萨哈(雅库特)共和国典型土坝在热虹吸冷却器作用下的热力学监测

鲁道夫·弗拉基米罗维奇·张 著；戴长雷，李卉玉，于　淼，刘琛琛 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.黑龙江省寒地建筑科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080；5.中俄寒区水文和水利工程联合实验室，黑龙江 哈尔滨 150080)

寒区土坝季节性冻融对坝体结构稳定性有很大影响。在土坝内配置热虹吸冷却器(又称热棒)，通过冷却器的单向导冷作用，冬天在冻土层中储存大量冷量，在夏季使冻土不致融化，形成“永冻层”，提高了冻土的强度，可有效防止坝体沉降。该技术可以为高寒地区的水工建筑物的修建提供思路。本文对俄罗斯萨哈(雅库特)共和国典型土坝在热虹吸冷却器作用下的热力学监测与分析进行论述。

1　土坝的基础参数

位于马干卡河下游的一座土坝，建于1980年，距离雅库茨克市7 km。蓄存水量用于灌溉190 hm2的马铃薯田。针对这座土坝进行一项实验研究[1-4]。

该地区年均温度是-10.3 ℃；一月份平均气温为-45 ℃；七月份的平均温度为19 ℃；温度的最低值为-64 ℃；温度最高值为38 ℃。冬季的平均风速为1.8 m/s。年均降水量为247 mm。监测地区的积雪厚度达到29 cm。地表以下45 cm的永冻层在不断地向外扩张，温度范围为-2.7～-3 ℃。同样，在湖泊和小河的河床下也有深度范围在10～15 m的不冻层。

地基具有下列工程特点。马干卡河左右岸是由不同类型土壤组成的(图1)，在1977年11月对深度达5 m处的冻土层边界进行钻探，根据钻探数据得出，土壤的平均湿度为0.21，容重为1910 kg/m3。

图1　马干卡河下游坝体纵剖面图

河床上的土壤水分达到饱和状态。但不冻层的厚度并未确定。河谷的右岸由肥沃的土壤组成，被不同粒度的砂石覆盖，厚度为1～2 m。这些沙地的平均湿度为0.45；体积重量为1560 kg/m3。冻土上限位于深度为1～2 m处。

土坝长142 m，宽10 m，高11 m，其中黏土部分用推土车和自动倾卸卡车进行施工(土壤的物理性质见表1～表4)。它被设计为一个自然冻结的土坝。其中泄洪道和挡水墙被用于泄洪以及污水处理。直径为1 m，长60 m的金属管道，从土坝右侧的顶部以1∶10的倾斜度放置。顺着管道，每隔6～8 m的地方安有四个面积为2.5 cm×2.5 cm的金属隔膜。在正常水位下有一个临界值，临界值之上的进水口部分由钢筋混凝土浇筑而成。

表1　马干卡河下游坝顶以下0.5 m处土壤湿度　%

事实上，这个土坝是在原有土坝的基础上重建的。原有的土坝建于1973年，曾分别在1975年和1980年两次遭到破坏。在1982年，洪水对重新建造的土坝造成影响，并且在出水管道中发现了漏洞，这是接触面渗流的证据。尽管变形的部分已经修理，但是一个关于提高结构稳定性的技术问题被提出来。

表3　马干卡河下游坝顶以下0.5 m处土壤密度　g·cm-3

表4　马干卡河下游坝顶以下1.2 m处土壤密度　g·cm-3

2　热虹吸冷却器布置方案

为了提高土坝的不透水性和结构稳定性，在1982年将热虹吸冷却器插入土坝的堤岸和地基中。1982年12月—1983年1月，热虹吸冷却器被插入土坝的顶部边缘，间距为2.5 m[5]。热虹吸冷却器长度为3.5～13.0 m，管外径为145 mm，内径为66 mm。外部换热器由直径为219 mm的管子制成,它的高度为2 m，并有一个由翼缘宽度为70 mm 的角钢组成的纵向散热片。换热器使用柴油作为传热剂，传热率是1.6。图2～图4显示了热虹吸冷却器的布置方案。

