非飽和凍土滲透系數(shù)測定裝置分析與設(shè)計

伍根志，戴長雷,2,*，高 宇

(1.黑龍江大學(xué) a.寒區(qū)地下水研究所；b.水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080;2.中國科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 凍土工程國家重點實驗室，蘭州 730000)

非飽和凍土滲透系數(shù)測定裝置分析與設(shè)計

伍根志1a,1b，戴長雷1a,1b,2,*，高 宇1a,1b

(1.黑龍江大學(xué) a.寒區(qū)地下水研究所；b.水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080;2.中國科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 凍土工程國家重點實驗室，蘭州 730000)

地下冰的存在使寒區(qū)與非寒區(qū)土壤滲透系數(shù)測定存在明顯差異。通過分析設(shè)計寒區(qū)非飽和凍土滲透系數(shù)試驗裝置，改進(jìn)了原有裝置的不足，容器中的溶液選用乳糖溶液在可控的溫度范圍內(nèi)不結(jié)冰；試驗裝置在恒定低溫條件下進(jìn)行。乳糖的濃度應(yīng)同土壤中的水有相同的熱力學(xué)平衡。測定裝置使水流流量與水力梯度成線性變化。

凍土；滲透系數(shù)；凍脹；裝置；設(shè)計

0 引 言

在寒區(qū)，土壤凍結(jié)作用使水文循環(huán)機(jī)理與過程更加復(fù)雜，將非寒區(qū)理論和方法應(yīng)用于寒區(qū)水文循環(huán)存在諸多問題[1]，主要問題在于凍層水理參數(shù)的變化[2]，其中包括非飽和凍土土壤滲透系數(shù)。凍土中水、熱、鹽的賦存運(yùn)移規(guī)律[3-4]，以及凍土層的工程力學(xué)性質(zhì)[5]均有研究。土壤滲透系數(shù)的測定在寒區(qū)與非寒區(qū)有明顯差異，土壤凍結(jié)后已不適用于非寒區(qū)常規(guī)方法。同時，非飽和凍土土壤滲透系數(shù)在寒區(qū)凍土保墑、融雪水入滲等方面起著至關(guān)重要的作用。黑龍江大學(xué)的部分學(xué)位論文[6-8]及相關(guān)科技論文中涉及到有關(guān)非飽和凍土滲透系數(shù)的研究。戴長雷、樊貴盛、鄭秀清、令鋒和常龍艷等發(fā)表了關(guān)于非飽和凍土滲透系數(shù)的相關(guān)科技論文共6篇，其中有關(guān)非飽和凍土滲透系數(shù)測定方法的論文有2篇，但相關(guān)的測定裝置并不完善，至今還未有專門關(guān)于非飽和凍土滲透系數(shù)測定裝置的研究。本文擬在前人研究基礎(chǔ)上，分析室內(nèi)測定非飽和凍土滲透系數(shù)方法的重點與難點，摒棄原有裝置的不足，設(shè)計制作測定非飽和凍土土壤滲透系數(shù)室內(nèi)試驗裝置，提出室內(nèi)試驗方案。

1 測定裝置目標(biāo)選擇

1.1 測定裝置目標(biāo)

本裝置擬測定在0～-0.5 ℃恒低溫環(huán)境下凍土土壤滲透系數(shù)，凍土類型為沙土。

滲透系數(shù)又稱水力傳導(dǎo)系數(shù)。在各向同性介質(zhì)中，它定義為單位水力梯度下的單位流量，表示流體通過孔隙骨架的難易程度。計算公式為：

(1)

(2)

1.2 測定裝置原理

將樣品和貯液器浸泡在冰和乳糖的溶液中，使其維持在冰點溫度，通過調(diào)節(jié)恒溫制冷培養(yǎng)箱及冰和乳糖溶液的濃度以得到所需溫度。

凍土中的未凍水具有負(fù)孔隙水壓力或吸力[9-11]。國外學(xué)者BURT T.P.[11]提到如果純水被放置在貯液器中，即使它沒有凍結(jié)，也將存在一種將水從兩側(cè)拉入樣品的趨勢。但是貯液器的乳糖起到平衡貯液器的電勢和在土壤中水的電勢的作用。使用的乳糖溶液的濃度與在冰浴中的濃度相同。在冰浴中的乳糖溶液與純散裝冰平衡。未凍土壤水和土壤冰也處于平衡狀態(tài)。由于整體的溫度相同，未凍土壤水和乳糖溶液處于平衡狀態(tài)。對于每次測量時的溫度，都要在貯液器中重新加入冰浴中的乳糖溶液。這種乳糖解決方案還避免了在貯液器中結(jié)冰的問題。

