冻融和水流对寒区土渠侵蚀试验分析与设计

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)

冻融和水流对寒区土渠侵蚀试验分析与设计

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)

冻融和水流对寒区土渠侵蚀作用是一个复杂的现象，其对永冻区的水利工程、农业灌溉等方面都具有重大的影响。通过冻融和水流对寒区土渠侵蚀试验,对其作用规律展开研究，目的是通过试验解决冻融和水流对寒区土渠侵蚀问题。指出：试验是基于水流与土壤相互作用的复杂性，并对此定义出的4个研究方向：(1)河床稳定性研究；(2)各行业松散物料的水运运输；(3)沉积物的液压挖掘；(4)永久冻土条件下自然侵蚀过程的研究为背景展开的。试验的进行地域萨哈(雅库特)共和国有3种开放的土体河渠用于灌溉：(1)流域灌溉系统的河渠；(2)灌溉河渠；(3)排水系统的河渠。试验的目的是研究土体灌溉河渠与环境的相互作用过程，确定其不足的原因，并提出开发建议，以提高其运行的可靠性。设计试验时采用Khalaany体系和Khorobut体系。

冻融；水流；侵蚀试验；寒区土渠；萨哈(雅库特)共和国

1 试验背景

水流与土壤的相互作用通常是一个包括水力机械、物理、化学、物理机械及其他过程的复杂现象。

因此，从实践的角度来看，可以在研究水流与土壤的相互作用中定义以下方向：

(1)河床稳定性研究。这个方向的研究可用来开发最精细的计算方法，广泛用于解冻分散土壤中灌溉土体河渠的设计。它开发的计算土体河渠稳定河床的方法，目前有4种[1]：制度理论方法；最大界限剪切方法；容许速度方法；相似法。

Zamarin E A、Velikanov M A、Levi I I等对该方向的发展做出了重大贡献。这些方法仅适用于解冻的土壤基质，但不考虑永久冻土基质[2-9]。

(2)各行业松散物料的水运运输。这一实地研究大部分涉及松散材料在隧道中的水运运输。以下人员的论文中提供了理论与实践工作：Yufin A P、Traynis V V、Kuprin A I等[10-13]。

(3)沉积物的液压挖掘。该领域主要涉及采用解冻土壤井下法的采矿作业，并在Arens V Z、Ismatilova B V、Friedman B E等人的论文中进行了综述，而且Shpack V M、Kuzmin G P、Yakovlev A V在院士Melnikov P I的指导下，得出了适用于永久冻土条件的方法[14-18]。

Friedman B E、Khnykin V F、Shorokhov S M关于多孔隙岩石的论文非常值得探究。在开发永久冻土条件下的砾石沉积物时，热物理学方面是非常重要的。Pavlov A V、Perlstain G Z、Peristain G Z等人的著作中给出了反映位于俄罗斯北部和东北部地域条件下矿物开采热物理学方面的理论[19-25]。

(4)永久冻土条件下自然侵蚀过程的研究。这个分支对自然条件下的景观形成研究颇有建树。它有以下几个方面：热物理学、物理机械学、水文学和地质地理学。莫斯科国立大学的Ershov E D、Konstantinova G S、Zamolotchikova S A等科学家对永久冻土条件下自然侵蚀进行了大量的实验和实地研究[26-29]。

在河岸、水塘和水库侵蚀研究中发现了相当多的事实。这个过程的现代化概念主要是由Are F E、Konstantinov I P、Tomirdiaro S V等永久冻土研究所成员开发的[30-35]。

“空气-永久冻土”边界热交换过程的研究主要是解决矿产业开放地区覆盖层的问题。主要关注提高冻土冻结速度，这个过程是基于热平衡法。

永久冻土中水流与冻结、正在解冻和已解冻土壤之间的热交换过程存在的问题，可分为死水塘中的热交换和冻结河岸与河流、海洋、大型水库之间的相互作用，以及在水力侵蚀场中各种解冻土壤类型与水流之间的热交换。第一种情况下，Tomirdiaro S V、Are F A、Feldman C M等人收集了大量的理论和实地资料。马加丹科学家Goldman V G、Chistopolsky S D、Lavrov N V等人对第二种情况进行了研究[36-42]。

