永冻区低水头水利工程建设实践与分析

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

永冻区低水头水利工程建设实践与分析

鲁道夫·弗拉基米罗维奇·张1著；戴长雷2,3，李卉玉2,4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)

永冻区低水头水利工程建设以及维护其稳定性至今仍然是一个大的挑战，一个正确的设计和维护方案可以极大地造福人类。在梳理大坝类型、各种案例以及大坝各部分受损原因的前提下，对小型低水头工程的施工和性能进行分析。指出：①要成功地设计和修筑适合永久冻土区的小型低水头工程，需要对工程现场进行充分的调查。②在永冻土层上可以修筑冻结型、制冷型和解冻型堤坝，具体实施取决于堤坝的用途、环境条件及冻土条件。③实践表明，近年来的溃坝事故多由结构错误所致，因此需要特别注意水利工程的结构安排。④在设计低水头工程时，应特别注意一点，即土壤和结构性部件的工程特性在水利设施运转期间会发生变化。⑤针对运转结构的监测不应该局限于一系列标准化观测，且必须符合科学要求。

永冻区；水利工程；大坝；萨哈(雅库特)共和国；雅库茨克

在永冻层修建小水位差土坝的历史已经超过200 a了[1-7]。建造永冻层大坝最初是为了满足工、农业发展以及俄罗斯东部公路建设的需要。最广为人知的土坝位于：梅克尔特河(外贝加尔-彼得罗夫斯克区)、阿马扎尔河、莫戈恰河、右马格达加奇河，以及大涅韦尔河(斯科沃罗季诺附近)。这些大坝的建设经验告诉我们：在北方地区寒冷的生存条件下，如果不发生渗漏情况，大坝通常会结冰且其下游通道也会保持干燥。发育在大坝的中心部分的冻结心墙与下层的冻土一起形成一道防水帷幕。这种冻结心墙阻止了渗漏现象的发生，有助于维持大坝的结构稳定性。

在大坝热状态下的永冻层基础上设计和建造土坝的原则是由布利兹尼亚克[8]首次提出的。他引入了“冻结型大坝”和“解冻型大坝”这两个名词。不久之后季莫费伊丘克[9]提出了水工建筑物的分类和建造方法。然而，直到建筑规范SNiP 2.06.05-84*官方认可永冻区水工建筑物的两种建造原则之前，工程师们对这一点都有巨大的争议。第一个方法(原则一)是大坝的防水性和结构稳定性，其地基取决于冻结条件；第二个方法(原则二)利用的是解冻条件下的土壤。

基于建造和操作方法的不同，大坝可分为冻结型大坝、解冻型大坝和混合型大坝。冻结型大坝是指由坝芯和坝基部分处于冻结形式下的岩土来提供防渗功能的大坝。解冻型大坝是指由包含防渗材料的土壤构筑坝体和坝基、且允许解冻的背水面部分坝壳发生渗流的大坝。混合型大坝是指迎水面部分综合根据原则一和原则二修筑的大坝。

另外，我们认为还有一种类型，就是季节冻融型大坝。这是一种季节性(春季)运行的大坝，其在春汛时的防渗功能可由季节性冻结层来提供。

筑坝时，可在非永冻区普遍采用的板桩、衬垫以及其他防渗材料，与既防渗又强度优良的冻结型冰土心墙比起来，在永冻区却显得耐用性不足，因而适用性欠佳[8，10-13]。

大坝的冻结型心墙可以由自然冻结方式形成，也可以人工冻结方式形成。基于人工冻结的大坝充填和筑基方式变得越来越普遍。冻结方法包括：建造时将大坝充填于隔层之间，以便冬季大坝逐渐冻结；在坝体内预设廊道或通风井，并在下游坝壳上设置汇合口，以便冬季的冷气流通；安装制冷系统(钻孔中设冷冻桩)。