图2　土坝中热虹吸冷却器布置图

图3　土坝中热虹吸冷却器横向布置图

图4　土坝中热虹吸冷却器纵向布置图

在雅库特的灌溉排水坝建设实践中，首次使用了热虹吸冷却器。研究的目的是在自然条件下检查热虹吸冷却器在给定间距下运行的效率。其次是在堤岸和坝基上对温度条件进行多年监测，对5～15 m深度的地热钻井进行了土壤温度动态变化的研究。可通过钻孔对热虹吸冷却器之间的冰土墙进行温度测量，其中侧向剖面由斜坡和坝顶上、下两侧的4个钻孔进行监测，横向剖面由热虹吸现场2处钻孔进行监测。

3　坝体与地基温度动态监测

定期监测始于1983年2月。监测开始时，路堤沿横断面的周边被冻结深度为2～4 m，在深度为15 m处，在0.1 ℃的温度下解冻。

图5给出了坝体横截面温度场的动态变化。1983年的监测表明，在2个月的热虹吸冷却器运行之后，土壤温度的降低不明显。虹吸0.7 m内的温度下降到0.7～0.8 ℃，在1.1 m内下降到0.1～0.2 ℃。在夏季，当虹吸管关闭时，解冻的地块出现冷水流出，导致温度升高。在7～10 m的深度，只比最初的低0.2～0.4 ℃。在1983年冬季，热虹吸冷却器再次开启，温度开始急剧下降。在1984年1月底，观察到了土冰柱的牢固封闭。 1984年4月，7～10 m深的土壤温度达到-2.9 ℃，1985年4月，土壤温度达到-6 ℃。每年都有明显的温度下降趋势，这一结果得到1989年3月以前持续6年监测结果的支持(图6)。

图5　配置液体虹吸管冷却器后坝体和地基的温度场动态图

为确定在热虹吸冷却器之间形成了坚固的冰土墙，在1984年7月完成了深度为15 m的钻孔检查。在钻孔检查时发现直到11 m深度的是冰土墙的核心。更深处，在15 m深度处土壤为层状冷冻结构，冰包裹层的厚度为1～2 mm。低温条件下的比较分析表明了土壤冻结的条件：深度为11 m时，土壤处于热虹吸冷却器的强烈侧向影响区域，当土壤深度超过11 m时，土壤受热虹吸冷却器两端表面影响。 1985年10月，在同一地点，重新钻了深22 m的钻孔。钻孔的结果再次证明形成了坚实的冰土墙，提供了土坝的不透水性和结构稳定性。

对出口管周围热态形成的观测具有一定的参考价值。研究表明，涵洞溢洪道是冬季冰冻、夏季解冻的通道。热状态的动态变化如图7所示。

1—6年的地面温度趋势；2—距离热虹吸冷却器0.7 m温度动态；3—距离热虹吸冷却器1.1 m温度动态；4—距离热虹吸冷却器10 m温度动态图6　8 m深度处土壤温度场动态图

图7　土坝溢洪道土体温度场动态图

但因为管道和热虹吸冷却器的接头没有配备控制和测量工具，只能通过目测来得出结论。6年的现场观察显示，没有渗流，也没有任何变形或故障。由此证明热虹吸冷却器产生了牢固冻结。因此，现场监测证实了由热虹吸冷却器所产生的可靠的冰土墙的可能性[6]。

4　结　论

(1)建于1973年的土坝，曾分别在1975年和1980年两次遭到破坏。1982年，洪水对重新建造的土坝再次造成损害，并且在出水管道中发现了漏洞，坝体结构并不稳定。

(2)1989年3月以前持续6年监测结果表明，热虹吸冷却器运行之后，土壤温度每年明显下降。在热虹吸冷却器作用下，形成坚实的冰土墙，提高土坝的不透水性。

(3)根据多年现场监测显示，在安装热虹吸冷却器后，土坝没有发生渗流，也没有任何变形或故障，表明热虹吸冷却器产生的牢固冻结明显提高了坝体的结构稳定性。

参考文献：

[1]Мельников П И. Вечная мерзлота в районе г. Якутска [C]// Исследование вечной мерзлоты в ЯАССР. Москва: Изд-во АН СССР, 1950.

[2]Соловьев П А. Криолитозона северной части Лено-Амгинского междуречья[M]. Москва: Изд-во АН СССР, 1959.

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

[4]Вотяков И Н. Физико-механические свойства мерзлых и оттаивающих грунтов Центральной Якутии[M].Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1975.

[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.