从永久冻土条件下灌溉土体河渠的具体特征来看，河床稳定性中最重要的作用是水道和空气流通道的热交换过程。永久冻土研究所的实验研究表明，即使在非常慢的速度下，水温在0.5～10 ℃左右，冻土也受到水流的侵蚀。此外，大家都清楚解冻土壤的厚度和湿度对于解冻土壤颗粒的稳定性非常重要。根据Mirtskhulava C E的说法，由于水层的负荷影响，黏性土壤的冲刷阻力增加。同时对于永久冻土体，其表面某些解冻了的土层中水蒸气的存在会大大降低冻结区的热流，从而保持冻结状态。一般来说，河床的稳定性取决于土壤解冻的最大深度，例如存在于河渠底部和斜坡下的冰楔情况。季节性冻土的解冻深度可以通过河渠灌溉和水流大小来控制[43-46]。

研究设计、施工和运行问题的条件，以及对土体河渠与环境相互作用领域的研究工作及主要方向，让我们制定了研究的目标和问题。

2 萨哈(雅库特)共和国灌溉河渠

萨哈(雅库特)共和国有3种开放的土体河渠用于灌溉：流域灌溉系统的河渠；灌溉河渠；排水系统的河渠。

浅谷河流或洼地凹陷的具体特点规定了第一类河渠。这类河渠适用于流域灌溉系统。沿洼地的底部运行的河渠在河口被淹没的时候会下沉。灌溉后，当灌溉水从灌溉地中排出时，河渠的作用就是排水。一般来说，对河渠的要求不高。

第二种用于农田浇水和灌溉。水可以在短时间内(例如春季流域灌溉)和长时间(例如在植物植被的所有时期内)内都可以留在河渠中。

第三类河渠主要用于浅谷河流和洼地积水地面的排水。这个体系的具体特点是，在排水之后，它们作为灌溉用水通过其向灌溉地提供水之后又作为排水路线，因此与流域灌溉河渠相似。

根据地形条件，河渠是在凹陷、切割和填充、土堆处筑成。

根据永久冻土地质条件，河渠运行于在相对有利的条件下，当土壤通过解冻稳定的分散沉积物呈现时；在绝对不利的条件下，当它们在具有富含冰的土壤和冰楔的所谓的冰层的沉积物中筑成时。

观察一些萨哈(雅库特)共和国灌溉系统证明，运行过程中的土体工程发生相当大的变形。设计与勘探工作分析表明：在永久冻土条件下，没有土体河渠设计、建造和运行有关的规范性文件；河渠河道的设计完成，不考虑河渠运行过程中发生的解冻、冻结和冻土的建筑现场和过程的地质条件，以及其与水和空气的相互作用。

3 试验目的确定与试验方案设计

分析土壤与环境相互作用的实地研究工作主要方向、解冻和冻土侵蚀特征、热湿土壤体系及其对季节性解冻深度的影响，以及设计条件、建筑和运行问题，定义了研究的目标、问题和研究准备工作。

研究目标是研究土体灌溉河渠与环境的相互作用过程，确定其不足的原因，并提出开发建议，以提高其运行的可靠性。

为了达到这个目标，必须解决一些问题：积极开展农田灌溉河渠区域的实地观察活动；在自然条件下研究土体河渠的热湿状况；考虑到运行状况的具体特征，研究自然条件下土体河渠的热交换过程。