1 坝芯冻结型大坝

斯塔罗-扎沃茨科伊池大坝是一个在隔层间充填冻结类型的案例，9.5 m高，位于外贝加尔地区彼得罗夫斯克区的梅克尔特河上。建造期12 a以上，并存在了150多年[14]。那之后，有数座在冬季修建的大坝，是通过在各层中放入冻结松土后加水完成的。有一座此种类型的大坝，大约7 m高，于1950—1951年冬季修建在诺里尔斯克的纳列德内河上[11]。以0.2 m一层进行填砌，且每层都加水饱和。每一层都会在下层填砌之前就冻结。在-30 ℃通风的条件下，每层的冻结时间为1 d。

20世纪60年代早期，布利诺夫和斯科尔尼亚科夫在萨哈(雅库特)共和国西部的米尔内河附近做了地层中填土冻结的现场实验，三组实验模型都设置为由冻结土块组成的2 m的高土坝。分层厚度分别设置为10 cm、20 cm和40 cm，冻结速度与之有关，-8 ℃～-25 ℃的通风温度可监测到。结果发现，在米尔内地区，大坝在一个冬季期间可以升高1.2 m[15]。1961年，雷斯卡诺夫设计了伊列利亚赫河上的一座大坝[16],该大坝高4.1 m，长285 m。基于设计方案，首先采用1 m厚度、冻结的、块状淤泥质黏土进行填砌。然后往土块间的空隙中饱水。建好5 a后观测到，季节性融冻深度不超过2 m，且坝芯区全年保持在冻结的状态。

2 空气制冷型大坝

在马加丹地区的索尔维格河上，有一座1944年完工的人工冻结大坝，该坝高4 m,通过木质走廊通风。1966年的监测结果表明，冻结效果令人满意[17]。

1943年，在多尔戈耶湖地区修建了10座大坝，在该项目中，依次开展了给多种土壤的制冷系统进行冻结速度的测试[11]。最初，大坝修建了一排冷却管，将其安装在间隔为2.5 m的钻孔中。氯化钙溶液被用作为换热流体。冬季时，如果将装在容器中的氯化钙溶液放置在地表开敞环境中，它就会冷却。但是，这种装在冷却管中的氯化钙溶液会逐渐腐蚀套管，泄露到大坝的填土部分，并使得坝芯在零下的温度环境中缓冻，如此一来，氯化钙溶液作为换热流体在大坝人工制冷系统中很快就被禁用了。后来，换热流体换成了冬季的冷空气。冷空气作为大坝制冷系统的换热流体被证明是有效且可靠的。据此原理成功设计空气制冷系统的大坝被建设在下述地区：纳列德内河[11]、米亚温贾河[18]、伊列利亚赫河[19]、佩韦克溪[20]、巴谢尔卡维泉[17]、东俄罗斯北极地区的梅尔科埃湖[21]、斯特特坎河[13]和奥伊乌鲁-尤列格河溪[13，22]。

大坝人工制冷的另一种技术是在大坝背水面设置防护罩，在多尔戈耶湖大坝对该项技术进行了测试。防护罩可以用来消除大坝下游一侧周期性积累的厚雪盖的保温效应。克雷洛夫型防护罩[10]可在冬季使大坝制冷系统通风，而在夏季则将通风口关闭。应用这种类型的防护罩，可以保证屏障下坝体的温度维持在接近0 ℃。这种类型的坝后防护罩可使大坝下游一侧的坝体温度成功降低，从而不再需要使用大坝冷却管。值得指出的是，由于水库对上游火力发电厂起到了冷却池的作用，所以多尔戈耶湖大坝处于高热负荷状态。这种独特的坝体土壤制冷方法在阿德马大坝也得到了应用[21]。

3 垂直管制冷

目前，液体热虹吸(比如煤油)和液-气制冷剂(如氟利昂)都被应用于冻结土坝建设中[23-26]。这种系统可以在美国查塔尼卡河[27]，伊尔古克汉河,卡扎奇卡河，图曼溪[28]，曼加卡河[29]上，以及湖上靠近雅库茨克永冻层研究所[30]的地方成功建造大坝。

