俄罗斯雅库特典型寒区低压水工建筑物结构的监测

鲁道夫·弗拉基米罗维奇·张 著；戴长雷，王 羽，于 淼,5 译

(1.俄罗斯科学院西伯利亚分院麦尔尼科夫冻土研究所，俄罗斯 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.东北联邦大学，俄罗斯 雅库茨克 677000)

1 监测目的和任务

水工建筑物及其结构具有复杂的技术系统，对其状况进行监测显得尤为重要。目前对在建和已建成的水工建筑物的状况进行监测与评价，主要目的是获取新的发现、验证工程的设计与决策并改善工程建设的规范与方法。目前，对已建成的水工建筑物的维护和保养是首要问题。

水工建筑物监测的任务主要有以下四个方面：①评估结构状况并制定必要和适当的措施，以增强其稳定性。②评价水利工程设施对环境的影响。③探索运营期结构物理参数动态变化趋势。④总结并改善结构的设计和工程建设的规范与方法。

在多年冻土区，每个大坝的特性都是独特的。在低压水工建筑物运行期间，土壤的性质会一直变化。水工建筑物结构的温度湿度状态的形成过程长达数年之久。同时，结构的稳态以及渗透方式也发生了改变[1-3]。因此，对水工建筑物及其结构进行的监测应该具有研究性质，而不能用某种标准来衡量。

2 监测体系的结构及其组织

组织完成水利工程设施原位监测的过程较为复杂。观测的时间、次数和条件等取决于水工建筑物本身的类型、设计尺寸、工程地质条件和多年冻土条件[4]。监测的内容包括：①水利工程设施周围的冻土与水文地质条件。②建筑工地与受露天矿坑影响的植被恢复情况。③坝基、坝肩的温度变化，溢洪道边坡与溢洪道表面的温度变化。④坝基和坝肩以及溢洪道的周围的渗流情况。⑤水库靠近大坝区域的水热交换情况。⑥大坝的坝顶及下游季节性的冻融作用情况。⑦水文地质的观测——库区下垫面季节性冻融情况、地下水含水层与冻土层的状况。⑧坝堤与溢洪道的沉降、边缘侵蚀的情况。

水利工程的监测工作与其生态调查研究工作具有密切的联系，两者应同步展开。结构监测实际上是水利工程设施的生态安全及其对环境影响研究的一个组成部分。因此，类似于生态安全的监测体系，必须将其分为三个阶段进行，即准备阶段、设计阶段和运行阶段[5]。

在准备阶段，首先明确冻土监测的必要性。对水利工程设施及建筑工地相邻地区进行冻土地貌调查，确定监测的类型与监测对象的结构，确定监测装置和设备的技术要求。

在准备阶段编制《冻土监测技术项目》，详细说明监测对象的冻土条件，并配备原位监测平台。该技术项目包括以下几项内容：①选定的监测类型的目的并具体化。②确定地点、工程内容、监测技术说明。③设备和设备的用途、主要数据记录形式、工程时间表。④所用的电子信息载体软件。⑤消除不同安全隐患的技术方案，包括低温情况、工作人员的指定。⑥监测的技术与经济评价、工程的预算费用。

应在水利工程设施及相邻地区进行冻土地貌调查，包括大比例尺地图、平面图和剖面图。根据俄罗斯标准的要求，这些工程以图表和试验材料的形式，明确呈现出工程环境因人类活动而出现变化的情况，以及受影响土地的植被恢复方案。

监测区设备准备工作包括：①地热设备和测压钻孔的钻探、低温冻土测温计的安装、沉降测量装置、压力计。②测地线网的布置。③试验材料在施工条件和自然条件下的低温变化过程的研究设备。④水库水位和冰况的观测设备。

在水利工程设施运行期间，根据《冻土监测技术项目》规定的方案，对研究区和相邻区域进行定期监测和调查。

3 监测体系的内容及其组织

对水工建筑物周围多项自然条件的状况进行监测，目的是确定并预防影响其稳定性的低温引起的安全隐患。同时在多年冻土区，水工建筑物及其周围区域的温度状况是影响其稳定性的主要因素。因此，组织温度监测是重中之重。

