非饱和冻土渗透系数测定装置分析与设计

伍根志，戴长雷,2,*，高 宇

(1.黑龙江大学 a.寒区地下水研究所；b.水利电力学院，哈尔滨 150080;2.中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所 冻土工程国家重点实验室，兰州 730000)

非饱和冻土渗透系数测定装置分析与设计

伍根志1a,1b，戴长雷1a,1b,2,*，高 宇1a,1b

(1.黑龙江大学 a.寒区地下水研究所；b.水利电力学院，哈尔滨 150080;2.中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所 冻土工程国家重点实验室，兰州 730000)

地下冰的存在使寒区与非寒区土壤渗透系数测定存在明显差异。通过分析设计寒区非饱和冻土渗透系数试验装置，改进了原有装置的不足，容器中的溶液选用乳糖溶液在可控的温度范围内不结冰；试验装置在恒定低温条件下进行。乳糖的浓度应同土壤中的水有相同的热力学平衡。测定装置使水流流量与水力梯度成线性变化。

冻土；渗透系数；冻胀；装置；设计

0 引 言

在寒区，土壤冻结作用使水文循环机理与过程更加复杂，将非寒区理论和方法应用于寒区水文循环存在诸多问题[1]，主要问题在于冻层水理参数的变化[2]，其中包括非饱和冻土土壤渗透系数。冻土中水、热、盐的赋存运移规律[3-4]，以及冻土层的工程力学性质[5]均有研究。土壤渗透系数的测定在寒区与非寒区有明显差异，土壤冻结后已不适用于非寒区常规方法。同时，非饱和冻土土壤渗透系数在寒区冻土保墒、融雪水入渗等方面起着至关重要的作用。黑龙江大学的部分学位论文[6-8]及相关科技论文中涉及到有关非饱和冻土渗透系数的研究。戴长雷、樊贵盛、郑秀清、令锋和常龙艳等发表了关于非饱和冻土渗透系数的相关科技论文共6篇，其中有关非饱和冻土渗透系数测定方法的论文有2篇，但相关的测定装置并不完善，至今还未有专门关于非饱和冻土渗透系数测定装置的研究。本文拟在前人研究基础上，分析室内测定非饱和冻土渗透系数方法的重点与难点，摒弃原有装置的不足，设计制作测定非饱和冻土土壤渗透系数室内试验装置，提出室内试验方案。

1 测定装置目标选择

1.1 测定装置目标

本装置拟测定在0～-0.5 ℃恒低温环境下冻土土壤渗透系数，冻土类型为沙土。

渗透系数又称水力传导系数。在各向同性介质中，它定义为单位水力梯度下的单位流量，表示流体通过孔隙骨架的难易程度。计算公式为：

(1)

(2)

1.2 测定装置原理

将样品和贮液器浸泡在冰和乳糖的溶液中，使其维持在冰点温度，通过调节恒温制冷培养箱及冰和乳糖溶液的浓度以得到所需温度。

冻土中的未冻水具有负孔隙水压力或吸力[9-11]。国外学者BURT T.P.[11]提到如果纯水被放置在贮液器中，即使它没有冻结，也将存在一种将水从两侧拉入样品的趋势。但是贮液器的乳糖起到平衡贮液器的电势和在土壤中水的电势的作用。使用的乳糖溶液的浓度与在冰浴中的浓度相同。在冰浴中的乳糖溶液与纯散装冰平衡。未冻土壤水和土壤冰也处于平衡状态。由于整体的温度相同，未冻土壤水和乳糖溶液处于平衡状态。对于每次测量时的温度，都要在贮液器中重新加入冰浴中的乳糖溶液。这种乳糖解决方案还避免了在贮液器中结冰的问题。

贮液器中的乳糖通过分子扩散或者通过流动的水将其输送到土壤中。因此，要在样品的每个端部都装配一个透析膜，限制乳糖进入样品中。

2 装置的功能与结构设计

2.1 功能

通过对已有研究与文献的梳理，提出主要研究目的如下：

1)确定试验参数边界范围及控制条件，提出非饱和冻土渗透系数的室内测定方法。

2)设计制作恒温制冷培养箱，使试验环境不受外界环境影响。选定可用于非饱和冻土渗透系数测定的低冰点惰性液体(溶液冰点远低于0 ℃，与水的黏滞系数相近，无污染)。通过对土样进行筛分、保水和恒温冷藏等步骤完成冻土柱的制作。

3)制作非饱和冻土渗透系数测定仪器，以颗粒级配、含水率与密度为主要控制指标制定试验土样，在0～-0.5 ℃恒温环境下测定沙土的冻土渗透系数。

2.2 结构

本装置结构设计共分为5部分：环境监测装置、冻土柱存放装置、测压装置、渗透液体、计时装置。

环境监测装置：测定非饱和冻土渗透系数时，温度梯度是试验的关键控制因素之一。本设计装置采用恒温制冷培养箱(图1)，可为试验时提供较为稳定的低温温度。同时，在贮液器旁放置两只温度计，可实时监测溶液环境温度。