4 自然冻结型大坝

在众多大坝中，自然冻结型大坝会在运行时间里进行自然冻结，这种大坝是为了供水和水回收而于1940—1970年建造而成的。有一个7 m和一个8 m高的两座大坝，建在维尔霍扬斯克乌卢斯的库姆河上，年平均气温(MAAT)为-13.9 ℃[31]；两个3 m高的大坝，建在丘拉普恰乌卢斯，靠近丘拉普恰的科克哈拉河上，年平均气温为-11.7 ℃；三个3 m高带有比尤泰德水回收系统的大坝和四个高达4.6 m带有霍罗布特水回收系统的大坝，建在梅吉诺-卡纳拉斯乌卢斯, 年平均气温为-10℃[32-33]；五个4 m高，建在奥尔忠尼启则乌卢斯的肯克梅山谷，年平均气温为-10.2 ℃；五个3 m高建在霍斯-尤里亚山谷的大坝；4 m高建在波尔杜奥河的大坝以及11 m高建在戈尔内乌卢斯的马塔河上的大坝，年平均气温为-11.1 ℃[33]；实验性的4 m高建在奥廖克明斯克乌卢斯的小切列帕尼哈河上的大坝，年平均气温为-6.7 ℃[33]；六个3 m高带有奥罗苏诺-涅格佳赫平原灌溉系统，建在丘尔格列赫的大坝，以及三个3 m高建在维尔霍维柳伊斯克乌卢斯的布鲁坎河河滩上的大坝，年平均气温为-9.3 ℃。另外，还有建在乌斯季扬斯基乌卢斯的磨坝：库拉尔黄金开采公司的大坝，4～7 m高，修建在波洛吉溪、乌兰巴托溪、布尔谷阿特河、伊尔杰克拉赫河和玛玛尼亚河上，年平均气温为-14.2 ℃[34]；两座杰普塔茨基项目中的大坝，分别为9.8 m和14.5 m高，位于博伊斯卡维溪上，年平均气温为-15.2 ℃。

5 解冻坝

解冻型大坝也被广泛用于俄罗斯和世界的永冻区大坝建设。

5.1 俄罗斯

在俄罗斯，整个永冻区修建的解冻型大坝都有各种各样的实际理由和操作条件。从项目中我们可以得到丰富的工程经验：两个高4 m，1913—1914年建在阿马扎尔河的大坝，年平均气温为-4.7 ℃；1932年建在右马格达加奇河上的7 m高大坝，年平均气温为-2.1 ℃；9.6 m高建在斯科沃罗季诺火车站附近的大涅韦尔河上的大坝，年平均气温为-4.7 ℃；6 m高，1942年建在诺里尔斯克附近的科娃特拉特内溪上的大坝，年平均气温为-9.5 ℃；一些建在科雷马河盆地中的大坝，年平均气温为-13.2 ℃。中埃利根河上6.8 m高的大坝和1945年建在乌基娜雅河上的大坝；1958年建在阿特乌里亚赫河上的7 m高大坝，1960年建在马加丹地区鄂霍次克海滨区的卡梅努什卡河上高达16.5 m的大坝，年平均气温为-2 ℃；1967年建在马加丹省奥罗图坎附近的冉尔基小溪上高达16.6 m的大坝，年平均气温为-12 ℃；1982年建在阿隆果拉河的涅留恩格里发电厂高达29.8 m的大坝，年平均气温为-9.4 ℃；1982年建在和平站附近的特姆塔依达赫溪上高达34 m的大坝，年平均气温为-8.2 ℃[13]。

5.2 国际上

国际上最著名的大坝就是：位于美国阿拉斯加小切纳河上高达31 m的大坝，年平均气温为-4 ℃(乔治，1937)；建于1959—1960年位于加拿大纳尔逊河上的凯尔西发电站，高2～6 m，有36.6 m高的主坝和7个水库式封闭堤坝，年平均气温为-3.9 ℃[35-36]；建于1973—1975年位于凯尔西河下游160 km，纳尔逊河上的凯特尔发电站，右翼高48 m，左翼高40 m的马鞍状大坝，年平均气温为-5 ℃[37]；位于加拿大黄刀镇附近的斯奈尔河上高达24 m的大坝，年平均气温为-5.6 ℃[38]；位于育空河上怀特霍斯山脉项目中的高达15.8 m和20.7 m的大坝，年平均气温为-7.6 ℃[39]；赫斯溪上高达25.3 m的大坝[4]和位于美国阿拉斯加费尔班克斯附近的查塔尼卡河[40]上高达44 m的大坝，年平均气温为-4 ℃。

