冻结层上水地区实用排水措施

维克多·瓦西里耶维奇·舍佩廖夫 著；戴长雷，李卉玉 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.中国科学院西北生态环境资源研究所冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 730000；5.黑龙江省寒地建筑科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

冻结层上水地区实用排水措施

维克多·瓦西里耶维奇·舍佩廖夫1著；戴长雷2,3,4，李卉玉2,5译

(1. 俄罗斯科学院西伯利亚分院麦尔尼科夫冻土研究所，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.中国科学院西北生态环境资源研究所冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 730000；5.黑龙江省寒地建筑科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

研究冻结层上水地区实用排水措施对解决冻土地区居民因冻结层上水而带来的诸多不便问题具有重要的作用。本文通过以建在永久冻土上最大的城市——雅库茨克市为例进行说明，指出了：(1)永冻区土壤浸没问题给许多居民带来诸多不便；(2)永冻区土壤浸没主要是人们在建设大量砌体结构房屋的同时，还对道路进行改造，铺浇沥青而造成的；(3)矿化冻结层上水的危害主要为其在多年冻土层下的渗漏引发的湿陷现象和其的广泛分布使城区无法进行绿化；(4)永冻区城市排水要求为应从冻土、水文地质和工程地质角度综合考虑，提出合理科学依据，制定实用的保护措施；(5)永冻区城市排水技术方案构建时建议形成统一的相互联系的收集雨水和冻结层上水的三级排水系统。

土壤浸没；排水；永冻区；冻结层上水；雅库茨克市

1 永冻区土壤浸没问题

如今，冻土地区的许多居民区正经历着被冻结层上水浸淹带来的诸多不便。这个问题产生的严重性让我们以目前建在永久冻土上最大的城市——雅库茨克市为例进行说明。

在雅库茨克地区，土地受到浸淹已不新鲜。自20世纪60年代，从大规模开发建设开始，到设施完备砌体结构建筑投入使用后，这类问题就纷纷涌现。由于生活、生产用水总量增加，外部供水、供暖系统、管网的扩大，导致每年持压管线发生故障渗漏的总量持续增加。

随着多层住宅和工业建筑建设的规模扩大和节奏加快，开发建设湖泊洼地的空地成为必然。这些湖泊洼地多为U型洼地。人们把填平洼地、建设房屋作为首选，这给城市内自然排水带来困难[1-4]。

2 永冻区土壤浸没原因

在建设大量砌体结构房屋的同时，人们还对道路进行改造，铺浇沥青路基，在雅库茨克市特殊的气候和冻土条件下，路基起到了低温阻塞物的作用，完全切断了城市区域冻结层上水的径流通道。这些水的分布呈点状。除此之外，道路铺浇沥青，建筑物四周与房屋下面的空地浇筑混凝土，这也从根本上减少了水分的蒸发，大大减少了城市区域水平衡的支出项。

雅库茨克市区发生浸淹，促使有害低温作用的形成与发展，如热潜蚀、热侵蚀、冻胀、热喀斯特等作用，它们对房屋、公路构筑物、地下管道、及其他类工程的地基稳定性造成了负面影响(见图1)。

雅库茨克市由于供热系统大范围漏水，造成侵蚀加快，导致沥青路的毁坏图1 沥青路毁坏图

3 矿化冻结层上水的危害

在矿化的冻结层上水分布地区，低温作用发展得更为迅速。这些水在多年冻土层下的渗漏引发了湿陷现象，以面的形式发展，加大了市区沼泽化程度，并形成热喀斯特湖。因此，最近十年内，在城市西北，形成了一个很大的湖，被称为新湖。由于热侵蚀作用，这个湖底以每年2～4 cm速度下降。而湖面则以1.5～2.0 m/a的速度持续不断地缩小[5-7]。

矿化的冻结层上水的广泛分布也是城区无法进行绿化的主要原因之一，当植物根部生长到这一水位时，植物就会死亡。这些植物只在有排水的地方才能存活(如沿城市防护堤，在铺设有地下疏水集管的街道上，在勒娜河第二阶地的高处等)。

4 永冻区城市排水要求

虽然雅库茨克市区浸润和受淹问题早在40 a前就已出现，但这一问题没有根本解决。设置在城市街道旁的路面敞开式混凝土排水沟，由于在建设时没有考虑到气候特点、冻土水文地质、地貌条件的影响，导致这些排水沟不能实现排水功能，而很快就被破坏掉，变成垃圾场(见图2)。由于没有组织地收集和排出由屋顶流下的大气降水，加剧了冻结层上水入渗，使居民区内受淹，出现房屋与建筑物地基不均匀沉降和变形。

