俄罗斯萨哈共和国中部水工建筑物结构稳定性分析

2019-09-27鲁道夫弗拉基米罗维奇戴长雷

水利科学与寒区工程 2019年5期

鲁道夫·弗拉基米罗维奇·张著；戴长雷，于淼,5 ，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.东北联邦大学，俄罗斯雅库茨克 677000)

地处寒区的黑龙江(阿穆尔河)是世界上最长的国际界河，为东北亚的地理中心。结合寒区、俄罗斯等特色研究基础，立足于寒区水科学与国际河流问题，自2008年至今，黑龙江大学等单位迄今已成功主办了12届“寒区水资源及其可持续利用”系列学术研讨会(Conference on Water in Cold regions)。会议分别就“寒区水资源及其可持续利用”、“寒区水循环及国际河流开发”、“黑龙江(阿穆尔河)流域寒水与界河问题”、“寒区冰情及冻土水文效应”、“寒区水科学及国际河流”、“寒区水利与中俄合作”、“从第10届国际冻土工程会议到第15届全国水利量测技术综合学术研讨会中的寒水问题研究”、“乌苏里江国际河流水安全暨中俄跨国界含水层管理”、“额尔古纳河及黑龙江上游雪情研究”、“黑龙江(阿穆尔河)流域下游水问题研究”、“冰城聚议冰工程——第9届全国冰工程会议中的冰雪冻融问题”进行了深入的讨论。同时集结会议成果出版了“寒区水科学及国际河流研究系列丛书”12册。

1 问题的提出

俄罗斯萨哈(雅库特)共和国位于西伯利亚东部，是世界典型寒区。水工建筑物作为重要的水利基础设施，在其发展过程中发挥着重要的作用，但受低温环境和冻土条件影响，较大程度上影响其结构的稳定性。因此，俄罗斯科学院西伯利亚分院麦尔尼科夫冻土研究所基于俄罗斯萨哈共和国相关水利枢纽多年的原位监测，为提高水工建筑物结构稳定性提出相关措施。可为中国寒区水利工程的设计与施工提供参考。

多年的观察研究揭示了水工建筑物(如涵洞、溢洪道等)在其工作期间与周围土壤相互作用的特点及其质量失效的主要原因。由于水工结构与回填土和地基土之间的相互作用，需要解决不同温度条件下结构稳定性问题。

基于研究，解决不同条件下结构稳定性问题的方法如下：计算给定类型土的冻裂间距以及物理力学性质，然后通过一些结构构件(如垛式保持架、隔板和其他结构部件)，人为地将土壤分块，这些结构构件也将起到防渗帷幕的作用。

2 常温条件结构稳定性分析

涵洞连接墙的结构如图1所示，这种结构是在现场分析和实验室研究的基础上出现的。

1-钢筋混凝土墙;2-隔板;3-侧面; 4-冰层; 5-堤防;6-解冻边界图1 涵洞连接墙结构示意图

建议在雅库特的Khorobut，Orosuno-Negedyakh和Chappainda灌渠中进行水利工程的防渗帷幕设计。此外，现场研究和数值模拟提供了一些关于改善工作涵洞结构的建议，该建议同样可用于雅库特的水利工程。

根据供水设施的目的，涵洞可分为两类，一类可承受持续的压力，另一类只承受较短的春汛的压力[1]。仅在春季工作的涵洞，通过永久冻土与季节性冻土融合保证渗透稳定性，从而提供可靠的防渗帷幕。过水期间零度等温线不超过防渗装置(隔板)或侧墙与涵台的保护装置所在区域。

对于承受恒定压力的涵洞结构，必须保证在冻土融化或冻结时具有渗透稳定性和结构稳定性。在冻土融化时，通过与在非冻土地区相同工程措施保证渗透稳定性。但通常情况下，其还与大量的土壤、泥沙和其他材料的活动相关，会由于融冰过程中相当大的土壤沉降和排水过程而变得更加复杂。在土壤冻结时，土壤防渗帷幕应一直保持冻结状态。可使用季节性或永久冷冻装置来保证地基与防渗结构处于冻结状态。

对于河漫滩部分溢洪道，建议采用带水闸的结构。入口的压头受涵台隔板部分的挡土墙尺寸和筛网高度的限制。对于8～15 m高的大坝，有必要设置一个高扬程水槽与下游共轭。

在岩石基础上的泄洪道或进水闸处采用沟槽式自动化施工。采用共轭结构，实现与下游的共轭。为了降低水流能量，常用结构有陡坡、瀑布和井等[2]。

3 低温条件结构稳定性分析

在裂隙岩基上开发陆上冻融河道的实践表明，在季节性降温装置失效的情况下，在正常水位标记处，水库在冻土地基边缘存在严重的的渗漏现象，Myaundza河，Irelyakh河和Sytykan河的供水设施就是典型的案例。通常在涵台下形成的居间不冻层朝向堤岸发展并延伸到地基深处。裂缝岩石的融化深度达到28～30 m。这些例子表明供水设施结构的设计存在漏洞。特别是溢洪道与河道以及坝体与坝基之间的热相互作用问题没有得到妥善解决，季节性降温装置在水库相当大的热量交换下的降温能力被高估等。

横穿冻结坝体的溢洪道应设计成在过水期间对坝体的升温效应最小。零度等温线不得超过不透水装置或涵台结构区域。因此，雅库茨克北部地区的涵台下防渗装置深入地基多年冻土的深度必须在1.5～2.0 m，雅库茨克中部地区必须在3.5～4.0 m，雅库茨克南部地区必须在4.5～5.0 m。在冬季，除去涵台上的积雪并打开水闸以创造良好的空气动力条件是排水工程运行的必要条件[3]。这些简单的技术为地基土的冻结和冻结岩心的形成提供了条件，其中涵洞人工防渗装置是锚固的。

下面给出了在雅库特水资源和填海造陆工程实践中获得批准的一些结构。特别推荐使用开敞式的出水口工程作为最简单的操作方式，排水工程应最大限度地利用当地的建筑材料。

如果在建筑区域有森林(特别是落叶松树林)，建议使用这种木材制作结构，因为它可以在不失去连续性的情况下发生相当大的变形。这种材料的缺点是在潮湿环境下容易腐烂。

如果施工现场可用惰性骨料，则采用混凝土或钢筋混凝土结构更为可取。值得注意的是，在多年冻土条件下，对骨料和水泥的要求比通常要高。水利工程混凝土标号不得少于400。使用较小标号的混凝土会导致结构的低温风化速度加快。

预制混凝土的大量使用仍然存在问题。雅库茨克填海造陆工程中排水工程的建设经验尚不成熟。虽然有一少部分排水工程发生一些小的变形可以正常运行，但大多数的工程都受到了严重的破坏。

实践表明，为了提供排水工程的稳定性，有必要开发上游涵台部件并使用现代合成材料提供其增加的防渗稳定性，因为长期处于低温环境下，永久冻土的胶着力是有限的。

在使用由金属管制成的封闭式溢洪道和调节阀时，建议采用直通式结构。类似结构已在雅库特的Maganka河在正常水位的斗式进水口成功运作了20年。虹吸式金属溢洪道在填海造陆及排水设施中均证明了其可靠性。实践表明，最简便的操作方式是在坝面设置虹吸管。虹吸式溢洪道通常以管簇的形式使用，管簇被放置在不同的位置，以满足给定的上游水位状态[4]。