5.3 解冻型大坝的建筑经验

在大坝建设之前包含大量的冰块夹杂物。在卡扎奇卡河上修建一个大坝时也尝试了这一方法。在挖掘出一条防渗隔离横槽后，高含冰量碎石沉积物就可以裸露在阳光下两个夏季解冻。建造前进行路基土的解冻还有另外一个案例，即梅尔卡亚河上修建的一个大坝。该大坝规划修建在一个地下的冰冻湖上，该冰冻湖里充满了冰块和泥炭层，而且在河谷边坡上有满是冰楔的冻土[31]。应该注意的是，在这种特别复杂的冻土地貌条件下进行永久冻土的解冻并进行大坝的设计需要十分复杂和精细的测量，比如土壤的部分更换、建造前的解冻、在很深的地带(6 m)嵌入部分防渗隔离带、填补基岩裂缝等。

在使用寿命期间接受永久冻土解冻的设计方法应用于加拿大马尼托巴省凯尔西市的小型泥土堤坝。永久冻土以冰冻物质含量相对较高且厚度较小(8～10 m)的冰冻岛屿的形式存在。这些堤坝的设计目的是要缓和因地基土的解冻产生的位移。为了在解冻期间稳定地基土，需要使用砂桩以加速土壤的排水。这些堤坝性能数年来一直很好，观测数据确认了所使用的方法以及初期计算的正确性[36]。

6 结论与讨论

虽然在永久冻土地带进行小型坝的修建和使用有许多成功案例可以借鉴，但是，在经年累月中维护这些大坝的稳定性至今仍然是一个大的挑战。值得我们留意的是，在俄罗斯，高达90%的填河大坝[41]和53%的境内和工业供水大坝[42]在投入运营后3 a内都遭到损坏。

已经有多位研究人员对大坝损坏的原因和类型进行了描述和研究[12，15，43-48]。由于资金限制造成的现场勘测不充分，以及这种结构没有相关的设计和建造标准，产生了破坏性变形。如果有设计概念和建造方面的指导，建造者们就可以选择正确的设计方案，并合理地考虑大坝现场的永久冻土和气候条件问题。

在用高含冰量土壤修建大坝时，必定会因地基土解冻引起的局部凹陷和落水洞、路堤和桥台衔接部分受到的冲刷、纵向的裂缝和斜坡的不稳定性而产生问题[49]。

韦杰涅耶夫全俄水利工程研究院西伯利亚分院对大坝安全问题进行了研究，其中包括在一次近似中使用现场数据和模式识别理论[50-52]对失效模式进行分类。他们将两种大坝建造类型(即冻结型和解冻型)的土工结构失效分成可接受和不可接受两种类型。对于冻结型大坝，主要的大坝失效首先是因热量导致的(桥台、坝体或大坝地基解冻)，其次，因渗漏导致结构失效和强度失效，也有可能发生设计、技术和操作失效。对于解冻型大坝，产生失效的原因与一般的大坝类似。

在极北部地区，输水建筑结构一直以来都是土质大坝最容易受损的部分。根据别兰[53]的研究，在所有失效中，与溢洪道和排水工程相关的失效可达67%。

目前，溢洪道和进水渠通常建造在河道和河漫滩或者穿过河岸，具体取决于地理技术条件、项目目的以及对技术和成本的考虑。在河道中和在河漫滩上的工程安排，主要是在填河方案中采用，具体是在河道中嵌入溢洪道，以及在河漫滩上修筑取水工程。在供水工程中，这些结构建造在河岸上。

