海底表层土导热系数变化规律的试验研究

何旭涛，林晓波，徐建良，李世强，杨婧荷，徐海宁

(1.国网浙江省电力有限公司 舟山供电公司，浙江 舟山 316021；2.自然资源部 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)

0 引言

导热系数是土非常重要的一个热物性参数，其大小反映了表层土受热后土体温度增加的难易程度。20世纪80年代，出于冻土地区工程设施稳定性评价和设计计算的需求，陶兆祥和张景森[1]用比较法测定了5种融(冻)土的导热系数，并分析了温度和含水量的影响。之后学者们基于土体热物性参数的准确测量，开始对盐渍土、黄土、人工填土等不同类型土的导热系数展开了实验或理论模型的研究，取得了一系列重要成果[2-8]。以往用于实验的土样多取自高原、平原、河谷阶地等陆地地貌单元，但对于海洋沉积环境尤其是与人类生产生活密切相关的海岸带及浅海环境下土体热性能的研究甚少。

近年来，我国海洋工程发展迅速，海底电缆的安全运行及海上风电场选址等使得海洋土的热稳定性越来越受到重视。以海缆为例，若将其视为“热源”，土壤视为“吸热器”，运行中产生的所有热量都通过外部热环境到达土壤表面，也由此决定了电缆的外皮温度。按电力设计容量，海缆外皮温度最高可达75～80 ℃，温度超过此限，不仅会使海缆寿命明显降低，还可能导致击穿故障。因此，无论是计算埋地电缆的载流量，还是确保电缆的安全运行，都需要对埋设电缆周围土壤的热特性有充分了解。但由于海洋环境的复杂性，包括泥沙冲淤变化及浅层气、液化塌陷、碎屑流等地质灾害的影响都使得海床土体的导热系数处于动态变化中，准确测量并深入研究其影响因素和变化规律对理论研究及工程设计都具有重要意义。

土的三相指标、微观结构和外部环境的物理性质等众多因素均会对其导热系数产生影响，包括含水量、孔隙比、干密度、含盐成分及含量、温度等。前人在海洋土导热系数与温度、空间分布等外因之间的关系方面做过一些有益尝试。张洪岩[9]通过测定不同埋深(3、5和8 m)处海滨淤泥质粉质黏土的导热系数，指出该区域土体导热系数随深度增加而增大，且在20～48 ℃范围内，温度对土样导热系数的影响微乎其微。2008—2009年广州海洋地质调查局对西沙和神狐两个海域16个站位的地温梯度和原位热导率进行了测量。这是国内学者首次利用自行研制的Lister型海底原位热流探针进行测量，也是在南海的首次原位热流测量，此次调查得出了热导率随深度而增大的结论[10]。这些研究皆存在样品数少的问题，缺乏不同类型海洋土之间热物性参数的横向对比，对导热系数随深度增大的变化规律也未给出充分解释。本研究对在东海陆架海岸带至浅海海域取得的82个海底表层样品进行导热系数的测定，进一步探究海洋土的这一热物性参数随粒度和空间的变化规律。

1 样品采集及测试

1.1 样品来源

沉积物岩芯由“浙渔科2”考察船于2018年5月—8月分2个航次使用CR-I型重力式柱状取样器获得(内嵌PVC管直径65 mm)。28个海底沉积物取样站位分布于南、北两条支线上，北线18个，南线10个，取样深度最大至2.2 m。北线西起杭州湾湾口北岸的临港(30.84°N，121.93°E)，在马鞍列岛北部转向东南，最远至(29.17°N, 124.81°E)。南线西起舟山东港(30.07°N， 122.35°E)。调查区域自海岸带向浅海陆棚依次穿过了杭州湾沉积区、混合沉积区及东海陆架砂质沉积区，水深自8.9 m至93.4 m。岩芯采集过程中沉积物无明显扰动和缺失，采集后现场密封保存运回实验室。室内测量完不同深度处土样热导率后，将样品纵向切剖，进行岩性描述，并测定相应深度土样的含水量和湿密度，留样进行激光粒度分析。

