變孔隙條件下非飽和凍土滲透系數試驗與分析

高宇+戴長雷+伍根志+杜新強+商允虎

摘 要：寒區土壤水文循環過程因凍土層的存在而復雜，凍土層中冰的存在使其水理性質變化引發許多特殊水文現象，在凍土水理性質研究過程中凍土滲透性研究是其中的關鍵問題之一。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，采用定水位達西試驗方法分別進行凍土滲透系數測定試驗，開展了非飽和凍土滲透系數測定試驗研究。結果表明：非飽和凍土滲透系數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。當含冰率為20%、試樣干密度為1.6×103kg/m3時得到最小非飽和凍土滲透系數為8.55m/d，最小非閉合孔隙度為0.19。

關鍵詞：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

文獻標志碼： 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，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]。由于其特殊的結構，凍土具有抑制蒸發、透水性較弱和調節土壤水分情況等特點，并且在融雪水入滲、土壤水分變化狀態等方面呈現出不同于非凍土層的規律和特征[4，5]。在寒區，冬季地面積雪，春季積雪融化，產生了融雪徑流和入滲、春澇、春汛等特殊的水文現象[6-8]。凍土層的存在使寒區土層水理性質變得極其復雜，楊廣云，王子龍和戴長雷等發現凍結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致未凍結土壤水向凍土層移動，凍土層持水性由此增加，出現了凍土保墑現象[9-14]。由于影響凍土滲流特性和機理的因素較為復雜，采用常規（非寒區）滲流理論對凍土層土壤進行滲流特性分析時效果較差[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西試驗方法，測定以含冰率、干密度作為衡量凍土孔隙特征的凍結土壤非飽和凍土滲透系數，找出土壤含冰率、干密度與非閉合孔隙度、滲透系數之間存在的對應關系，量化凍結土壤滲透性質和孔隙特征對其滲透能力的影響規律， 為寒區土壤污染物遷移規律及其治理方案、融雪水文計算等方面研究提供基礎。

1 研究方案

1.1 研究區背景

研究區選擇位于寒區且具有相對完備凍層溫度和水分等長期監測條件的呼蘭區黑龍江大學校區實驗基地[19-21]。呼蘭區位于哈爾濱市松花江北岸，屬北溫帶大陸性季風氣候，是典型的季節性凍土區，在黑龍江省的位置如圖1所示；冬季凍結春季融化，凍結期為11月至次年3月，凍土深度為1-2m[22，23]。黑龍江大學呼蘭校區綜合試驗場已經進行過關于水理性質試驗研究；對于凍層水分、熱量及發育情況有相對深入的研究和監測數據，可為凍土滲透系數試驗提供基礎資料。

由圖5、圖6可知：隨著試驗土樣的干密度增大，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也隨之減少，變化范圍為8.55-19.18m/d。在測定范圍內，土壤干密度為1.6×103kg/m3、含冰率為20%時，滲透系數達到最小值8.55m/d，非飽和凍土閉合孔隙度達到最低值0.19。

3 結 論

根據試驗結果初步探討含冰率、試樣干密度與非閉合孔隙度、非飽和凍土滲透系數關系特征，得出以下結論：

1）提出常水頭試驗裝置TST-70滲透儀試驗方案，結果表明，非飽和凍土滲透系數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和孔隙度的重要因素。

2）經驗證，用于測量非飽和凍土滲透系數的方法是可行的。試驗土壤樣品是呼蘭實驗基地凍層土壤而選定的，所測結果在一定程度上可以代表該地區凍土的滲透性。

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

參 考 文 獻：

[1] 徐斆祖，王家澄，張立新.凍土物理學 [M].北京：科學出版社，2001.

[2] 常龍艷，戴長雷，商允虎，等.凍融和非凍融條件下包氣帶土壤墑情垂向變化的試驗與分析[J].冰川凍土.2014， 36（04）：1033-1041.

[3] 楊金鳳.季節性凍融期不同地表條件下土壤水熱動態變化規律的試驗研究[D].太原：太原理工大學，2003.

[4] 伍根志，戴長雷，高宇.非飽和凍土滲透系數測定裝置分析與設計[J].黑龍江大學工程學報.2015，6（4）：12-15.