输水建筑结构的大多数失效是由于建造质量低劣，偏离设计规划和规范，以及在不少情况下是因为忽视了冻土地貌的特性。

基于此，在开展新的输水建筑结构设计的同时，平原土坝嵌入虹吸式取水结构的方式越来越广泛的应用在阿姆杰尔马的伊列利亚赫河、米亚温贾河、多尔戈耶湖、杰普塔茨基项目和涅留恩格里发电站大坝，以及其他项目。在霍斯-尤里亚赫河谷盆地灌溉项目中的一号大坝，其虹吸式取水结构在1969年被成功用于释放洪水，使盆地的水位下降。该大坝上嵌入了六个虹吸式取水结构，每个虹吸式取水结构的释放量为0.3 m3/s。另外一个成功运用虹吸式取水结构作为泄洪道的案例是在萨哈(雅库特)共和国戈尔内区的马塔河大坝。这个大坝有11 m高，嵌入了六个直径为1420 mm，总释放量为143.4 m3/s的金属虹吸管。另外还有两个直径为325 mm，释放量为0.46 m3/s的虹吸式取水结构用于水库的清洁性放水。该大坝运营已达9 a。其他国家也使用过相同的解决方案。比如，在阿拉斯加，在查塔尼卡水电站的建设过程中就对虹吸式泄洪道进行了实验性的测试，共安装了5套虹吸式泄洪道，结果证明性能良好[40]。

在现代的案例中，泄洪设计绝大部分是安排在大坝旁边的泄洪道。但是，仍然没有找到并且仍然在持续研究针对十分复杂的富冰且解冻不稳定的永久冻土条件以及一些解冻相对稳定的岩层的可选解决方案。也有不成功的案例，比如卡赞卡河上的木制泄洪道设计[31]由于土壤冰层解冻和临时河岸泄洪道导致失效，还有伊列利亚赫河的上坝[39]。伊列利亚赫河项目泄洪道下方的基岩大量解冻，造成了渗漏量加大。这也导致了临时水坝的失效并威胁到上坝的稳定。1969年的春季，也就是大坝投运第五年，其泄洪道下方的解冻地带延伸至30 m深处，接近在泄洪道右侧用冷冻管道修建和维持的冻土帷幕。这个冻土帷幕从下方开始解冻。

现在在瑟特坎水利工程设施中也发生类似的泄洪道变形问题。对此， R.M.Kamensky建议将河岸的泄洪体移离堤岸到较远处以排除热量的影响[54]，这就再次确认了将两种工事建造在同一结构下的方案是不可取的。

伊列利亚赫河大坝的泄洪道之所以发生问题，是因为当初低估了河谷边坡的冻土基岩裂隙问题。从某种程度上来讲，这是重蹈了韦杰米科夫所描述的米亚温贾河泄洪道的覆辙[55]。

许多研究人员都在现场和实验室对泄洪道与排水工程之间的相互作用进行了研究。卡拉宾、博戈斯洛夫斯基、季莫费丘克、斯洛耶夫、沃尔科夫、谢列维奥尔斯托夫、伊拉罗夫和其他人总结了相关研究成果[3-4,32,56-62]。

第一位制定在永久冻土上建造输水建筑结构的设计和运行要求的是博戈斯洛夫斯基 。具体来说，他建议泄洪道应布置在和大坝有一定距离的位置。然后，他建议从泄洪道的下游侧排水，如果在冬季没有结冰更是如此。从泄洪道的下游侧排水导致地基永久冻土的退化，这从实地现场证实了他的概念。最后，他说泄洪道全年应该只用很短一段时间，其他部分时间保持干燥[56]。