图1 取样站位分布图Fig.1 Location of the sampling stations

1.2 实验原理及方法

当前测定土体导热系数的方法主要有热探针法、瞬变平面热源法及热平板法。考虑到热平板法在测试过程中难以满足一维导热，且温度场达稳态往往需几个小时，土中水分会在总压力梯度、温度梯度和湿度梯度作用下发生迁移，从而影响实验结果的准确性；而瞬变平面热源法对样品表面的平整度要求较高，故而选择热探针法来测定土样的导热系数。热探针法装置结构简单、测试时间短、测量精度较高且不需测定热流量，是目前认可度最高的一种测量方法[11-13]。热探针法基于一维传导线热源理论，忽略探针自身热容影响及其与待测试样之间的接触热阻，则距离线热源r处温度T的变化表达式如下：

(1)

式中：τ为加热时间，单位：s;q为线加热功率，单位：W·m-1;λ为土样导热系数，单位：W·m-1·K-1；a为导温系数，单位：m2·s-1；r为某点到线热源的距离；Ei为幂积分函数。基于此推得的导热系数表达式为：

(2)

因此，在一定功率下只要测得土样温度随时间的变化，即可求得其导热系数。实验所用仪器为MTN01多功能探针式热导仪(图2)，测量周期300 s，测量范围0.1～6 W·m-1·K-1，精度±6%+0.04 W·m-1·K-1。热导仪的探针(TP07)由1根加热线(可视为理想线热源)和1个温度传感器组成，直径3.5 mm，长度120 mm。具体测试步骤为：(1)将热探针TP07自土体中央垂直插入并固定，保证探针与土的良好接触；(2)启动CRU01，设置“Voltage 3 V”(待测土样为饱和土时应设置为4 V)和“Duration 300 s”；(3)选择“Quick Measurement”，按下“Start”键，之后开始60 s的倒计时，在此过程中系统将分析该土样是否适合进行热参数的测量；(4)系统接受热导率测量后，再次按下“Start”键；(5)300 s的测量周期结束后，屏幕上将出现热导率的值以及此次测量的标准差(应小于0.1，否则需再次测量)；重复上述步骤。

①探针TP07; ② 插入装置; ③ 控制和读出单元CRU01图2 MTN01多功能探针式热导仪组成及使用示意图Fig.2 Composition and usage of MTN01

2 实验结果

2.1 不同类型海洋土的导热系数

调查范围内未发现含砾沉积物，本研究中原状土的分类命名均采用Folk无砾沉积物分类法(图3)。根据激光粒度测试结果，按照Folk分类图解，研究区共分布有6种土：粉砂质砂(zS)、泥质砂(mS)、砂质粉砂(sZ)、粉砂(Z)、砂质泥(sM)和泥(M)。

表1是对研究区82个原状土样导热系数及激光粒度测试结果的统计。以平均值来看，这6种土的导热系数由大到小依次排序是：砂质粉砂 > 粉砂质砂 > 泥质砂 > 砂质泥 > 粉砂 > 泥。其中，粉砂和泥的导热系数值明显要小于其他4种土，低12%～25%。从Folk三角分类图解可以发现这2种土砂组分的含量均小于10%(图3)。而仅就土颗粒而言，导热系数由大至小依次是砂>粉砂>黏土，因此，导热系数在不同类型海床土之间的差别很大程度上可能是由土中含砂量的差异造成的。此外，土样的分选程度也对导热系数有一定影响。除粉砂和泥外，其余4种土的分选系数σ的排序为：砂质粉砂 < 粉砂质砂 <泥质砂 < 砂质泥，呈现出分选越好导热系数越大的趋势。即对于含砂量小于10%的土而言，粒度是制约其导热系数增大的最主要因素，而一旦含砂量超过此值，土的分选情况开始对其导热性能产生影响。

图3 研究区表层沉积物粒度的Folk分类Fig.3 Classification of the sediments in the study area by Folk

表1 研究区6种土导热系数及粒度参数统计Tab.1 Statistical results of the thermal conductivities and grain size parameters of the sediments in the study area

