非飽和凍土滲透系數測定裝置及實驗研究

王秋雯　張國彪

摘要：我國具有廣大的季節凍土和多年凍土區，凍土滲透系數的測定是研究凍土區水文地質與工程地質的關鍵。凍土滲透系數的測定與常規測定方法不同，需要滿足在滲透系數測定的條件下不融化的基本條件?；诖?，本文設計了凍土滲透系數測定的實驗裝置，主要有三部分組成，分別為低溫恒溫裝置、滲透儀裝置、滲流裝置；之后，制作了不同含水率的凍土樣，并用質量分數為10%的鹽溶液作為滲透液體，測量了不同含水率凍土樣的滲透系數，結果表明：隨著含水率的增加，凍土的滲透系數減小的越來越快。

關鍵詞：凍土；滲透系數；含水率

凍土是指溫度在0℃或0℃以下，并含有冰的各種巖石和土壤。我國具有廣大的季節凍土和多年凍土區，多年凍土主要分布在青藏高原、大、小興安嶺等地區，而大部分地區多為季節性凍土，都具有冬季凍結，夏季融凍特點。在凍土區，土壤凍結作用使凍土區的水文循環機理與過程、工程地質性質等研究變的更加復雜，了解凍土層水理參數的變化，主要為凍土滲透系數的變化，對揭示凍土水分動態規律、地下水補給過程、正確進行水文水資源計算等具有重要意義，也對凍土區道路工程建設、水庫大壩的修建和農業土壤持水等方面有一定的參考意義。關于凍土土壤滲透系數的測定與常規測定方法有明顯差異，而凍土滲透系數的測定相關裝置并不完善，且有關非飽和凍土滲透系數測定的研究較少?；诖?，本文分析了凍土滲透系數測定方法的難易，設計了凍土滲透系數測定的實驗裝置，并對不同含水率下凍土的滲透系數進行了測定，探究了含水率對凍土滲透系數的影響。

1. 凍土滲透系數測定裝置的功能與結構

1.1 需滿足的條件和功能

凍土滲透系數的測定與常規滲透系數測定方法有所不同，常規滲透系數的測定可直接在室溫下進行，從實驗原理上大致分為有“常水頭法”和“變水頭法”，而凍土滲透系數的測定需滿足以下條件：

（1） 在滲透系數測定的過程中凍土不融化，處在低溫恒溫的環境中；

（2） 用于滲透的流體在低溫恒溫的環境下不結冰。

本實驗擬測定恒低溫環境下凍土或非凍土的滲透系數，土樣類型為松散沉積物，借鑒常規的“變水頭法”的測量原理，進行了凍土滲透系數測定裝置的設計，其主要具有以下功能：

（1）可以顆粒級配、含水率與密度為主要控制指標制定試驗凍土土樣；

（2）可進行不同溫度下的凍土或非凍土的滲透系數進行測定，其溫度范圍為10℃～-20℃；

（3）可采用不同滲透流體進行土樣滲透系數的測定，例如蒸餾水、鹽水、油等流體.

1.2 結構

凍土滲透系數測定裝置示意圖如圖1所示，裝置主要有三部分構成：滲透儀裝置，滲流管路裝置，低溫恒溫裝置。

滲透儀裝置：主要為TST—50型土壤滲透儀，是實驗裝置的核心部分，其主要組成有上蓋、底座、套座、環刀、透水石、螺桿等組成。滲透儀外形直徑為φ118（管咀除外），高度約155mm，凈重約3.5kg，其內能容納直徑為φ61.8mm（30平方厘米）、高h為40mm圓柱形土樣。另外，制備土樣時需要參照水電部土工試驗規程SD128—012—84或參照JTJ051—93《公路土工試驗規程》T013—93。

滲流管路裝置：由燒杯、手動泵、橡皮管、橡皮管夾、液柱水管、直尺等構成，除了能進行滲透實驗前后液柱高度的測量等，還能實現飽和土樣及向液柱水管注入滲透流體的功能，能保證測量數據結果的可靠性和滲透實驗的方便性。

低溫恒溫裝置：低溫恒溫環境是實驗的關鍵控制因素之一。其主要由低溫恒溫槽組成，低溫恒溫槽內有低溫恒溫酒精循環，將滲透儀置入其中，并在槽內放有較長的一段滲流膠管，從而保證滲透儀中的土樣和滲透流體處于恒溫狀態。

圖1 凍土滲透性實驗裝置示意圖

1. 燒杯；2. 手動泵；3. 低溫恒溫槽；4. 橡皮管夾；5. TST—50型土壤滲透儀；6. 貝雷砂巖；7. 凍土；8. 燒杯；9. 液柱水管；10. 直尺。