除了上述供水工程中的水渠经验外，在萨哈(雅库特)共和国的填河项目中还有很多和这种结构的建造和运营相关的历史案例。这一经验起始于19世纪，1877年在奥廖克明斯克区修建了一个包含许多水力结构的灌溉系统[63]。1911年，在阿尔丹区的奥洛姆河上的大坝堤岸上修建了一个4 m高的支垛泄洪道[64]。20世纪50年代，在梅拉河和塔塔河上修建的支垛泄洪道没有经受住第一次洪峰。出现这种状况是因为没有充分考虑地基的复杂冻土条件。当时还尝试采用桩板结构泄洪道。例如，1959—1965年间在苏奥拉河道中修建了一个带有悬臂式延伸部分的桩板结构泄洪道(即霍罗布特填河系统)。这个3.6 m高的泄洪道的设计释放量为75 m3/s。1966年，1969年和1970年，在排水板与堤岸土壤接触的地方发生了几次主要的失效。1969—1970年，在上游侧护坦产生大量的冻胀现象，1980年的洪水彻底毁掉了该泄洪道。苏奥拉河的比尤捷伊佳赫灌溉系统的主要水利工程设施中也采用了相同的结构，从1976—1979年也发生了相同性质的变形。该大坝由于1979年的洪水和运营上的重大错误导致洪水漫过大坝，从而被损毁。另外，比尤捷伊佳赫灌溉系统有2个支垛泄水处调节器和一个加固的混凝土调节器。应该注意的是，在加固混凝土泄水处调节器的连接处存在碎裂的裂纹。这导致了渗水，侵蚀了土壤。在下游侧很明显地存在椭圆形裂缝和剪切裂隙。

在霍罗布特系统的主河道沿线有三个泄水处调节器(由四角管道组成的双组结构)和一个支垛泄水处调节器。这些调节器的设计释放量为10 m3/s。这些结构在坝肩壁后面每年都经受着冲刷。这迫使“红星” 州农场不得不在1987—1990年重建该系统，用加固的混凝土调节器替换所有原来的排水工事。修建于1989年的进水设施由整体式加固泄洪道组成，释放量为200 m3/s，其泄水处调节器的释放量为30 m3/s。现在的泄洪道状况良好，泄水处调节器由于反堡墙脱离结构中心和下游的泄洪道护坦中冰契解冻而需要修缮。

使用整体式加固混凝土的另外一个成功案例是1974年在雅库茨克附近的舍斯塔科夫卡河上修建的工程。该工程结构有三个矩形开口，每个开口的释放量为3.2 m3/s。因为建造工程的质量问题和运行不当，该工程在1975年发生了重大的变形，比如下游的护坦应变(其某些部分沉降达0.5 m)和低洼处的冲刷。1982年对该排水工事进行修缮并安装冷冻系统后，这一结构仍然在运营使用中。

木制结构也有性能良好的案例，包括分别于1936年和1948年在苏奥拉河上修建的两个支垛坝。泄洪道修建在河道中，嵌入深度为5 m。在堤坝上，这些泄洪道的嵌入深度在2～10 m的范围。这些泄洪道运行30 a没发生问题，并于1966年拆掉。这些泄洪道之所以性能良好，是因为支垛嵌入堤坝和地基，并且深度超过了季节性解冻的穿透深度。苏奥拉河的隔离河曲是一个天然的泄洪道，它用于排放超过大坝结构释放能力的洪水。

建造于1959年，在阿列克谢耶夫斯基区的塔泰河上游的一个项目和建造于1964—1965年，在奥尔忠尼启则夫斯基区的肯克梅河谷中的两个大坝中使用刚刚砍下的带树冠的树搭建的护坦性能良好。这一经验证明，这种结构最适合萨哈(雅库特)共和国的特定环境，具有良好的灵活性而且强度大。但是泄水底面接触解决方案还没有找到十分理想的结构。

在20世纪70年代，在萨哈(雅库特)共和国的输水建筑结构使用的很多预制加固混凝土，当时有“维柳伊水电站施工”混凝土制造工厂可以提供预制加固混凝土。在以下项目中使用的 “白俄罗斯国家水利设计院”设计的泄洪道闸门顶端2～3 m，泄洪道宽3～5 m：

①涅梅斯金尼亚赫河上的纽尔巴泄水口调节器(连斯克区，1972)——这是一项实验性的建造项目。泄水口调节器结构是一个封装的管道，由桩基础上的U形组合组成，释放量为12 m3/s。