貯液器中的乳糖通過分子擴(kuò)散或者通過流動的水將其輸送到土壤中。因此，要在樣品的每個端部都裝配一個透析膜，限制乳糖進(jìn)入樣品中。

2 裝置的功能與結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 功能

通過對已有研究與文獻(xiàn)的梳理，提出主要研究目的如下：

1)確定試驗參數(shù)邊界范圍及控制條件，提出非飽和凍土滲透系數(shù)的室內(nèi)測定方法。

2)設(shè)計制作恒溫制冷培養(yǎng)箱，使試驗環(huán)境不受外界環(huán)境影響。選定可用于非飽和凍土滲透系數(shù)測定的低冰點惰性液體(溶液冰點遠(yuǎn)低于0 ℃，與水的黏滯系數(shù)相近，無污染)。通過對土樣進(jìn)行篩分、保水和恒溫冷藏等步驟完成凍土柱的制作。

3)制作非飽和凍土滲透系數(shù)測定儀器，以顆粒級配、含水率與密度為主要控制指標(biāo)制定試驗土樣，在0～-0.5 ℃恒溫環(huán)境下測定沙土的凍土滲透系數(shù)。

2.2 結(jié)構(gòu)

本裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計共分為5部分：環(huán)境監(jiān)測裝置、凍土柱存放裝置、測壓裝置、滲透液體、計時裝置。

環(huán)境監(jiān)測裝置：測定非飽和凍土滲透系數(shù)時，溫度梯度是試驗的關(guān)鍵控制因素之一。本設(shè)計裝置采用恒溫制冷培養(yǎng)箱(圖1)，可為試驗時提供較為穩(wěn)定的低溫溫度。同時，在貯液器旁放置兩只溫度計，可實時監(jiān)測溶液環(huán)境溫度。

圖1 恒溫制冷培養(yǎng)箱Fig.1 Cooling incubator of constant temperature

凍土柱存放裝置：進(jìn)行試驗前，應(yīng)提前對土壤試樣進(jìn)行烘干、篩分、飽水和低溫冷凍等過程，凍土柱完成后放入指定裝置進(jìn)行恒低溫冷藏，盡量避免凍土柱水分揮發(fā)(圖2)。試驗時，直接放入凍土試樣進(jìn)行試驗。

圖2 凍土柱存放裝置Fig.2 Frozen soil column storage device

測壓裝置：測壓裝置是測定滲透系數(shù)的核心，本儀器采用連通器原理，通過對貯液器一端倒入試驗溶液，溶液從左側(cè)容器穿過凍土試樣進(jìn)入右側(cè)容器，產(chǎn)生水頭損失，待右端刻度細(xì)管讀數(shù)穩(wěn)定上升后，說明溶液已在凍土試樣內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定流速，方可讀數(shù)測壓(圖3)。

滲透液體：試驗時滲透液體應(yīng)滿足溶于水且冰點低于0 ℃，不與土壤顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等。本次采用冰浴和乳糖溶液混合物進(jìn)行試驗，控制溫度為0～-0.5 ℃。

計時裝置：選用秒表進(jìn)行試驗計時。

2.3 材料工藝

試驗儀器材料大致由恒溫制冷培養(yǎng)箱、玻璃容器、帶刻度玻璃管、攪拌棒、止水夾、溫度計、支架、半透膜等組成。試驗裝置見圖4。

圖3 貯液器Fig.3 Liquid reservoir

圖4 凍土滲透系數(shù)測定裝置圖Fig.4 Device of frozen soils’ hydraulic conductivity

3 存在問題

通過對國外學(xué)者BURT T.P.及黑龍江大學(xué)研究生常龍艷、商允虎等論文及其試驗裝置的研究，在評估非飽和凍土的滲透系數(shù)時，分析實際水運(yùn)動的現(xiàn)象是很重要的，滲透系數(shù)不能被理解為凍土的內(nèi)在屬性。本試驗儀器的設(shè)計可能存在以下問題：