图1 恒温制冷培养箱Fig.1 Cooling incubator of constant temperature

冻土柱存放装置：进行试验前，应提前对土壤试样进行烘干、筛分、饱水和低温冷冻等过程，冻土柱完成后放入指定装置进行恒低温冷藏，尽量避免冻土柱水分挥发(图2)。试验时，直接放入冻土试样进行试验。

图2 冻土柱存放装置Fig.2 Frozen soil column storage device

测压装置：测压装置是测定渗透系数的核心，本仪器采用连通器原理，通过对贮液器一端倒入试验溶液，溶液从左侧容器穿过冻土试样进入右侧容器，产生水头损失，待右端刻度细管读数稳定上升后，说明溶液已在冻土试样内产生稳定流速，方可读数测压(图3)。

渗透液体：试验时渗透液体应满足溶于水且冰点低于0 ℃，不与土壤颗粒发生化学反应等。本次采用冰浴和乳糖溶液混合物进行试验，控制温度为0～-0.5 ℃。

计时装置：选用秒表进行试验计时。

2.3 材料工艺

试验仪器材料大致由恒温制冷培养箱、玻璃容器、带刻度玻璃管、搅拌棒、止水夹、温度计、支架、半透膜等组成。试验装置见图4。

图3 贮液器Fig.3 Liquid reservoir

图4 冻土渗透系数测定装置图Fig.4 Device of frozen soils’ hydraulic conductivity

3 存在问题

通过对国外学者BURT T.P.及黑龙江大学研究生常龙艳、商允虎等论文及其试验装置的研究，在评估非饱和冻土的渗透系数时，分析实际水运动的现象是很重要的，渗透系数不能被理解为冻土的内在属性。本试验仪器的设计可能存在以下问题：

1)国外学者曾通过透析膜逐渐进入土壤中的乳糖，使土壤水分与乳糖溶液平衡。土壤水中的乳糖增加了渗透潜能，降低了土壤中的水的冰点。一些融化的冰可以预期发生，这导致在融化的部分样品渗透系数上升。运行试验后，在样品的进样过程中，会溶解一部分土样。然而，土壤中乳糖的存在并没有显著影响总体样本的渗透系数。因此，乳糖的注入似乎只对样品的整体渗透系数有很小的影响[12-19]。但使用达西公式的系数计算时，可能需要进行一些修正。由于融冰层的存在，使冻结试样长度减小。

2)商允虎做过关于惰性液体选取试验，提出最浓缩的乳糖溶液只允许读数为-1 ℃[20]。为了在较低的温度下工作，必须使用更多的水溶性化学物质，并在很低的温度下，这意味着较小的分子将参与。5%的氯化钠溶液冰点为-2.7 ℃。氯化钠分子不同于乳糖，即使没有发生流动，它穿过土壤非常迅速[6-8，17]。

3)达西定律要求一个恒定水头随时间产生一个恒定的流速。在某些情况下，数小时后流速发生大幅下降。这种现象在一些黏土样品中尤为明显，但罕见于其他样本。 发生这种情况与温度或水头的高低无关。应用水头>300 cm可产生可观的流量。

4)利用高水头强度产生可测流量会导致一些融化冰。100 cm水压力可使其冰点降低0.007 ℃。

4 结 论

通过梳理国内外相关文献，分析室内试验方法，选择低冰点惰性液体，设计冻层条件下土壤渗透系数测定装置。通过描述冻土中水分的运输，以及其它因素对运输速度的依赖性，提出新的渗透系数测定方案。与传统的渗透系数试验相比，用冷冻样品的方法测量非饱和冻土渗透系数是可取的。冻土渗透系数试验过程是在恒定低温的条件下，使含有一定乳糖浓度的冰浴从一个容器流入冻土土壤，再流到另一个容器内，根据达西定律在恒定的水头下使水流在冻土土壤中形成恒定流速，并根据公式计算冻土土壤渗透系数。粉砂和黏土对于冻胀非常敏感，在低于0 ℃时，具有很高的渗透系数。

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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

国家自然科学基金资助项目(41202171)；冻土工程国家重点实验室开放基金课题(SKLFSE201310)；水利部公益性行业专题经费项目(201301096-03)；黑龙江省水利厅项目(201317)；黑龙江省水文局项目(2014230101000411)

伍根志(1990-)，男，黑龙江哈尔滨人，硕士研究生，研究方向：寒区水文与水文学，E-mail: hss_wugenzhi@126.com；*通讯作者：戴长雷(1978- )，男，山东郓城人，副教授，博士，研究方向：寒区地下水及国际河流，E-mail: daichanglei@126.com。

P641.2

A

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