②布尔杜奥拉什河上的奥尔托-苏尔托夫斯卡亚系统(戈尔内区,1975)——是将五个尺寸类型的合成部件安装在加固混凝土护坦原地的泄水口处，释放量为10 m3/s。

③克尔格尔利亚赫河上的奥罗孙诺-涅格佳赫系统(上维柳伊斯克区，1985)——该护坦是由安装在加固混凝土排桩原地的加固混凝土构成。三个加固混凝土隔膜嵌入到地基，深度达2.5～4 m，主要功能是作为防止渗漏的帷幕。开闸的吞吐量为17.4 m3/s。坝肩是由加固混凝土组SK-3-2构成。奥罗孙诺-涅格佳赫系统有六个相似的泄水处调节器。在同一个区内，在巴雷坎河的河谷中的巴雷坎填河系统包含4个预制混凝土泄水处调节器。它们的尺寸类型和吞吐量与奥罗孙诺-涅格佳赫系统的参数相同。

对于预制混凝土泄洪道性能的分析是不太确定的。这种结构一般来说很稳定，但是有些情况下也产生了严重变形。

在大多数情况下，找出输水建筑物损坏的真正原因并非一件易事。土壤热状况造成的干扰会削弱建筑物的强度，破坏渗流稳定性，这往往正是一切麻烦的起源。

溢洪道性能分析表明，除了工程设计缺陷和保养不当之外，对建筑物与周围环境之间在热力和机械方面的相互影响以及挡土墙回填土工序缺乏认识，也是造成结构性损坏的主因之一。

根据小型低水头工程的施工和性能分析，可以得出以下结论：

①要成功地设计和修筑适合永久冻土区的小型低水头工程，需要对工程现场进行充分的调查。

②在永冻土层上可以修筑结冻型、不冻型、组合型堤坝，具体实施取决于堤坝的用途、环境条件及冻土条件。堤坝的建设和运作既存在成功先例，也不乏失败的例子。

③堤坝溃坝的概率依然很高。在堤坝中央段，坝肩和堤岸溢洪道之间的接触处较容易受损。变形的主因与永冻土有关。因此，有关永冻土相关工序的研究是溃坝分析和改善措施提高稳定性的一个关键因素。实践表明，近年来的溃坝事故多由结构错误所致，因此需要特别注意水利工程的结构安排。

④在设计低水头工程时，应特别注意一点，即土壤和结构性部件的工程特性在水利设施运转期间会发生变化。

⑤针对运转结构的监测不应该局限于一系列标准化观测，且必须符合科学要求。

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Experience and analysis in constructing lowhead water projects in permafrostWritten by Rudolf Vladimirovich

Zhang1; Translated by DAI Changlei2,3, LI Huiyu2,4

(1.MelnikovPermafrostInstituteSiberiaBranchoftheRussianAcademyofSciences,Yakutsk677010,Russia;2.InstituteofGroundwaterinColdRegion,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China;3.SchoolofHydraulic&Electric-power,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China;4.InstituteofArchitectureScienceinColdRegion,Heilongjiang,Harbin150080,China)

Constructing and maintain the stability of these water projects in permafrost remain still a challenge today. Correct design and maintenance solution are benefit to the mankind. The paper analyzes the construction and performance of small head water projects on the basis of combing the kinds of the dams, all kinds of cases and the reason of all parts of the dam damaged. It points out: ①Adequate engineering site investigations are needed to successfully design and construct small head water projects in permafrost areas；②Dams built on permafrost can be of a frozen, unfrozen or combined type; depending on the purpose of the dam, and the environmental and permafrost conditions；③The practice has shown that the arrangement of structures for hydraulic projects requires special care, as the recent failures have been caused by errors in this aspect；④When designing low-head water projects, special attention should be given to the fact that engineering properties of soils and structural elements undergo changes during the operation phase of the facility；⑤Surveillance of operating structures should not be limited to a set of standard observations and must be scientific in nature.

permafrost; water projects; dam; Yakutia；Yakutsk

冻土工程国家重点实验室开放基金(SKLFSE201310)；黑龙江省水文局项目(2014230101000411)

鲁道夫·弗拉基米罗维奇·张(1941-)，男，俄罗斯萨哈共和国雅库茨克市人，教授，主要从事冻土工程和寒区水利工程相关方向的科研和教学工作。

译者简介：戴长雷(1978-)，男，山东郓城人，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。E-mail:daichanglei@126.com。

TU445；TV6

A

2096-0506(2017)03-0022-09