2.2 海洋土导热系数的空间变化规律

2.2.1 垂向变化

海洋土的导热系数随其埋藏深度的变化规律一直是海底地热研究及海洋工程规划十分关注的一个问题。为此我们分别选取了北线18个站位以及南线10个站位沉积物岩芯0.2、1.0和1.8 m深度处的导热系数进行对比，部分站位缺少1.8 m处的数据(图4)。

图4 北线(a)及南线(b)各站位不同深度土的导热系数Fig.4 Thermal conductivities of soils at different depths of sampling stations in the northern line(a) and the southern line(b)

除南线前6个站位土的导热系数基本随深度增加而增大外，研究区其余22个站位导热系数未显示出与深度的相关性。北线相邻层位间导热系数的差值介于0.01～0.81 W·m-1·K-1之间，最大差值出现在N-7站的0.2 m和1.0 m之间。南线相邻层位间导热系数差值介于0.01～1.05 W·m-1·K-1之间，最大差值出现在S-7站的1.0 m和1.8 m之间。为方便对比，将这4个层位土样的基本物理性质列于表2。

表2 N-7站和S-7站实验土样物理性质Tab.2 Physical properties of soils from N-7 station and S-7 station

对于N-7和S-7这两个导热系数发生剧烈变化的站位而言，土质类型接近，但决定土体热性能的关键因素却有所不同。N-7站0.2 m和1.0 m处土的干密度几乎相同，而含水量则相差11.54%，使得含水量更高的1.0 m深度处的土样导热系数高了0.81 W·m-1·K-1；相反，S-7站两层位土的含水量接近，但干密度相差0.25 g/cm3，造成1.0 m深度处的土样导热系数比1.8 m处高了1.05 W·m-1·K-1。这组实验结果充分说明了含水量以及干密度对海洋土的导热系数有着不可忽视的影响。水不仅能减小矿物颗粒间的接触热阻，还会填充到土颗粒间成为持续的媒介，因此越是潮湿的土往往有着越强的有效热传导能力。而干密度的增大意味着单位体积土中有效传热介质的增多，土骨架联结更紧密，会造成导热系数的增大。

2.2.2 横向分布

研究区28个站位自西向东穿越了东海陆架上3个不同的沉积区，因此海底表层土导热系数的横向变化也必须联系其所处沉积环境来讨论。

(1)杭州湾沉积区:位于金山嘴-崎岖列岛西南海域，沉积物以粉砂为主。北线1～5号站和南线1、2号站位于此区，表层土导热系数介于0.7～1.83 W·m-1·K-1之间，平均为1.25 W·m-1·K-1。由于杭州湾南岸受落潮流影响最大，沉积物明显粗化[14]，因此虽处同一沉积区，但南线的2个站位海床土的导热系数明显高于北线(图4)。

(2)混合沉积区:位于长江三角洲沉积区外缘，是长江扩散的悬浮物与陆架砂的混合沉积，实际上是现代浅海区的一种风暴沉积物，主要出现在粗粒和细粒两类沉积区之间，多为强、弱水动力环境的混合区域。北线6～9号站和南线3～6号站位于此区，沉积物类型以砂质粉砂和粉砂质砂为主，还有少量粉砂及泥质砂，该区土的导热系数介于0.9～2.53 W·m-1·K-1之间，平均为1.45 W·m-1·K-1。

(3)陆架砂质沉积区:位于混合沉积区外侧的陆架区，沉积物以砂为主。陆架砂是冰后期海进期间的滨岸残留沉积物，其表面受海洋动力改造而显示出混杂堆积的改造沉积特征。北线10～18号站和南线7～10号站位于此区，泥质砂为最主要的沉积物类型，导热系数介于1.05～2.65 W·m-1·K-1之间，平均为 1.46 W·m-1·K-1。

自海岸带到浅海陆架区，随沉积物粒度的粗化，导热系数呈波动式上升，个别站位由于泥层的出现，整体或某一层位导热系数表现为“异常低值”，如N-5、N-16和S-3站。此外，N-13站整体导热系数的降低主要是由于该处土体含水量比附近站位都低。S-5和S-8站导热系数的低值均是由于土体干密度低所致。由此可见，海床土导热系数随空间分布的变化主要还是受土质类型及物理性质所控制。即便地处同一个沉积区，沉积物类型相近，也会因含水量、密实度等细微的差别而造成导热系数的突变。