由于降雨，下水道水位发生变化，导致裸露在外的混凝土受到破坏和变形，由此引起了季节性膨胀和土壤的塌陷图2 路面敞开式混凝土排水沟破坏图

唯一被广泛应用的防止城区受浸淹的方法是采用外运土来填筑。因此，在每一份总平面图中都有一条标准说明：“当建筑时，必须全部或选择性地进行填筑。”依照这一建议，施工人员采用外运土对场地进行填筑，而不考虑总的城市规划，不遵守统一标高，以及地表水、冻结层上水水流方向的坡度。因此一些旧建筑，特别是建在私人地块上的旧建筑，就处在了人为制造出的洼地上，冻结层上水加重了它们受浸淹的程度。在城市道路和设施完善改造时，也会大量采用外运土进行填筑的方法。例如，在一些道路的路基剖面，浇筑了多层沥青，这些沥青层之间被外运土层分隔，这就导致个别路面的高度相当于旧房屋屋顶一楼的高度。

所有上述所说无疑说明，必须立即采取有效措施，解决城区排水问题，否则危机很快转变成灾难。

目前，无论是在雅库茨克市，还是其他位于多年冻土区的大型居民区，防止区域受浸淹的工作变得愈加困难，其主要原因如下。

(1)由于严寒的气候条件和复杂的冻土水文地质条件，无法采用标准定型的排水结构物和雨水排出系统。

(2)区内的工程建设，包括地下电缆设施、水持压管道、天然气和其他城市管网，大大增加了排出冻结层上水最优方案的应用难度。

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(3)按照保持冻土冻结状态原则建造的房屋、路基，及施工场地填筑对冻结层上水径流有很高的调节作用，这使得排水设施完成其正常的功能变得困难。

(4)由于生活生产用水量的不断增加，使现有的城市排水管道疏水负荷过重，无法将水全部及时排出。

(5)冻结层上水在所谓的“文化层”发挥着作用。“文化层”是指采用外运土覆盖在各种垃圾堆、污水坑、废弃的坑洞、甚至古老的坟地上。“文化层”土壤渗透性不均给排水系统的运行造成极大的困难。此外，其盐渍化程度高，腐蚀性强，被污染的有毒和含有细菌的冻结层上水不允许未经预先净化直接排向城市地表水流和水池中。

(6)从冬季到春夏季，因持压管线的故障渗入到土壤中的水，额外补给了冻结层上水，并进行了再分配。冬季，几乎所有因故障发生渗漏的水全部聚积、冻结，形成人为的冰椎。在暖季，它们的融化增加了水平衡中的收入项，增大了城区浸润程度。根据观测结果，在雅库茨克市区，冰椎融化径流层厚度每年平均为55 mm，个别区域达到200 mm/a[8]。

上述存在的问题表明，在冻土地区防治被建区域浸润和受淹工作具有极大的难度，同时也说明应从冻土、水文地质和工程地质角度综合考虑，提出合理科学依据，制定实用的保护措施。

5 永冻区城市排水技术方案

根据上文所述：探明在多年冻土中，包气带的水分变化具有特殊性和冻结层上水形成规律和情势变化规律，建议在已建设区域采用综合的排水系统[9-11]。

这套排水系统把雨水和季节融化层冻结层上水排水相结合起来，同时考虑地表雨水径流和冻结层上水径流之间的密切关系。

实用综合排水系统主要包括：总排水管、主(街道)排水管和分区(街区内)排水管(见图3)。

图3 自排水泵建设区地上冻土汇流综合示意图

总排水管：铺设总排水干管是第一步，目的是将水从疏水区域引出。总排水管应沿主街道，按着地面的自然坡度进行铺设。

总排水管应采取暗埋形式，是为了延长其使用年限，同时保证安全有效地收集和排出疏水区域雨水和冻结层上水。暗埋式的总管可以设置在地下深处(达到4.5～6.5 m)，进而保证自流入和自流出。总管上面覆盖渗透性较好的土(碎石、砾石)。

该总排水管的结构特点(图4)是直径不小于800～1000 mm陶瓷管或聚合物管材。管子上半部分凿有圆形孔或条形孔，上面覆盖过滤性功能的材料(玻璃纤维，岩棉)。这样的结构可以保证总管发挥其疏水功能。管子下半部分不用凿孔，便于水排出。春季时，当融化雪水进入总管内，而周围土温处于0 ℃以下，为防止其在总管内冻结，应在总管内铺设加热电线。

