西伯利亚典型溢洪道冻融物理模拟与温度场分析

鲁道夫·弗拉基米罗维奇·张 著；戴长雷，李卉玉，王 羽 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)

俄罗斯西伯利亚典型寒区溢洪道在寒冷条件下出现冻涨破坏，为了更加深入的把握溢洪道的破坏机理，由俄罗斯西伯利亚分院麦尔尼科夫冻土研究所的工程建设实验室、冰川中心工程实验室和中国科学院地质研究所联合开展研究，建立了溢洪道与冻土间的物理模型，并在物理模型的基础上建立溢洪道周围土体的温度模型，通过对模型的分析与探讨，证实了溢洪道侧墙与土壤边界发生土壤剥落，土壤与防渗帷幕斜面上的接触面存在压力等结论。

1 物理模拟

1.1 物理模拟基础

此项研究由俄罗斯科学院西伯利亚分院麦尔尼科夫冻土研究所的工程建设实验室、冰川中心工程实验室和中国科学院地质研究所于1994年3月在物理建模部联合举办。

假设在施工期间溢洪道侧墙与冻结回填土之间是相互作用的。这一假设是阐述冻土形变问题的基本前提，也是在自然和实验室条件下进行此项研究的基础[1]。

此研究意在建立涵洞钢筋混凝土侧墙土体剥落过程的模型，并对已建成的防渗帷幕进行试验。

由于试验的复杂性导致对长期循环中的冻融过程进行全面的建模并对整个低温过程的模拟没有成功。因此发现热过程建模的特殊情况并提出如下假设：模型与实际工程所用材料完全相同，模型材料的温度与自然条件下工程材料的温度完全相同[2]。初始条件：回填土为黏土，湿度为0.3，容重为1.93 g/cm3，温度为9.5 ℃。边界温度条件：第Ⅰ部分土壤温度tⅠ=f1(t1)，第Ⅱ部分土壤温度tⅡ=f2(t2)，第Ⅲ部分土壤温度tⅢ=f3(t3)=常量，溢洪道各部分土壤初始温度如表1所示。

表1 溢洪道各部分土壤初始温度

假设模型材料及温度符合实际条件，试验的预期目标为：(1)确定在侧墙与土壤的边界处是否形成冰层。(2)检查土壤与防渗帷幕斜面上的接触面是否存在压力[3]。

图1为溢洪道侧墙细部图，图2为温度、压力和形变传感器布置图，其中温度传感器还可以监测土壤湿度、容重等参数。

图1 溢洪道侧墙细部图(单位：cm)

(编号+型号，T为温度传感器、P为压力传感器、D为形变传感器)图2 温度、压力和形变传感器布置图(单位：cm)

将含水量等于饱和含水量的土壤装载到模型中，其侧表面覆盖有聚乙烯薄膜以防止冻结。出于同样的目的，溢洪道的混凝土碎片需涂抹一层凡士林。模块的外部尺寸为1600 mm，宽度为980 mm，高度为1500 mm，如图3所示。

模型的温度范围由专门设备控制，可以设定温度范围并在试验期间自动保持在预设范围内。使用热电偶装置控制土壤冻结速率，每10 min测量一次温度。用形变传感器测量墙体的水平变形，测量范围在1～30 mm之间。用BE-2KC型(日本)的传感器测量压力，测量范围为0～2 kg/cm2。

所有信息，包括背景、计算和结果都通过计算机计算并保存在磁盘上。温度记录的时间间隔为10 min，变形和压力记录的时间间隔为30 min。

图3 建模装置模块装置尺寸(单位：mm)

1.2 物理模拟的结果与分析

模型冻结过程中温度场表明了最高的温度梯度存在于溢洪道开放面的主动热交换区域。温度梯度造成土壤水分的迁移，部分监测点土壤湿度及容重状况试验数据见表2和表3，由表中数据可知在1994年3月18—29日上层滞水埋深持续下降。

试验开始和结束时土体的温度及水分分布如图4和图5所示。等湿度线表明了冷冻过程中发生了水分的迁移，水在热交换表面上有所增加。容重分析表明，在冻结区域存在一些融化的土壤。在14 d的冷冻期后，打开模型观察到如下结果：

侧墙土壤表面沿水流方向发生了很大的温度变形。土壤的垂直和水平形变导致土壤和排水结构之间形成垂直裂缝，裂缝深度范围为15～20 cm，顶部宽度范围为1.2～1.5 cm。土壤表面由于水分迁移而被冰层覆盖，冰厚范围为1.5～2.0 cm。

表2 模型中心的土壤湿度情况 %

表3 1994年4月5日试验结束时部分监测点土壤湿度和容重情况

图4 溢洪道侧墙后温度场动态(t为气温，℃)

图5 最终土壤水分分布(W为湿度)

2 温度场分析

利用上述模拟的方法，扩展了这些结构能够正常运转的气候条件和地质条件，并将非稳态温度场问题转化为二维温度场问题[4]。以大坝的边界条件确定了10个备选方案，同时也考虑了排水结构几何形状及积雪的性质。预期目标为排水结构于9月1日建成，冬季结冰; 5月10日—6月10日为洪水期(水闸关闭，下游无水)。6月10日，水从下游排出，排水结构保持干燥，直到第2年5月。计算区示意图如图6所示，溢洪道周围岩石模型分区图如图7所示。

图6 计算区示意图

图7 溢洪道周围岩石模型分区图(单位：m)

求解结果与现场实测数据基本吻合，观测区内温度场的性质基本相同。在回填土温度场变化过程中，是否存在以垂直侧墙开放性的热交换面是求解过程中的一个决定性因素。排水结构上的积雪推迟了结构的冻结期和温度稳定期。

雅库茨克中部地区典型气候和地质条件下的排水结构温度场如图8和图9所示。考虑排水结构积雪变化情况，以排水结构位置划分为工程北部、工程主体、工程南部，其间以溢洪道作为工程主体，溢洪道以南为工程南部，溢洪道以北为工程北部，雅库茨克不同地质气候条件下溢洪道周围土壤热力状态形成时期如表4所示。

表4 溢洪道侧墙排水结构周围土壤温度状态形成时期

图8 溢洪道周围温度场动态图，℃(中心区域，所有部分均没有积雪)

图9 排水工程周围温度场动态图，℃(中心区域，排水结构被积雪覆盖)

3 结论与建议

通过对物理模型观测发现侧墙土壤表面沿水流方向发生了很大的变形，结冰现象集中发生在排水结构的整个垂直面上，冰厚度为0.1～0.3 cm。土壤和排水结构之间形成垂直裂缝。对温度模型的分析可知排水结构上的积雪推迟了冻结期和温度稳定期。由于空气和土壤的热交换，排水工程周围的温度场分布非常复杂，在坝趾处形成一部分温度更低的区域，温度变化范围在-4～-6 ℃之间。因此建议用于雅库特的Khorobut，Orosuno-Negedyakh和Chappainda灌溉体系设计防渗帷幕。综合考虑得出如下结论：

(1)土壤和防渗帷幕的斜面上存在压力。

(2)试验结果证实了溢洪道侧墙与土壤边界发生土壤剥落假设和冰层形成的假设。

(3)根据气候条件和地质条件，形成稳定温度的时间如下：工程北部区域为8～14 a; 工程主体区域为15～21 a，工程南部区域为21～43 a。