobut灌區(qū)壩體運(yùn)行的最初幾年中，壩體土壤含水率變化最為明顯。隨后幾年的土壤含水率動(dòng)態(tài)需要通過(guò)5年前建成的另一座壩體數(shù)據(jù)來(lái)判斷。壩體土壤平均含水率在2 m深度范圍內(nèi)為0.22，壩堤的土壤濕度如圖1(b)所示。

根據(jù)對(duì)河口壩土壤含水率動(dòng)態(tài)分析表明，在運(yùn)行的最初幾年的土壤含水率一直呈下降趨勢(shì)，僅在壩體運(yùn)行的第一年，壩體中部土壤含水率就減少了一半以上。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，在溫度和含水率條件穩(wěn)定的情況下，雅庫(kù)特中部地區(qū)以亞砂土和亞黏土填充的壩堤的土壤含水率為0.17～0.18，如表2和表3所示[2]。壩體土壤含水率在夏季有很大波動(dòng)，含水率梯度能達(dá)0.1/m?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在雅庫(kù)特中部地區(qū)，由于土壤凍融過(guò)程中干燥及低溫環(huán)境，低水頭土石壩容易發(fā)生脫水。壩體上層土壤的重度脫水會(huì)影響壩體的強(qiáng)度、滲透性和土壤熱力物理性質(zhì)。在夏季，壩體表面會(huì)因干燥而產(chǎn)生相當(dāng)深的裂縫，這些裂縫會(huì)在冬季因凍裂而加深[1]。

圖1 土壤含水率變化

表2 雅庫(kù)特Megino-Kangalassky地區(qū)Khorobut灌區(qū)壩土壤含水率

表3 雅庫(kù)特Megina-Kangalasskiy地區(qū)Khorobut灌區(qū)3號(hào)壩土壤含水率

眾所周知，除其他因素外， 多年凍土的穩(wěn)定性很大程度上取決于其含水量(含冰量)。例如，I.N.Votyakov證明了凍結(jié)亞砂土的強(qiáng)度減少了1.36倍[6]。凍土的滲透性很大程度上取決于含冰量，對(duì)于凍結(jié)砂土，當(dāng)土壤含水率從0.17變?yōu)?.02時(shí)，滲透系數(shù)會(huì)增加80倍以上。融化凍土的滲透系數(shù)還取決于解凍前的含冰量。例如，根據(jù)G.V.Porkhaev1960年的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，冰層厚度為3 mm的解凍的亞砂土凍土層的滲透系數(shù)是冰層厚度為2 mm的兩倍[7]。根據(jù)A.S.Kurilko的研究，與沒(méi)有凍結(jié)的土樣相比，經(jīng)過(guò)4次凍融處理的黏土以及黏土與砂土的混合物的滲透系數(shù)增加了2～3倍[8-9]。多年凍土的熱力物理性質(zhì)會(huì)隨土壤含水率的變化而變化。隨著亞砂土含水率從0.3降低到0.1，其導(dǎo)熱系數(shù)幾乎降低了2倍。

顯然，在多年凍土條件下的低水頭土石壩的穩(wěn)態(tài)、滲透和熱力計(jì)算中，有必要考慮土壤水分動(dòng)態(tài)。這里列出的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)是這些計(jì)算的第一類(lèi)基本數(shù)據(jù)[2]。

3 物理力學(xué)性質(zhì)分析

由于壩體處于復(fù)雜的熱度含水率環(huán)境，壩體土壤結(jié)構(gòu)有明顯的變形。這些變形有兩種類(lèi)型：宏觀結(jié)構(gòu)的變形和微觀結(jié)構(gòu)的變形。宏觀結(jié)構(gòu)變形表現(xiàn)為干燥裂縫，裂縫深度可達(dá)1.4 m，土體表面裂縫寬度達(dá)3～5 cm。隨著寒冷季節(jié)的到來(lái)，這些裂縫成為冷空氣進(jìn)入壩體的通道，在短短幾天內(nèi)就使2.0～2.5 m深度處的溫度達(dá)到-4～-5 ℃。由于這種突然的降溫和冷凍，導(dǎo)致土壤內(nèi)的由溫度引起的拉應(yīng)力超過(guò)土壤的抗拉強(qiáng)度，加深了夏季干燥裂縫的深度，并產(chǎn)生新的凍裂。在氣溫回升后這些裂縫被水填充，在第二年冬季水結(jié)冰體積膨脹，繼續(xù)加深裂縫，形成惡性循環(huán)。

因此，壩體季節(jié)性凍融條件下的變形，即表現(xiàn)為凍裂和干燥裂縫的土壤宏觀結(jié)構(gòu)的變形，對(duì)微觀結(jié)構(gòu)變形也有顯著的影響，表現(xiàn)為土壤顆粒級(jí)配、容重等物理力學(xué)性質(zhì)的變化。隨著顆粒成分的變化，土體發(fā)生了一些軟化現(xiàn)象，如表4所示。在深度1.0 m處，土壤容重從1970年的1.70 g/cm3變?yōu)?976年的1.56 g/cm3，在0.4 m處從1970年的1.96 g/cm3變?yōu)?976年的1.71 g/cm3?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與P.A.Rebindener和G.I.Loginov、E.M.Sergeev和A.V.Minervin、N.F.Poltev、V.N.Konischev、E.D.Ershov等人的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致[10-16]。

表4 雅庫(kù)特Khorobut灌區(qū)3號(hào)壩的壩體土壤顆粒級(jí)配動(dòng)態(tài)變化

4 結(jié) 論

(1)在壩體運(yùn)行的最初幾年中，壩體土壤含水率變化最為明顯，且一直呈下降趨勢(shì)，僅在壩體運(yùn)行的第一年，壩體中部土壤含水率就減少了一半以上。

(2)多年凍土的穩(wěn)定性和滲透性很大程度上取決于其含冰量。故在多年凍土條件下的低水頭土石壩的穩(wěn)態(tài)、滲透和熱力計(jì)算中，有必要考慮土壤水分動(dòng)態(tài)情況。

(3)試驗(yàn)證明，在多年凍土區(qū)域，由于大面積的熱交換，壩體中礦物土壤顆粒比相同條件下非凍土地區(qū)發(fā)生分解的時(shí)間更短。

(4)應(yīng)當(dāng)指出，低水頭土石壩的溫度、含水率以及熱應(yīng)力狀態(tài)非常復(fù)雜。在運(yùn)行過(guò)程中，壩體土壤參數(shù)與初始參數(shù)之間存在明顯的變化。在設(shè)計(jì)堤壩時(shí)應(yīng)考慮到這一事實(shí)，并做出預(yù)測(cè)及解決方案。