除研究流域灌溉河渠之外，Khalaany和Khorobut还对土体河渠热湿状况进行详细的实地观察，并对水与空气流和河床之间的热交换过程进行研究。

Khalaany体系的研究包括：温度测量、河渠内和未受干扰地点的土壤温度、河渠和淹水区的水温和深度、风速、积雪覆盖厚度、季节性土壤解冻动力学的观测。

Khalaany渠上温度监测井的布置和流域灌溉系统(坝址处)概貌如图1、图2所示。

图1 Khalaany干渠上温度监测井的布局

1—温度监测井(孔)；2—黏土；3—亚黏土；4—砂砾；5—冰楔；6—滑动土体图2 Khorobut流域灌溉干渠横断面监测孔布置图

温度测量采用温湿度计、土壤温度测量——通过MMT-1标记的热敏电阻进行测量，该热敏电阻嵌入特殊的橡胶头盖并排列成热敏电阻串。使用常规技术以及使用在永久冻土研究所中制定的方法进行温度测量[47]。

使用测量棒测量河渠的水深。水流速度采用常规水文法通过CM-21标记电流表进行测定；风速由ASO-3标记的手持式风速计进行测量。

1985年4月28日—5月25日，每5 d观察一次。以后的测量是在1985年6月26日、1985年10月3日和1986年3月12日进行的。

在Khorobut体系中，观测包括：空气和水温、土壤(底部、坡度)的梯度温度测量、河渠影响区域以外的土壤温度、干燥山坡和水下热流、季节性解冻深度、水流深度及其速度、土壤湿度、雪情调查、空气湿度。使用常用的水化学、放射测定法、土壤学和永久冻土研究技术进行观测。

在尖木桩PC 1 + 63和PC 4 + 14处制作的2个地点进行了空气温度、热流量、土壤温度、水流和空气流速的动态观察。1986年4月27日—29日，当地时间每天上午3时和9时、下午3时和9时，进行上述参数测量。梯度温度观测进行到3 m深处。1986年4月—12月，每月进行一次深度到10 m的关键孔的测量，1987—1990年期间，每年进行两次深度到10 m的关建孔的测量。

Khorobut体系流域灌溉干渠横断面监测孔布置图和流域灌溉系统概貌如图3、图4所示。

图3 Khalaany流域灌溉系统(坝址处)概貌

图4 Khorobut流域灌溉系统概貌

4 结 论

(1)水流与土壤的相互作用通常是一个包括水力机械、物理、化学、物理机械及其他过程的复杂现象。并对此定义出的4个研究方向：河床稳定性研究；各行业松散物料的水运运输；沉积物的液压挖掘；永久冻土条件下自然侵蚀过程的研究为背景展开的。

(2)萨哈(雅库特)共和国有3种开放的土体河渠用于灌溉：流域灌溉系统的河渠；灌溉河渠；排水系统的河渠。

(3)试验的目的是研究土地灌溉河渠与环境的相互作用过程，确定其不足的原因，并提出开发建议，以提高其运行的可靠性。

(4)设计试验时采用Khalaany体系和Khorobut体系。

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Experimentalanalysis and design of soil canal erosion in cold area with frozen and water flowWritten 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)

The effect of freeze-thaw and water flow on soil erosion in cold region is a complex phenomenon, which has great influence on water conservancy project, agricultural irrigation and so on. The effect of freeze-thaw and water flow on the soil erosion in the cold region is studied. the purpose is to solve the problem of soil erosion in the cold region by freeze-thaw and water flow. It points out: The experiment is based on the complexity of the interaction between water flow and soil, and the four research directions defined: (1) studies of riverbed stability；(2)hydrotransportation of loose materials in various branches of industry；(3) hydraulic excavation of deposits； (4) study of natural erosive processes in permafrost conditions. Three types of open earthen canals are used for irrigation purpose in Yakutia:(1) canals of basin irrigation systems; (2) irrigation canals; (3) canals of drainage system. The aim of researches is a study of interaction processes of earthen irrigation canals with the environment, determination of reasons of their failures and recommendations development concerning the increase of their operation reliability. The khalaany system and khorobut system are used in the design test.

freeze thawing; current; erosion effect; soil canal in cold area; The Sakha(Yakutia) Republic

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。

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。

TV135.3

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：2096-0506(2017)08-0028-06