东北寒区灌渠冻胀水分迁移规律试验研究

刘少东，解国梁，杨辉，王海波，郑鑫

（黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆163319）

东北寒区灌渠冻胀水分迁移规律试验研究

刘少东，解国梁，杨辉，王海波，郑鑫

（黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆163319）

东北寒区渠道土体发生冻胀破坏情况较为常见，是影响灌溉渠道正常运行的一大隐患。水分迁移规律是冻胀研究中的一个重要课题。通过对农垦北安管局建设农场冻胀破坏严重渠道土体建立一维冻胀水分迁移模型，以冻结温度、初始含水量及干密度为因素进行封闭系统恒温单向正交试验。试验结果表明：冻胀发生后，水分由未冻区域向冻结区域迁移现象明显，冻结锋面处水分聚集程度最高。在试验条件下，水分迁移量随土壤初始含水量增大而增加，随冻结温度升高逐渐下降，土壤干密度对水分迁移影响较小。

灌渠；冻胀；水分迁移；正交试验

季节性冻土区（以下简称季冻区）冻胀问题对当地交通设施、土建工程及农业设施等均有危害。东北地区属于典型季冻区，该地区降水量、温度条件及地下水条件更易于促成冻胀发生并加剧其危害。渠道是当前农业灌溉中的主要输水手段，输水过程中的渗漏造成渠底及渠坡土体含水量明显高于其他区域，这就使得渠道更容易产生冻胀危害。资料显示［1-2］，黑龙江垦区灌渠经受冻胀问题的困扰，由于冻胀导致的渠坡变形、渠底隆起现象非常普遍，部分区域出现渠道衬砌变形和淤积堵塞，对灌渠正常使用产生了不利影响。东北地区其他区域灌渠冻胀问题与之类似。

从上世纪50年代开始，国际上就开始了土壤冻融过程中的水分迁移和成冰规律的相关研究［3］。近年来，国内研究人员也对此开展了研究，相关研究成果显示［4］，地表温度的降低破坏了土壤中的能量平衡，土体温度场的再平衡过程中，水分由未冻区向冻结区转移，冻结区水分越聚越多，水结冰后体积膨胀，冻胀现象由此形成。冻胀引发的破环程度与水分聚集程度密切相关，水分迁移是冻胀问题研究中的一个重要课题。

针对东北寒区典型渠道土体，设计并实施封闭系统条件下恒温单向正交试验，从水分迁移角度分析其冻胀性，旨在掌握寒区灌渠冻胀水分迁移规律，为从工程技术角度提出冻胀防治措施提供依据。

1 试验模型的建立及实现

冻胀过程中的水分迁移分为开放和封闭两种系统，开放系统适用于有地下水补给的情况，封闭系统适用于地下水位低、无补给的情况。仅对试样进行封闭系统试验。

冬季低温是土体冻结的冷源，寒气由地表向下逐层传递。一般地，在土质相同情况下，同深度土体冻结状态相同，一旦冻结，水分迁移只能由温度较高的下部土体向上迁移。由此，建立水分迁移一维试验模型，以圆柱形土体为研究对象，对其四周及下部进行侧向保温，将上部暴露在低温环境中作为冷端。随着环境温度的降低，上部土体冻结后，可实现水分由下向上一维迁移。试验模型如图1所示。

图1 试验模型图Fig.1 The test model diagram

为确保试验模型得以实现，特设计高500 mm，内径150 mm单口试样筒（钢制），考虑到后期土体冻结后需要取土样测含水量，将筒体径向切割，一侧缝隙用合页连接，另一侧设置扣件，可根据需要打开或锁紧扣件，如图2所示。试验过程中，先将扣件锁紧，然后将土体分层装入试样筒，在筒体外侧及底部覆以保温材料（厚约100 mm）并固定完好，最后在保温材料和试样筒的缝隙内填充发泡剂，确保侧向保温效果。将土样装入完成保温防护的筒体整体放入低温试验箱，即可进行恒温一维冻结试验。

