凍融循環過程中渠道土質邊坡水分場變化特征的試驗研究

王克黎

(新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，新疆 福海 836400)

凍融循環過程是一種強風化作用，可以對土體的基本結構和物理力學性質產生顯著影響[1]。我國北方地區的渠道大多處于季節性凍土區，且以土質邊坡為主，在凍融作用的影響下，土壤的凍脹對渠道的建設和運行造成比較嚴重的破壞[2]。近年來，雖然在土質邊坡渠道防凍脹工程技術方面取得了長足的進展，但是由于凍脹破壞機理的復雜性，防凍脹工程技術措施的研究仍任重道遠[3]。究其原因，還是基礎理論、工程措施以及具體的試驗研究方面的不足，并且這些研究主要集中于凍脹過程，而對春季融化過程中上層融化土層與下層的凍土之間存在的比較復雜的熱學與力學特征變化關注不足[4]。基于此，本次研究以新疆爾齊斯河流域灌區總干渠為研究對象，結合試驗區的實際進行試驗設計，對凍融條件下邊坡水分場的變化進行試驗研究，以獲取凍融過程中邊坡內水分遷移規律。

1 試驗設計

1.1 溫控模式

試驗用土樣取自新疆爾齊斯河流域某灌區，其所處地區為典型的溫帶大陸性氣候，年平均氣溫為4.5℃，極端最高氣溫39℃，極端最低氣溫-42℃。降雨量的年內和年際變化較大，汛期多短時強降雨。冬季土壤最大凍結深度為2.8 m。本次模型試驗的環境溫度選用的是現場2017-2018年實測數據。根據測定結果，將本次試驗過程中的環境溫度變化范圍設定為-20.0℃～23.3℃。為了模擬實際土層下部的暖土溫度，試驗中設置底板溫度為4℃，試驗中的環境溫度控制分為4個階段進行，時間比尺為1∶225，其具體的控制過程見表1。

表1 試驗中溫度控制模式設置

1.2 模型的制作

按照1∶15的模型比尺進行試驗模型的制作。其中，試驗箱采用透明度好、強度大的有機玻璃制作，尺寸為0.5 m×1.3 m×0.5 m。為了便于排水，底部打上直徑1 cm的小孔，并鋪上無紡布[5]。對試驗箱的四角進行固定，防止試驗過程中產生凍脹破壞。邊坡模型采用半斷面模式，并按照實測尺寸以1∶15的幾何比尺進行縮小，其剖面圖見圖1。

圖1 模型邊坡剖面圖

1.3 儀器布置

試驗過程中的數據測量采用進口自美國的HydraProbeⅡ型傳感器。該傳感器屬于三合一設置，通過探頭配置的溫度、水分和鹽分3個傳感器，可以實現上述3個數據的同時測量[6]。傳感器的數據線直接和PDA相連，通過傳感器的配套軟件，可以實時查看和保存測量數據。鑒于凍融層的數據對試驗結果影響較大，因此在該部位設置較多的傳感器，而在土壤的深層設置比較稀疏。

2 試驗過程

2.1 取土和配樣

本次試驗所用的土樣來自于新疆爾齊斯河流域某灌區渠首下游5.5 km的試驗段現場，根據該段渠道的建設資料，取土深度為1.5～2.5 m。將取得的土樣風干后粉碎成直徑2 mm左右的顆粒，測量其初始含水率后備用。為了保證模型邊坡和實際邊坡的含水率相同，按照研究渠段平均含水率22%進行計算，獲得配土需要添加的水量。將需要添加的水加入土樣攪拌均勻，放置于密閉的塑料桶中密封放置48 h，待加入的水分布均勻后即可用于邊坡模型制作。

2.2 制作邊坡

按照邊坡的設計高度將有機玻璃容器模型等分為10層，采用分層填充擊實法進行邊坡制作[7]。在制作過程中，通過對每層的擊實次數和層高實現土樣的均勻，在擊打好上一層土層后，要將表面刮毛，以保證不同土層之間的良好結合。為了保證模型的四周不受室溫影響，在制作好的模型四周采用厚度為10 cm的橡塑保溫板保溫。由于該種保溫板為自黏設計，可以實現和有利玻璃的無縫粘結，具有良好的保溫效果[8]。

2.3 邊坡凍融循環

試驗中的凍融循環次數設計為8次，整個試驗需歷時305 h，其具體的操作步驟如下：首先將制作好的模型放入低溫試驗箱中制冷降溫，當溫度降低至2℃后保持48 h，然后開始凍融循環試驗；在凍融循環開始前、土壤凍深最大以及凍融循環后測量不同深度的土壤含水率；按照上文提出的溫控模式進行試驗；在試驗中為了獲取準確的試驗數據，每1 min進行一次數據采集。

