魯?shù)婪颉じダ琢_維奇·張 著；戴長雷，李卉玉，于　淼，劉琛琛 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.黑龍江省寒地建筑科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080；5.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)

寒區(qū)土壩季節(jié)性凍融對壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有很大影響。在土壩內(nèi)配置熱虹吸冷卻器(又稱熱棒)，通過冷卻器的單向?qū)Ю渥饔?，冬天在凍土層中儲存大量冷量，在夏季使凍土不致融化，形成“永凍層”，提高了凍土的強度，可有效防止壩體沉降。該技術(shù)可以為高寒地區(qū)的水工建筑物的修建提供思路。本文對俄羅斯薩哈(雅庫特)共和國典型土壩在熱虹吸冷卻器作用下的熱力學(xué)監(jiān)測與分析進行論述。

1　土壩的基礎(chǔ)參數(shù)

位于馬干卡河下游的一座土壩，建于1980年，距離雅庫茨克市7 km。蓄存水量用于灌溉190 hm2的馬鈴薯田。針對這座土壩進行一項實驗研究[1-4]。

該地區(qū)年均溫度是-10.3 ℃；一月份平均氣溫為-45 ℃；七月份的平均溫度為19 ℃；溫度的最低值為-64 ℃；溫度最高值為38 ℃。冬季的平均風(fēng)速為1.8 m/s。年均降水量為247 mm。監(jiān)測地區(qū)的積雪厚度達到29 cm。地表以下45 cm的永凍層在不斷地向外擴張，溫度范圍為-2.7～-3 ℃。同樣，在湖泊和小河的河床下也有深度范圍在10～15 m的不凍層。

地基具有下列工程特點。馬干卡河左右岸是由不同類型土壤組成的(圖1)，在1977年11月對深度達5 m處的凍土層邊界進行鉆探，根據(jù)鉆探數(shù)據(jù)得出，土壤的平均濕度為0.21，容重為1910 kg/m3。

圖1　馬干卡河下游壩體縱剖面圖

河床上的土壤水分達到飽和狀態(tài)。但不凍層的厚度并未確定。河谷的右岸由肥沃的土壤組成，被不同粒度的砂石覆蓋，厚度為1～2 m。這些沙地的平均濕度為0.45；體積重量為1560 kg/m3。凍土上限位于深度為1～2 m處。

土壩長142 m，寬10 m，高11 m，其中黏土部分用推土車和自動傾卸卡車進行施工(土壤的物理性質(zhì)見表1～表4)。它被設(shè)計為一個自然凍結(jié)的土壩。其中泄洪道和擋水墻被用于泄洪以及污水處理。直徑為1 m，長60 m的金屬管道，從土壩右側(cè)的頂部以1∶10的傾斜度放置。順著管道，每隔6～8 m的地方安有四個面積為2.5 cm×2.5 cm的金屬隔膜。在正常水位下有一個臨界值，臨界值之上的進水口部分由鋼筋混凝土澆筑而成。

表1　馬干卡河下游壩頂以下0.5 m處土壤濕度　%

事實上，這個土壩是在原有土壩的基礎(chǔ)上重建的。原有的土壩建于1973年，曾分別在1975年和1980年兩次遭到破壞。在1982年，洪水對重新建造的土壩造成影響，并且在出水管道中發(fā)現(xiàn)了漏洞，這是接觸面滲流的證據(jù)。盡管變形的部分已經(jīng)修理，但是一個關(guān)于提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的技術(shù)問題被提出來。

表3　馬干卡河下游壩頂以下0.5 m處土壤密度　g·cm-3

表4　馬干卡河下游壩頂以下1.2 m處土壤密度　g·cm-3

2　熱虹吸冷卻器布置方案

為了提高土壩的不透水性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在1982年將熱虹吸冷卻器插入土壩的堤岸和地基中。1982年12月—1983年1月，熱虹吸冷卻器被插入土壩的頂部邊緣，間距為2.5 m[5]。熱虹吸冷卻器長度為3.5～13.0 m，管外徑為145 mm，內(nèi)徑為66 mm。外部換熱器由直徑為219 mm的管子制成,它的高度為2 m，并有一個由翼緣寬度為70 mm 的角鋼組成的縱向散熱片。換熱器使用柴油作為傳熱劑，傳熱率是1.6。圖2～圖4顯示了熱虹吸冷卻器的布置方案。

圖2　土壩中熱虹吸冷卻器布置圖

圖3　土壩中熱虹吸冷卻器橫向布置圖

圖4　土壩中熱虹吸冷卻器縱向布置圖

在雅庫特的灌溉排水壩建設(shè)實踐中，首次使用了熱虹吸冷卻器。研究的目的是在自然條件下檢查熱虹吸冷卻器在給定間距下運行的效率。其次是在堤岸和壩基上對溫度條件進行多年監(jiān)測，對5～15 m深度的地?zé)徙@井進行了土壤溫度動態(tài)變化的研究?？赏ㄟ^鉆孔對熱虹吸冷卻器之間的冰土墻進行溫度測量，其中側(cè)向剖面由斜坡和壩頂上、下兩側(cè)的4個鉆孔進行監(jiān)測，橫向剖面由熱虹吸現(xiàn)場2處鉆孔進行監(jiān)測。