图4 狭缝中排水收集器的设计模式图

为了保证水沿着总排水管自由排出，必须配置专门的配给容器(见图5)。配给容器的结构能够保证必要的坡度，使水流在总管内顺畅通过。在暴雨期或当融化雪水径流加大时，可以抽出配给容器内的水。此外，利用这些配给容器，可以对整个排水系统进行冬期前维护。在冬季初，用泵将配给容器内的水抽出，配给容器之间的距离应保证水自流保持一定坡度(不小于0.005)。

图5 地下排水管道的泄流能力图

主(街道)排水管：收集雨水径流和冻结层上水径流，并将其引至总排水管。结构上，主排水管与总排水管可能相同，区别只是前者管径小些(300～500 mm)。

街道排水管应配有加热电线，用来融化在冬季和春季时可能在管内结的冰。沿着街道排水系统也可以配置小尺寸的配给容器，为雨水和冻结层上水流动创造必要的坡度。

分区(街区内)排水管：收集街区和各个大型建筑物的雨水和该处的冻结层上水，并将它们引向主(街道)排水管。结构上无异于总排水管和街道排水管，只是分区排水管直径更小些(100～200 mm)。分区排水管可以围绕单栋建筑物，这时分区排水系统不仅要排出来自屋顶的水流，还要排出持压管线可能因故障发生渗漏的水流。

总之，为了解决冻土地区疏水这一难题，建议形成统一的相互联系的收集雨水和冻结层上水的三级排水系统。这套系统的建立和正确使用可以有效地保护所有居民区或一部分区域免受浸润、水淹和低温灾害的威胁。应当指出，这套实用的排水系统也可以运用到道路建设中，特别是在建设公路或铁路排水设施时。同样，这套排水系统也可在高含冰量的多年冻土分布地区和地下冰分布地区铺设使用。

6 结 论

(1)永冻区(如雅库茨克地区)土壤浸没问题给许多居民带来诸多不便。

(2)永冻区土壤浸没原因主要为：人们在建设大量砌体结构房屋的同时，还对道路进行改造，铺浇沥青。

(3)矿化冻结层上水的危害主要为：这些水在多年冻土层下的渗漏引发的湿陷现象和这些水的广泛分布使城区无法进行绿化。

(4)永冻区城市排水要求为：应从冻土、水文地质和工程地质角度综合考虑，提出合理科学依据，制定实用的保护措施。

(5)永冻区城市排水技术方案构建时建议形成统一的相互联系的收集雨水和冻结层上水的三级排水系统。

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Practical drainage measures in the suprapermafrost water in the cryolithozone

Written by Viktor Vasilievich Shepelev1; Translated by DAI Changlei2,3,4, LI Huiyu2,5

(1.MelnikovPermafrostInstituteSiberiaBranchoftheRussianAcademyofSciences,Yakutsk677010,Russia;2.InstituteofGroundwaterinColdRegion,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China;3.SchoolofHydraulic&Electric-power,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China;4.StateKeyLaboratoryofFrozenSoilEngineering,NorthwestEnvironmentalResourcesResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,LanzhouGansu730000,China;5.InstituteofArchitectureScienceinColdRegion,Heilongjiang,Harbin150080,China)Abstract：It is very important to study the practical drainage measures in the suprapermafrost water in the cryolithozone to solve the problem which makes residents inconvenient because of the suprapermafrost water in the cryolithozone. By taking the example of Yakutsk, the largest city built on the permafrost, it points that: (1)The soil submergence in the permafrost zone brings many inconveniences to many inhabitants; (2)The soil submerged in the permafrost zone is mainly caused by the construction of a large number of masonry structures and the renovation of the roads and the pouring of asphalt. (3)The damage of the mineralized suprapermafrost water in the cryolithozoneis mainly caused by the seepage under the permafrost layer and its widespread distribution, which makes the urban area unable to be afforested;(4)The requirements of urban drainage in the permafrost zone are as follows: think from the perspective of frozen soil, hydrogeology and engineering geology, put forward reasonable scientific basis and work out practical protective measures; (5)In the construction of the urban drainage scheme in the permafrost zone, it is suggested to form a unified three-stage drainage system with interrelated collection of rainwater and frozen water.

soil erosion; drain; permafrost zone; the suprapermafrost water in the cryolithozone; the city of Yakutsk

冻土工程国家重点实验室开放基金(NO.SKLFSE201310)；黑龙江省水文局项目(NO.2014230101000411)

维克多·瓦西里耶维奇·舍佩廖夫(1941-)，男，教授，主要从事寒区地下水相关方向的科研和教学工作。

译者简介:戴长雷(1978-)，男，教授，主要从事寒区地下水及国际河流方向的教学和科研工作。

P642.14;P641

A

2096-0506(2016)12-0022-05