變孔隙條件下非飽和凍土滲透系數(shù)試驗(yàn)與分析

高宇+戴長雷+伍根志+杜新強(qiáng)+商允虎

摘 要：寒區(qū)土壤水文循環(huán)過程因凍土層的存在而復(fù)雜，凍土層中冰的存在使其水理性質(zhì)變化引發(fā)許多特殊水文現(xiàn)象，在凍土水理性質(zhì)研究過程中凍土滲透性研究是其中的關(guān)鍵問題之一。為了研究非飽和凍土含冰率和干密度對于非閉合孔隙度及其滲透性的影響，選取不同含冰率（2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%、16%、18%、20%）、試樣干密度（1.4×103kg/m3、1.5×103kg/m3、1.6×103kg/m3）作為單因素變量，采用定水位達(dá)西試驗(yàn)方法分別進(jìn)行凍土滲透系數(shù)測定試驗(yàn)，開展了非飽和凍土滲透系數(shù)測定試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：非飽和凍土滲透系數(shù)及非閉合孔隙度隨試樣含冰率的增加而變小，隨試樣干密度增加而變小，變化范圍為0.19-0.714及8.55-19.18m/d。當(dāng)含冰率為20%、試樣干密度為1.6×103kg/m3時(shí)得到最小非飽和凍土滲透系數(shù)為8.55m/d，最小非閉合孔隙度為0.19。

關(guān)鍵詞：含冰率；非閉合孔隙度；非飽和凍土；哈爾濱

DOI：10.15938/j.jhust.2017.03.023

中圖分類號： P641

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2017）03-0127-05

Abstract： Frozen soil permeability is one of the key issues in the process of frozen soil water properties research due to special hydrological phenomenon caused by the change of frozen soil water properties. In order to study the effect of ice content and dry density on non-closed porosity and permeability of unsaturated frozen soils， choose ice content （2%， 4%， 6%， 8%， 10%， 12%， 14%， 16%， 18%， 20%） and dry sample density （1.4×103kg/m3， 1.5×103kg/m3 and 1.6×103kg/m3） as a single variable factor to measure frozen soil permeability coefficient. The water level test method was used to determine the permeability coefficient of frozen soil， and the experimental study on the permeability coefficient of unsaturated frozen soil was carried out. The results show that the permeability coefficient and the unclosed porosity of the unsaturated frozen soil are smaller with the increase of the ice content and dry sample density， and the range is 0.19-0.714 and 8.55-19.18m/d. When the ice content is 20% and the dry density of the sample is 1.6×103kg/m3， the minimum unsaturated permafrost permeability coefficient is 8.55m/d and the minimum unclosed porosity is 0.19.

Keywords：ice content； unclosed porosity； unsaturated frozen soil； Harbin

0 問題的提出

在寒區(qū)，凍土層是以含冰土體的形式賦存于土壤包氣帶中的特有土層[1-3]。由于其特殊的結(jié)構(gòu)，凍土具有抑制蒸發(fā)、透水性較弱和調(diào)節(jié)土壤水分情況等特點(diǎn)，并且在融雪水入滲、土壤水分變化狀態(tài)等方面呈現(xiàn)出不同于非凍土層的規(guī)律和特征[4，5]。在寒區(qū)，冬季地面積雪，春季積雪融化，產(chǎn)生了融雪徑流和入滲、春澇、春汛等特殊的水文現(xiàn)象[6-8]。凍土層的存在使寒區(qū)土層水理性質(zhì)變得極其復(fù)雜，楊廣云，王子龍和戴長雷等發(fā)現(xiàn)凍結(jié)期土壤水分入滲微弱，融化期上層融雪水入滲受到了透水性較弱的凍土層的阻礙，而且由于土水勢的改變導(dǎo)致未凍結(jié)土壤水向凍土層移動，凍土層持水性由此增加，出現(xiàn)了凍土保墑現(xiàn)象[9-14]。由于影響凍土滲流特性和機(jī)理的因素較為復(fù)雜，采用常規(guī)（非寒區(qū)）滲流理論對凍土層土壤進(jìn)行滲流特性分析時(shí)效果較差[15-18]。

凍土較非凍土最大的不同就是冰的存在，冰的存在會改變凍土孔隙度，影響水分入滲。本文擬采用定水頭達(dá)西試驗(yàn)方法，測定以含冰率、干密度作為衡量凍土孔隙特征的凍結(jié)土壤非飽和凍土滲透系數(shù)，找出土壤含冰率、干密度與非閉合孔隙度、滲透系數(shù)之間存在的對應(yīng)關(guān)系，量化凍結(jié)土壤滲透性質(zhì)和孔隙特征對其滲透能力的影響規(guī)律， 為寒區(qū)土壤污染物遷移規(guī)律及其治理方案、融雪水文計(jì)算等方面研究提供基礎(chǔ)。

1 研究方案

1.1 研究區(qū)背景

研究區(qū)選擇位于寒區(qū)且具有相對完備凍層溫度和水分等長期監(jiān)測條件的呼蘭區(qū)黑龍江大學(xué)校區(qū)實(shí)驗(yàn)基地[19-21]。呼蘭區(qū)位于哈爾濱市松花江北岸，屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，是典型的季節(jié)性凍土區(qū)，在黑龍江省的位置如圖1所示；冬季凍結(jié)春季融化，凍結(jié)期為11月至次年3月，凍土深度為1-2m[22，23]。黑龍江大學(xué)呼蘭校區(qū)綜合試驗(yàn)場已經(jīng)進(jìn)行過關(guān)于水理性質(zhì)試驗(yàn)研究；對于凍層水分、熱量及發(fā)育情況有相對深入的研究和監(jiān)測數(shù)據(jù)，可為凍土滲透系數(shù)試驗(yàn)提供基礎(chǔ)資料。

由圖5、圖6可知：隨著試驗(yàn)土樣的干密度增大，非飽和凍土非閉合孔隙度減少，其變化范圍為0.19-0.714；非飽和凍土滲透系數(shù)也隨之減少，變化范圍為8.55-19.18m/d。在測定范圍內(nèi)，土壤干密度為1.6×103kg/m3、含冰率為20%時(shí)，滲透系數(shù)達(dá)到最小值8.55m/d，非飽和凍土閉合孔隙度達(dá)到最低值0.19。

3 結(jié) 論

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果初步探討含冰率、試樣干密度與非閉合孔隙度、非飽和凍土滲透系數(shù)關(guān)系特征，得出以下結(jié)論：

1）提出常水頭試驗(yàn)裝置TST-70滲透儀試驗(yàn)方案，結(jié)果表明，非飽和凍土滲透系數(shù)及非閉合孔隙度隨試樣含冰率的增加而變小，隨試樣干密度增加而變小。對于非飽和凍土而言，含冰率是影響凍土滲透系數(shù)和孔隙度的重要因素。

2）經(jīng)驗(yàn)證，用于測量非飽和凍土滲透系數(shù)的方法是可行的。試驗(yàn)土壤樣品是呼蘭實(shí)驗(yàn)基地凍層土壤而選定的，所測結(jié)果在一定程度上可以代表該地區(qū)凍土的滲透性。

3）在選定參數(shù)范圍內(nèi)，含冰率20%、干密度1.6×103kg/m3的試驗(yàn)土樣時(shí)其非閉合孔隙度和滲透系數(shù)最小，分別為0.19及8.55m/d。

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（編輯：王 萍）