1)國外學(xué)者曾通過透析膜逐漸進(jìn)入土壤中的乳糖，使土壤水分與乳糖溶液平衡。土壤水中的乳糖增加了滲透潛能，降低了土壤中的水的冰點。一些融化的冰可以預(yù)期發(fā)生，這導(dǎo)致在融化的部分樣品滲透系數(shù)上升。運(yùn)行試驗后，在樣品的進(jìn)樣過程中，會溶解一部分土樣。然而，土壤中乳糖的存在并沒有顯著影響總體樣本的滲透系數(shù)。因此，乳糖的注入似乎只對樣品的整體滲透系數(shù)有很小的影響[12-19]。但使用達(dá)西公式的系數(shù)計算時，可能需要進(jìn)行一些修正。由于融冰層的存在，使凍結(jié)試樣長度減小。

2)商允虎做過關(guān)于惰性液體選取試驗，提出最濃縮的乳糖溶液只允許讀數(shù)為-1 ℃[20]。為了在較低的溫度下工作，必須使用更多的水溶性化學(xué)物質(zhì)，并在很低的溫度下，這意味著較小的分子將參與。5%的氯化鈉溶液冰點為-2.7 ℃。氯化鈉分子不同于乳糖，即使沒有發(fā)生流動，它穿過土壤非常迅速[6-8，17]。

3)達(dá)西定律要求一個恒定水頭隨時間產(chǎn)生一個恒定的流速。在某些情況下，數(shù)小時后流速發(fā)生大幅下降。這種現(xiàn)象在一些黏土樣品中尤為明顯，但罕見于其他樣本。 發(fā)生這種情況與溫度或水頭的高低無關(guān)。應(yīng)用水頭>300 cm可產(chǎn)生可觀的流量。

4)利用高水頭強(qiáng)度產(chǎn)生可測流量會導(dǎo)致一些融化冰。100 cm水壓力可使其冰點降低0.007 ℃。

4 結(jié) 論

通過梳理國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，分析室內(nèi)試驗方法，選擇低冰點惰性液體，設(shè)計凍層條件下土壤滲透系數(shù)測定裝置。通過描述凍土中水分的運(yùn)輸，以及其它因素對運(yùn)輸速度的依賴性，提出新的滲透系數(shù)測定方案。與傳統(tǒng)的滲透系數(shù)試驗相比，用冷凍樣品的方法測量非飽和凍土滲透系數(shù)是可取的。凍土滲透系數(shù)試驗過程是在恒定低溫的條件下，使含有一定乳糖濃度的冰浴從一個容器流入凍土土壤，再流到另一個容器內(nèi)，根據(jù)達(dá)西定律在恒定的水頭下使水流在凍土土壤中形成恒定流速，并根據(jù)公式計算凍土土壤滲透系數(shù)。粉砂和黏土對于凍脹非常敏感，在低于0 ℃時，具有很高的滲透系數(shù)。

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Analysis and design of hydraulic conductivity’s measuring device in non-saturated frozen soil

WU Gen-Zhi1a,1b,DAI Chang-Lei1a,1b,2，*,GAO Yu1a,1b

(1.Heilongjiang University a.Institute of Groundwater in Cold Region; b.School of Hydraulic & Electric-power, Harbin 150080, China;2.State key Laboratory of Frozen Soil Englineering,Cold and Arid Regions Envionmental and Engineering Research Institute,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China)

Ground ice makes the investigation of soils’ hydraulic conductivity difference between cold area and non-cold area.This article aims to analyze and design the device of non-saturated frozen soil’s hydraulic conductivity. Through reasonable design and improved device, this experimental device uses lactose as inert liquid, keeps the solution of the container no longer to freeze in the controllable temperature range. And this device has a great improvement in terms of temperature control, which makes the test in constant controllable conditions at low temperature. The concentration of lactose is such that, initially, the water in the reservoirs is in thermodynamic equilibrium with the water in the soil. On application of pressure to one reservoir a known hydraulic gradient is established and flow takes place,flow is shown to vary linearly with hydraulic gradient.

frozen soil; hydraulic conductivity; frost heave; application; design

10.13524/j.2095-008x.2015.04.056

2015-10-30

國家自然科學(xué)基金資助項目(41202171)；凍土工程國家重點實驗室開放基金課題(SKLFSE201310)；水利部公益性行業(yè)專題經(jīng)費(fèi)項目(201301096-03)；黑龍江省水利廳項目(201317)；黑龍江省水文局項目(2014230101000411)

伍根志(1990-)，男，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生，研究方向：寒區(qū)水文與水文學(xué)，E-mail: hss_wugenzhi@126.com；*通訊作者：戴長雷(1978- )，男，山東鄆城人，副教授，博士，研究方向：寒區(qū)地下水及國際河流，E-mail: daichanglei@126.com。

P641.2

A

2095-008X(2015)04-0012-04