图2 试样筒示意图Fig.2 The sketch of sample tube

2 试验方案及实施

2.1 正交试验因素确定

试验土样取自黑龙江垦区建设农场渠道冻胀严重地段土体（土样颗粒级配曲线如图3示）。

图3 土样颗粒级配曲线Fig.3 Particle size distribution curve of soil sample

土体为级配良好的土体，各粒组颗粒比例合理，孔隙较少。影响水分迁移规律的因素有土质、土壤密实程度、土壤渗透性、土壤含水量、大气温度及降温速率等因素［5］，其中温度、土壤含水量和干密度影响最为突出［6］。此外，灌渠施工过程中，一般需对渠底及渠坡土体进行夯实，土体干密度随夯实程度而变化。综合考虑试验条件及实际工程需要，选定初始含水量、冻胀温度、干密度为分析因素进行试验设计，为便于后期进行误差分析，最终确定实施4因素3水平正交试验。

2.2 试验方案

结合建设农场的气温状况、土壤含水量变化范围及渠道土夯实程度，选定各因素的取值水平如表1所示。按表1中各因素的取值水平，将各因素按L9（34）正交试验表安排后获得试验方案如表2所示。为消除随机误差影响，试验方案中的九组试件，每组重复三次，试验结果取重复试验平均值。

2.3 土样制备

试验旨在分析上述各因素在一定范围变动情形下水分迁移变化规律，须对重塑土进行各因素搭配组合后，方完成正交试验。重塑土样制备按照《土工试验规程》（SL237-1999）［7］的规范执行。其中，土样干密度通过分层压实进行调整。将土样按表中的方案制备完成后，放入低温试验箱在预定温度下放置36小时，取出试件，打开试样筒，按图4所示位置取中心处土样，用烘干法测定含水量。

图4 含水量取样位置示意Fig.4 The sketch of sampleposition

表1 因素水平表Table 1 Factors and levels table

图5 冻胀土含水量分布图Fig.5 Distribution of water content in soil after freezing

3 试验结果及分析

试验完结后，可以观察到9组试样均出现以下情况：上部土体冻结，在20～25 cm处可看到明显透镜体冰夹层，该处有大量冰屑，冻胀特征明显，而下部土体未冻结。

图5所示为正交试验组合1～组合9冻胀前后土样含水量分布图。其中A图为组合1、组合2和组合3（初始含水量均为10%）冻结前后含水量分布图，三者变化规律极为相似：冻结前含水量均为10%，冻结后上部土体整体含水量明显增加而下部土体含水量降低，水分迁移现象明显，冻结锋面处土壤含水量最高。具体变化为：表层土体含水量无明显增加，随深度增加土壤含水量开始增加，冻结锋面处含水量达到最大，这一现象说明冻结锋面对水分有较强的吸附能力。由冻结缘向下，含水量明显减少，到试样底部含水量趋向初始含水量，有明显“翘尾”现象。这是因为冻结锋面下部水分向上迁移，而在有限的冻结时间里，试样下部的水分由于离冻结锋面较远未能及时补给到试样中部，造成试样底部含水量高于试样中部含水量。由于冻结温度及干密度的影响，3个组合试验水分聚集程度有所不同，有必要就单一因素的影响规律进行单独分析（见后文）。B图和C图所示情形分别为初始含水量20%及30%土样的冻结后含水量情况，含水量分布总体规律与A图相似。

由上述分析可知，不同含水量情况下，土体冻结后水分分布规律类似，但水分聚集程度有所不同。不难看出，水分聚集程度与冻结缘处的最大含水量正相关，若以最大含水量与原始含水量之比（以下简称含水量比）作为衡量水分聚集程度的指标，可得正交试验结果如表2所示：

表2 试验方案及试验结果Table 2 Experiment scheme and results

在正交试验表中，试验各因素极差R分别为初始含水量0.104、冻胀温度范围0.034、预加轴向压力0.012、土样孔隙率0.007。所以试验选定的各因素不同水平情况下，影响水分迁移程度的主次关系为A> B>C>D，即初始含水量影响最显著，冻结温度比较显著，土样干密度对水分迁移影响最小。水分迁移量最大的最优组合为A3B1C3。