在施工和运行期间的温度监测应确定以下过程的参数： ①水库的温度状况与冰况。 ②水库的水文状况。③建筑物结构及其基础的温度湿度状态产生的应力。④溢洪道和进水口的构造，以及处于不利的多年冻土条件下水库及其边坡的构造(如热岩溶、泥流、冰丘、冻胀作用产生裂缝)。⑤堤防与地基土的季节性冻融作用对支墩的影响。⑥低温过程及其发展。

在水工建筑物范围内的测温钻孔具体位置如下：①在坝堤、地基、支墩等可能发生渗漏破坏的地方。②在大坝处至少有三条剖面线，分别在坝顶、坝肩和坝堤处。根据多年冻土——地质构造与结构的温度预测资料，确定钻孔深度和位置。③建议在上游修建防洪堤来控制坝体上游地基和帷幕的冻融作用以方便测量钻孔温度。在帷幕区域所做的测温钻孔深度不得小于5 m。④在冻融土区域内地下径流附近，各监测点配备组合式测温钻孔和压力计。测温钻孔应采用直径80～120 mm的无缝钢管，接头必须密封且隔热，并具有一定的抗机械磨损的作用。

每年的温度检测周期设置如下：①第一季度(春季)——水库融冰期后和洪水期前。②第二季度(夏季)——气温稳定达到零度以上后。③第三季度(秋季)——河流冻结期间。④第四季度(冬季)——12月—次年3月。

水利工程设施结构的变形(沉降和位移)监测应按相应的条例与规范性文件的规定进行；监测过程中参照的控制点不应受到隆起、热沉降变形和其他低温过程的影响。

工程规定出用以下参数确定寒区条件下水工建筑物结构的可靠性：①大坝的顶部以下多年冻土地基的年最大冻融深度。②年温度变化幅度与大坝下部冻土融区的自然冻结速度。③坝顶、坝肩和坝堤处土壤的年最大季节性冻融深度。④大坝上游侧水库底部温度。⑤位于冻结帷幕上游侧冻融土区地下径流附近的土壤温度。⑥年循环冬季的开始与结束的时间。⑦受水库温度影响的预测区内多年冻土地基温度场。

坝体土壤温度变形产生的位移(隆起和沉降)可达几十厘米，这个过程可以通过在筑坝时设置的特殊装置——土壤位移测量仪来记录。土体季节性隆起和沉降，以及温度和湿度的大幅度变化，除了会导致土体物理性质发生改变之外，还会使坝体结构内产生复杂的应力条件，从而致使坝体产生裂缝。

一年内温暖时期结构的稳定性在很大程度上取决于热侵蚀过程，因此，有必要对边坡热侵蚀问题给予足够的重视。雨雪落在由优质土壤构成的边坡上，会产生冲刷作用，久而久之，雨雪对边坡的冲刷逐渐扩大、加深，就会出现安全隐患。对于水库的天然边坡，这些过程会导致沟壑、冲刷区、凹槽的形成。当部分填充物被冲刷出来时，热侵蚀的过程会导致孔洞的形成。如果热侵蚀作用同时伴随着严重的水土流失，那么结构就容易发生破坏。

水利工程结构稳定性监测包括以下几个部分：①监测单个结构和建筑物整体的水平及垂直位移。②监测结构的热力学状态。③监测坝体和边坡的建筑性能。④对结构的状态进行总体评估，并对其可靠性进行分析。

根据已知的地理条件、冻土条件、水文地质条件，在100～200 m范围内对水工建筑物周围的自然条件进行监测。监测包括以下内容：①大地测量网的组织。②地热和水文地质钻孔。③安装土壤位移测量装置、雨量计、雪量计。④组织在监测点监测冻融层的季节性融化、湿度变化、土体物理性质的变化过程。

4 建 议

(1)建议在解决及改善低压水工建筑物稳定性问题时，重点完成以下任务：①开发或引入一套低压水工建筑物的冻土监测系统。②开发或引入冻土区水工建筑物安全控制监测系统。

(2)各类监测设备是成功实现对冻土区的分区并完成对冻土区低压水工建筑物的监测的基础。因此，改进改善监测设备是组织监测的任务之一。其中包括远程传感器和相关软件的开发、建立可以高效测量并记录数据信息的自动化测量系统、开发独立设备电源。这些设备必须能在极端低温下正常运行。需要注意的是，对水工建筑物的长期监测，一定要使用自动校正控制系统，该系统同样要及时改进，以应对在运行过程中出现的新任务和新问题。