2. 非飽和凍土滲透系數的測定

2.1 試驗材料

本次試驗用土取自長春市松散沉積土層，屬于粉質黏土。實驗采用的為擾動土樣，先將采集的土樣放在120攝氏度的風干烘箱進行烘干，之后碾碎過2.0mm篩，得到后的土樣用于制備凍土。

凍土樣的制備需先進行含水土樣的制備。預在TST—55滲透儀的環刀內配制孔隙度為40%的土樣，根據滲透儀的體積和土顆粒的密度可計算的需要的干土樣質量為195.84g，將干土平鋪在不吸水的鐵盤內，用噴霧設備噴灑預計的加水量（可根據含水率的不同調整加水量），并充分拌和。之后，進行低溫冷凍制備凍土將配制后不同含水率的土樣裝入土壤滲透儀的環刀內，并分層進行壓實，盡量使土顆粒在環刀內的密度均勻。后安裝好土壤滲透儀，并將滲透儀的三個流體進出口用橡膠管夾封住，防止低溫循環槽內的酒精進入。將低溫循環槽的溫度設置-5℃，土樣冷凍12小時以上。

2.2 試驗方法

試驗分為兩個階段，第一階段為鹽水飽和凍土樣。鹽水飽和凍土樣主要通過滲流管路裝置實現的，待凍土樣形成后，用橡皮管夾夾住滲透儀下部右側橡皮管，通過手動泵向滲透儀內注入溫度為—5℃的滲透流體，以防止凍土樣融化，待滲透儀上部出口端有滲透液體流出為止，即可進行下一階段。第二階段為滲透系數測定階段，待凍土樣飽和后，撤下滲透儀下部右側的橡皮管夾，并用橡皮管夾夾住上部出口處橡皮管，然后再用手動泵向滲流管路內注入質量分數為10%的低溫鹽溶液至一定高度，待滲流管路內無氣泡，撤掉出口處的橡皮管夾，并夾住注入鹽水橡皮管，同時記錄中起始水頭高度H1，在測定過程中，每隔3個小時記錄一下水頭高度，每次實驗記錄三次。

試驗結果按照土工試驗規程標準變水頭滲透試驗提供的滲透系數計算公式，即式（2）進行計算。

式中：2.3為ln和lg的變換因數；—水溫為t℃時的試樣的滲透系數（cm/s）；a為變水頭管截面積（cm2），0.1256cm2；L為試樣高度（cm）；A為試樣截面積（cm2）；t為時間（s）；H1，H2分別為起始和終止水頭（cm）。

2.3 試驗結果與分析

不同含水率下冰的飽和度和凍土滲透系數的實驗結果如表1所示，其中飽和度的計算假定了土樣中水全部轉化為填充在孔隙內的冰。其繪制的圖像如圖2、圖3所示。從表中和圖中可以看出，隨著含水率和飽和度的增加，凍土滲透系數逐漸減小，含水率從0增加到15滲透率減小的越來越快。

表1 不同含水率下的凍土滲透系數測量值

[含水率

w（%）＼&0＼&5＼&7.5＼&10＼&12.5＼&15＼&滲透系數

S（%）＼&0＼&0.208＼&0.313＼&0.417＼&0.525＼&0.625＼&滲透系數

k（cm·s-1）＼&7.73E-07＼&7.49E-07＼&6.50E-07＼&5.30E-07＼&0＼&0＼&]

滲透系數呈現這種趨勢變化可能原因有：

（1） 采用10%鹽溶液作為滲透流體，在較低含水率的凍土中，可能有鹽水會造成部分凍土的融化，而在較高含水率的情況下，鹽水的作用就會較弱。

（2） 在較高含水率的情況下，較難以保證水分的均勻性，會造成局部出現全飽和現象，無孔隙作為滲透通道，這種現象會隨著含水率增加越來越明顯。

（3） 土顆?？赡馨l生吸水膨脹的現象，隨含水率的增加更加明顯，造成孔隙空間減小的越來越快的現象。

3. 結論

（1）設計了凍土滲透系數測定裝置，主要有低溫恒溫裝置、滲透儀裝置、滲流裝置三部分構成，可對不同顆粒級配、含水率、密度、溫度、滲透流體等條件下凍土或非凍土的滲透系數進行測定 ；

（2）在-5℃時，對含水率分別為0、5、7.5、10、12.5、15的凍土進行了滲透系數的測定，隨著含水率的增大，滲透系數減小的越來越快。

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