3 讨论

Folk沉积物分类法的主要依据是粒级组成，因此表1反映出的研究区6种土导热系数间的差别也主要是粒度分异所致。细粒的粉砂和泥表现出了比其余4种粗粒土明显更低的导热系数。即便同为砂质粉砂，含砂量相差10.207%的S-7站两个不同深度土样也出现了研究区垂向土热导率的最大差值1.05 W·m-1·K-1。为何含砂量会对土的导热性能有如此显著的影响呢？我们认为对于通常处于饱和甚至过饱和状态的海洋土而言，含水量对土传热机制的影响微乎其微，能提高土导热系数最有效的方法即为增大其中固体导热所占比例。庄迎春 等[15]曾用实验验证了增加含砂量可以使混合材料的导热系数呈增长趋势。可见这一规律对海洋土同样适用，只是当含砂量超过10%后增速变缓。而对于砂质粉砂、粉砂质砂、泥质砂和砂质泥这4种粒级组成相对接近的土所表现出的导热系数与分选系数之间的相关性，笔者认为也和粒度有关。一般水动力较强的情况下，细粒物质被搬运走，留下粒径相对接近的粗粒物质，分选就要好一些，相应地也拥有了良好的导热性能。此外，通过28个取样站位土体导热系数在横向以及垂向的对比可以发现，水深、埋深、离岸远近这些因素对海床土的导热系数并无影响。

虽然对土热物性的关注始于工程设计需要，但后来的研究却较少将工程地质条件考虑在内。实际海底工程可能遇到的滑坡、浅层气、差异侵蚀、液化塌陷、碎屑流等灾害地质现象除改变土体原有结构使其强度降低外，也对其热稳定性产生了深刻影响。正是由于海床土所处外部环境的复杂性和不稳定性，比起重塑土，原状土热物性参数的研究对工程实践有更重要的意义。虽然在本文测量的82个样品中低含水量只出现在个别站位，但海缆周围土体的热稳定性必须引起格外重视[16-19]。尤其是在混合沉积区及其以东的陆架砂质沉积区，广泛分布有泥质砂，其导热系数有因失水而急剧降低的风险，在电缆工程设计中应予以密切关注。

受技术手段所限，本文的研究还存在以下问题：(1)取样站位没有覆盖到闽浙沿岸泥质区和长江口泥质区，导致泥质沉积物样品数过少；(2)开样过程中可见浅海区域土样受生物扰动作用明显，许多岩芯含有贝壳碎屑。针对生物碎屑对土体导热系数的影响并未进行专门的实验研究；(3)样品运输及存放过程中土样的扰动及水分蒸发难以避免，室内测得的导热系数与原位状态仍存在差异。

4 结论

本文采用热探针法对在杭州湾以东陆架区取得的28个海底表层柱状样不同层位的导热系数进行了测定，得到以下结论：

(1)研究区6种海底表层土导热系数的平均值从大到小依次是：砂质粉砂、粉砂质砂、泥质砂、砂质泥、粉砂和泥。实验结果表明，含砂量对海底表层土导热系数影响较大。含砂量小于10%的粉砂和泥的导热系数与其余4种土有较大差距，而含砂量超过10%的土呈现出分选越好导热系数越大的趋势。

(2)土质类型相同时，含水量和干密度均对其导热系数有显著影响。在含水量相当的情况下，土的干密度越大，导热系数就越大。同样，干密度相近的情况下，有更高含水量的土导热系数更大。

(3)研究区自海岸带至浅海陆棚，海洋土导热系数整体呈增大趋势。杭州湾沉积区、混合沉积区和陆架砂质沉积区表层土导热系数的平均值依次是1.25，1.45 和1.46 W·m-1·K-1。2 m深度范围内土体导热系数的变化在0.01～1.05 W·m-1·K-1之间。但水深及埋深等空间分布因素并不是影响海洋土导热系数的直接原因。