3　壩體與地基溫度動態(tài)監(jiān)測

定期監(jiān)測始于1983年2月。監(jiān)測開始時，路堤沿橫斷面的周邊被凍結(jié)深度為2～4 m，在深度為15 m處，在0.1 ℃的溫度下解凍。

圖5給出了壩體橫截面溫度場的動態(tài)變化。1983年的監(jiān)測表明，在2個月的熱虹吸冷卻器運行之后，土壤溫度的降低不明顯。虹吸0.7 m內(nèi)的溫度下降到0.7～0.8 ℃，在1.1 m內(nèi)下降到0.1～0.2 ℃。在夏季，當(dāng)虹吸管關(guān)閉時，解凍的地塊出現(xiàn)冷水流出，導(dǎo)致溫度升高。在7～10 m的深度，只比最初的低0.2～0.4 ℃。在1983年冬季，熱虹吸冷卻器再次開啟，溫度開始急劇下降。在1984年1月底，觀察到了土冰柱的牢固封閉。 1984年4月，7～10 m深的土壤溫度達到-2.9 ℃，1985年4月，土壤溫度達到-6 ℃。每年都有明顯的溫度下降趨勢，這一結(jié)果得到1989年3月以前持續(xù)6年監(jiān)測結(jié)果的支持(圖6)。

圖5　配置液體虹吸管冷卻器后壩體和地基的溫度場動態(tài)圖

為確定在熱虹吸冷卻器之間形成了堅固的冰土墻，在1984年7月完成了深度為15 m的鉆孔檢查。在鉆孔檢查時發(fā)現(xiàn)直到11 m深度的是冰土墻的核心。更深處，在15 m深度處土壤為層狀冷凍結(jié)構(gòu)，冰包裹層的厚度為1～2 mm。低溫條件下的比較分析表明了土壤凍結(jié)的條件：深度為11 m時，土壤處于熱虹吸冷卻器的強烈側(cè)向影響區(qū)域，當(dāng)土壤深度超過11 m時，土壤受熱虹吸冷卻器兩端表面影響。 1985年10月，在同一地點，重新鉆了深22 m的鉆孔。鉆孔的結(jié)果再次證明形成了堅實的冰土墻，提供了土壩的不透水性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

對出口管周圍熱態(tài)形成的觀測具有一定的參考價值。研究表明，涵洞溢洪道是冬季冰凍、夏季解凍的通道。熱狀態(tài)的動態(tài)變化如圖7所示。

1—6年的地面溫度趨勢；2—距離熱虹吸冷卻器0.7 m溫度動態(tài)；3—距離熱虹吸冷卻器1.1 m溫度動態(tài)；4—距離熱虹吸冷卻器10 m溫度動態(tài)圖6　8 m深度處土壤溫度場動態(tài)圖

圖7　土壩溢洪道土體溫度場動態(tài)圖

但因為管道和熱虹吸冷卻器的接頭沒有配備控制和測量工具，只能通過目測來得出結(jié)論。6年的現(xiàn)場觀察顯示，沒有滲流，也沒有任何變形或故障。由此證明熱虹吸冷卻器產(chǎn)生了牢固凍結(jié)。因此，現(xiàn)場監(jiān)測證實了由熱虹吸冷卻器所產(chǎn)生的可靠的冰土墻的可能性[6]。

4　結(jié)　論

(1)建于1973年的土壩，曾分別在1975年和1980年兩次遭到破壞。1982年，洪水對重新建造的土壩再次造成損害，并且在出水管道中發(fā)現(xiàn)了漏洞，壩體結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定。

(2)1989年3月以前持續(xù)6年監(jiān)測結(jié)果表明，熱虹吸冷卻器運行之后，土壤溫度每年明顯下降。在熱虹吸冷卻器作用下，形成堅實的冰土墻，提高土壩的不透水性。

(3)根據(jù)多年現(xiàn)場監(jiān)測顯示，在安裝熱虹吸冷卻器后，土壩沒有發(fā)生滲流，也沒有任何變形或故障，表明熱虹吸冷卻器產(chǎn)生的牢固凍結(jié)明顯提高了壩體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

參考文獻：

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[3]Соловьев П А. Многолетняя мерзлота (криолитозона)[C] // Атлас сельского хозяйства Якутской АССР. Москва:1989.

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[5]Макаров В И. Термосифоны в северном строительстве[M]. Новосибирск: Наука, 1985.

[6]Чжан Р В. Создание противофильтрационного элемента в грунтовой плотине мелиоративного назначения [C]// Материалы конференций и совещаний по гидротехнике. Инженерное мерзлотоведение в гидротехнике. Ленинград:Энергоатомиздат, 1989.