按照正交试验”均衡分散、整齐可比“的特点，绘制初始含水量、冻结温度及干密度对含水量比影响关系曲线如图6所示。我们可以从中观察得出，A图所示为含水量比-初始含水量变化曲线，可以看出随着初始含水量从10%增加到20%，含水量比增加明显，说明水分迁移量随着初始含水量增加而显著增大；B图中，随着试验冻结温度由-15℃降至-25℃，水分迁移量逐渐减小，且有趋于稳定趋势。在-15℃～-25℃温度范围内，随着冻结温度的降低，冻土中水分移动受到了更多制约，说明过低的温度并不有助于冻胀的发生；由C图可以看出，水分迁移量随干密度增加而有微幅增加。可能的原因是，试验中的9个组合土体均取自同一地点，且土样级配较好，重塑土制备过程中的压实并未能显著改善土体孔隙特征，导致干密度因素未能充分发挥其对水分迁移的影响。

4 结语

通过正交试验对不同初始含水量、冻结温度及干密水分迁移情况进行了分析，结果表明：

（1）冻胀发生后，水分由未冻区域向冻结区域迁移现象明显。但不同位置水分迁移量有所不同：试样表面处水分聚集量较少，随深度增加水分聚集量开始增加，冻结锋面处水分聚集程度最高。下部未冻土，临近冻结锋面区域较低端水分迁移较多。

图6 单一因素作用线含水量比变化图Fig.6 The change of water content of single factor line of action

（2）在选定变化范围内，以含水量比作为衡量水分聚集程度的指标，各因素对水分迁移影响程度为：初始含水量对水分迁移影响最大，冻结温度影响较大，土壤干密度影响最小。

（3）分析单一因素对水分迁移的影响，在选定的变化范围内，水分迁移量随土壤初始含水量增加而增加，随冻结温度降低而减少，随干密度增加而微幅增加。

影响冻胀土水分迁移的因素较多，不同性质土体水分迁移规律差异较大。同时，各因素在不同范围内变化，其对水分迁移规律影响亦有不同。由于试验条件所限，仅针对灌渠冻胀问题中的较重要因素在特定范围内的水分迁移规律进行了分析，寒区灌渠冻胀水分迁移有待于从更多土样、更多因素和更多水平角度开展更多研究，以便为渠道冻胀防治提供更有力支持。

［1］杨革，李金玲.季冻区渠道边坡冻胀防治试验研究［D］.哈尔滨：东北农业大学，2013.

［2］郑鑫，葛建锐，刘少东，等.渠道衬砌冻胀破坏研究现状与展望［J］.黑龙江八一农垦大学学报，2014，26（6）：20-24.

［3］田亚护.动、静荷载作用下细粒土冻结时水分迁移与冻胀特性实验研究［D］.北京：北京交通大学，2008.

［4］刘兵.土中水分在冻融过程中的迁移［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008.

［5］吕书清.影响土体冻结的主要因素及冻胀力分析［J］.低温建筑技术，2009（7）：87-88.

［6］王文华.吉林省西部地区盐渍土水分迁移及冻胀特性研究［D］.长春：吉林大学，2011.

［7］中华人民共和国水利部.SL237-1999土工试验规程［S］.北京：中国水利水电出版社，1999.

Experimental Study on the M oisture M igration Regulation of Channel Frost Heaving in Northeast China

Liu Shaodong，Xie Guoliang，Yang Hui，W ang Haibo，Zheng Xin
（Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319）

Frost heaving in irrigation channel was common in Northeast China，which was ahidden danger of channel normal operation.The regularity of moisture migration was an important topic in the study of frost heave.One-dimensional frost moisture migration modelwas established according to the channel soil JianShe farm in Bei’An bureau，Orthogonal test with factors of freezing temperature，initial water content and dry density is completed.Experiment results showed that：water transferredbetween the freezing regionswas obvious.The water accumulation appearedmostly at the freezing front.The water migration increased with the increase of soil initial water content，but decreased with the increase of freezing temperature.Soil dry density had little effect on the moisture transfer under this experiment condition.

channel；frost heaving；moisture migration；orthogonal test

TV93

A

1002-2090（2016）03-0113-05

10.3969/j.issn.1002-2090.2016.03.022

2015-11-12

大庆市指导性科技计划项目（szdfy-2015-31）。

刘少东（1980-），男，讲师，宁夏大学毕业，现主要从事农业水利工程领域的教学与研究工作。