[5] 孟上九，程有坤.車輛荷載作用下季凍土路基永久變形研究綜述.[J].哈爾濱理工大學學報，2014，19（2）：1-5.

[6] 盧路，劉家宏，葉睿華，等.地區暴雪覆蓋與土壤墑情關系初探以邯鄲市為例[J].節水灌溉，2011，（1）：10-17.

[7] 孫凱.墑情（旱情）監測與預測預報方法研究[D].北京：中國農業大學，2004.

[8] 王子龍.季節性凍土區雪被土壤聯合體水熱耦合運移規律及數值模擬研究[D].哈爾濱：東北農業大學，2010.

[9] 楊廣云，陰法章，劉曉鳳，等.2007.寒冷地區凍土水文特性與產流機制研究[J].水利水電技術，38（1）： 39-42.

[10]王子龍，付強，孟軍，等.松嫩平原冰雪融化期黑土水分變化規律[J].南水北調與水利科技，2015，13（1），173-175.

[11]戴長雷，孫思淼，葉勇.高寒區土壤包氣帶融雪入滲特征及其影響因素分析[J].水土保持研究，2010，17（3）：269-272.

[12]王曉巍.北方季節性凍土的凍融規律分析及水文特性模擬[D].哈爾濱：東北農業大學，2010.

[13]Longyan CHANG， Changlei DAI， Simiao SUN. Mechanism and Influencing Factors of Moisture Conservation in Seasonal Frozen Regions in Spring[C]// 4th Conference on Water in Cold Region （CWCR 2011）， Ice Regimes in Cold Regions and Hydrological Effects of Frozen Soil，2011：33-36.

[14]Benjamin Still， Zhaohui （Joey） Yang， XiaoxuanGe. Sampling，Machining，and Testing of Naturally Frozen Soils[J]. Mechanical Properties of Frozen Soils， 2013，13（5）：843-858.

[15]J. F. （Derick） Nixon. Discrete Ice Lens Theory for Frost Heave in Soils[J]. Canadian Geotechnical Journal， 1991，2（3）：51-59.

[16]王鈺，孟上九，苑加和.低功耗藍牙在季凍土路基溫度測試中的應用[J].哈爾濱理工大學學報，2014，19（2），1-5.

[17]戴長雷，常龍艷，梁麗青，等.積雪和凍土保墑監測試驗方案分析與設計[J].黑龍江大學工程學報，2011，2（4）：27-32.

[18]李佳山，周祖昊，王浩，等.土壤凍融過程中的多層水熱耦合模擬研究[J].水文，2016，36（1）：1-7.

[19]戴長雷，常龍艷，孫思淼，等.寒區凍土層水理性質研究[J].黑龍江大學工程學報， 2013，4（2）：1-9.

[20]李龍輝，肖迪芳，楊春生.寒冷地區融雪徑流和融凍期降雨徑流計算模型初探[J].水文，2011，31（2）：84-88.

[21]呂雅潔.哈爾濱地區凍層土壤水熱參數監測試驗研究[D].哈爾濱：黑龍江大學，2013.

[22]孟上九，程有坤.車輛荷載作用下季凍土路基永久變形研究綜述[J].哈爾濱理工大學學報，2014，19（2），1-5.

[23]張蓮海，馬巍，楊成松，等.土在凍結及融化過程中的熱力學研究現狀與展望[J].冰川凍土.2013，35（06）：1505-1518.

[24]王曉巍，付強，丁輝.季節性凍土區水文特性及模型研究進展[J].冰川凍土. 2009，31（05）：953-959.

[25]常龍艷.凍層持水性質對寒區凍土保墑的影響研究[D].哈爾濱：黑龍江大學，2014.

[26]QI Peng， DAI Chang-lei， GAO Yu， et al. Overview of research methods of frozen soil hydrology in Heilongjiang Province [J]. Journal of Engineering of Heilongjiang University，2014，5（3）：274-280.

[27]商允虎.寒區凍土水理性質特征參數綜合試驗研究[D].哈爾濱：黑龍江大學，2015.

[28]高宇，商允虎，戴長雷，等.寒區包氣帶凍結土壤垂向水熱參數監測方案分析與設計[J]. 黑龍江水利，2016，2（1）：25-34.

（編輯：王 萍）