俄罗斯西伯利亚典型土坝结构稳定监测与分析

鲁道夫·弗拉基米罗维奇·张 著；戴长雷，李卉玉，于淼 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.黑龙江省寒地建筑科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

多年冻土地区的土坝全年都会发生形变[1]。坝体表面的变形十分明显：河道边坡上会出现横向与纵向的裂缝；在上游水库周围的边坡上，存在局部沉降与洼地；坝体沉降使得坝顶高程降低，在路堤和地基以及河道出水口结构的地方会受到水流冲刷。

雅库特大坝的一些形变特征如图1～图4所示，并且对坝体形变产生的原因进行了监测与分析。但对于影响坝体裂缝产生的各种因素之间联系的研究较少，如中小河流的水文状况、环境和其他因素。除了自然条件等因素，如缺乏这种类型大坝对应的设计规范，工程地质资料不足，水文和其他条件勘测的费用不足，建设工程质量差等因素都影响了结构的稳定性[2-3]。

以冻土为地基的建筑物发生结构变形的原因是地基融化、局部沉降与凹陷。水流冲刷对坝身和坝面以及岸坡和孔道连接处、大坝纵缝、泄洪道等部位均造成破坏[4]。

由大坝运行中形成的特殊水文条件和雅库特地区特殊的气候条件也可能导致坝体产生形变。地基土壤季节性冻融循环的过程、形成暖湿机制的过程和夏季地基土壤脱水的过程，这些过程共同影响大坝的稳定性。很难判断其中哪一种是主要因素。但监测结果表明，土坝在夏季灌溉时比冬季发生更明显的形变。假设灌溉时大坝的暂时性形变是因为夏季产生的干缩性裂缝，在夏季结束时裂缝会达到一定规模。

1　典型土坝形变监测

干缩变形在夏季很常见。干缩变形的原因是在大坝上游土壤的浸水和干燥。这种类型的变形在马来亚切列帕尼哈河上的土坝被监测到，如图1(a)，水库排空后，土壤开始干燥，开始出现典型的多边形干缩裂缝。这些裂缝既出现在水库边坡的淹没区，也出现在浸水边界线之上。唯一不同的是裂缝的大小。在淹没区的较小的多边形裂缝系统的区域裂缝间距范围在1.5～2.0 m，被平行或交叉的大裂缝系统覆盖。相似的变形出现在库尔斯尤拉赫河土坝，见图1(b)。

图1　夏季土坝形变现场图

最常见的纵向裂缝出现在流域灌溉堤坝的堤岸处。库尔斯尤拉赫河土坝出现的裂缝是沿着长度300 m的区域以纵向裂缝的形状发育，见图2(a)和图2(b)。最大的裂缝是在大坝上游填土处发现的。在9月第一次出现的裂缝宽度达到5～10 cm，季节性冻土融化深度为2 m的条件下，裂缝深度达2.2 m。

在第一个晚上，霜冻形成的裂缝成为冷空气进入坝体的一种方式。监测结果表明：坝体中部深度范围在2.0～2.5 m的季节性冻融层的土壤温度降至-4～-6 ℃，见图2(c)。

图2　库尔斯尤拉赫河土坝纵向裂缝

由于坝体突然冻结和地基土壤冷却，夏季干缩变形产生的裂缝立即加深并达到冻结地基。建于1965年的6号坝经历了类似的变形。在1968年，有2个纵向裂缝宽度范围在35～40 cm，自坡顶边缘切割堤坝直到地基。

在冬季，变形的原因是冷却期间收缩冻结。这些变形以横切霜冻裂缝(图3)的形式出现，并且由于结构部件(溢洪道墙，槽口，支柱等)的剥落而出现裂缝。在这种情况下，第二年春季，当温度升高时，土壤回不到原来的位置，会留下一些空隙。在填满上部土壤后，这个空隙会发生渗流，这就是为什么在洪水期间溢洪道壁面常常出现土壤冲刷，并且在解冻后冲刷区域的土壤发生沉降。图4显示土坝破坏片段。

图3　纵向冻裂现场图

在大坝上进行的试验监测结果表明：坝体发生形变是由复杂的温度和湿度梯度所引起的。

2　监测结果与防治措施

作为监测冻土变形特征的结果，Grechischev发现在相同的温度-湿度参数下的热膨胀系数在很大程度上取决于颗粒组成和湿度[5]。表1提供了各种土壤的热膨胀系数。

因此，在5%～10%的水分和温度降为-2～-5 ℃的条件下，由砂土向黏土的转变时，热膨胀系数为原来的50倍。这些因素，以及其他一些因素，成为了防冻裂缝建议的基础，并在Khorobut灌溉系统中进行了检验，并在所有雅库特的土坝设计中引入了这些建议。让我们用实验数据来看看它。虽然如上所述，Khorobut回收系统的土坝没有裂缝，但由于这些坝中的土壤脱水，水分含量降低了一半。防护砂的存在，温度变形系数小的砂砾层可以防止冻裂开裂变形。

在马来亚切列帕尼哈河和库尔斯尤拉赫河中的土坝在运行的第一年遭受了严重的破坏，这些水库由霜冻不稳定的微弱压实的砂土和不含防护层的黏土填埋。

基于对多年冻土地区坝体结构的经验研究和总结，建议采取以下措施来提高结构的稳定性。

表1　不同类型土壤的热膨胀系数

(1)用热湿隔离层覆盖堤坝以降低温度-湿度梯度。

(2)为可能的裂纹扩展深度提供土壤加固。

(3)用1 m厚的粗粒材料(砂砾)覆盖大坝，防止低温裂缝的形成。

(4)调节热状态。

结合上述方法，Zhang给出了土坝的推荐结构，取决于它们的热状况和当地土壤的存在情况[6]。

3　结　论

坝体产生形变不仅由于当地水文状况、环境和其他自然条件的改变而引起，如缺乏这种类型大坝对应的设计规范，工程地质资料不足，水文和其他条件勘测的费用不足，建设工程质量差等都会影响坝体结构的稳定性。

通过对西伯利亚高寒区典型土坝稳定性相关参数的监测与分析，结果表明夏季水库排水后，土坝上游淹没区河浸水边界线之上的区域经历了浸水与干燥，因此坝体表面发生干缩变形而出现干缩裂缝。在冬季的低温条件下，坝体在冷却期间会发生收缩冻结，因而产生霜冻裂缝。即使温度升高土壤也回不到原来的位置，填满土壤后留下的空隙会发生渗流，使得在洪水期间溢洪道壁面常常出现土壤冲刷，并且在解冻后冲刷区域的土壤发生沉降。监测结果表明，坝体发生形变由复杂的温度和湿度梯度所引起，相同的温(湿)度参数下的热膨胀系数在很大程度上取决于颗粒组成和湿度。本文针对多年冻土地区坝体结构存在的问题，提出了相应措施来提高坝体结构稳定性，可为我国从事寒区水利科学的相关科研、设计及施工人员提供参考。