3 試驗結果與分析

對本次研究中的土壤試樣而言，在7次試驗之后，試驗獲取的各個參數值基本趨于穩定。因此，限于文章的篇幅，這里僅對模型的7次凍融循環過程中的水分場的變化進行分析。

3.1 不同深度土壤水分變化特征

利用試驗過程中獲取的數據，繪制出不同測點的土壤水分隨時間變化的過程，見圖2。

圖2 不同深度土體水分隨時間變化曲線

根據圖2中的結果，按照溫度變化的4個階段進行土壤水分變化特征分析，具體結果如下：

負溫降溫階段為20～370 min，該階段的土壤溫度為0℃～-20℃，土壤水分隨溫度的降低呈現出迅速減小的趨勢。同時，受到土層內溫度傳遞滯后效應的影響，該階段開始的20～100 min內土壤水分雖然呈減小趨勢，但是減小的速率并不大；在100 min以后，土壤水分則呈現出顯著的線性下降態勢。此外，在0～5 cm的土壤表層，水分由原來的34.5%不斷降低至28.8%，而凍土中未凍水的含量則呈現出與負溫之間的動態平衡特征。

在370～625 min的負溫恒溫階段，試驗環境的溫度保持-20℃的恒溫狀態。在該階段，凍結鋒面開始出現遷移，位置在15 cm部位。同時，模型中的水分含量也開始逐漸下降，并且降低速率逐漸增大。此外，該階段模型邊坡0～5 cm的表層水分已經達到最低值，并保持不變，說明水分場已經處于基本穩定狀態。

在625～1 350 min的升溫階段，環境溫度逐漸從-20℃升高至0℃。在這一階段，模型邊坡的1～15 cm范圍內的水分含量不再下降，而逐漸趨于平穩，原因是溫度滯后效應基本結束。同時，凍結鋒面位置進一步降低，在模型的15～20 cm 部位移動。

在1 400 min之后的穩定段，環境溫度逐步升高，試驗邊坡模型內的土壤含水率呈現出逐漸上升的趨勢，在溫度達到正溫之后，模型邊坡的表層開始融化，同時保持在較高含水率的水平。從圖2中可以看出，深度10～12 cm的土層水分在540～1 000 min時段內幾乎保持不變，之后則發生突變。

3.2 水分遷移分析

為了進一步獲取凍融過程中關鍵節點的土體水分遷移特征，利用試驗獲取的數據繪制邊坡模型最大凍深和完全融化時的土體水分遷移曲線，見圖3、圖4。

圖3 最大凍深時水分遷移特征

圖4 完全融化時水分遷移特征

由圖3、圖4可知，邊坡經過多次凍融循環之后，模型土體內的水分或發生比較明顯的遷移現象，含水率最大的部位位于深度10 cm的部位。在第1次試驗結束后，深度5 cm以上的坡頂表層的含水率明顯偏小，而坡腳表層的含水率明顯偏大。究其原因，主要是坡頂部位受到空氣流動的作用，水分的蒸發量明顯偏大。在最大凍深時，坡頂1 cm部位的土體含水率為24%，相比開始時21.7%的含水率有明顯增加，1～ 5 cm的含水率呈現出逐漸降低的趨勢，在5 cm深度，土體含水率由試驗開始時的已經22%降至21.2%，下降了0.8%。在15～20 cm深度部位，模型坡腳的土體含水率明顯偏大，坡頂部位明顯偏小。這說明模型坡頂部位的水分遷移更為明顯。在完全融化階段，土壤中冰顆粒已經完全融化為水，因此表層的含水率由比較顯著的上升。

4 結 論

本次研究以新疆爾齊斯河流域灌區總干渠為工程背景，利用模型試驗的方式分析了凍融循環對土質邊坡的水分場的影響，并獲得如下主要結論：

1) 邊坡表層的水分與氣溫之間具有比較明顯的關系，水分含量受氣溫的影響較大，但是隨著土層深度的增加這種影響會逐漸減小。此外，氣溫對土體水分含量的影響還存在比較明顯的滯后效應，這與相關理論研究結果是一致的。

2) 在凍融循環過程中，土體中的水分存在明顯的遷移。受到溫度勢的影響，水分在凍結過程中向凍結鋒面遷移，在融化過程中向土體表面遷移。因此，土體的水分分布會在多次凍融循環之后趨向均衡。