非饱和冻土渗透系数测定装置及实验研究

王秋雯　张国彪

摘要：我国具有广大的季节冻土和多年冻土区，冻土渗透系数的测定是研究冻土区水文地质与工程地质的关键。冻土渗透系数的测定与常规测定方法不同，需要满足在渗透系数测定的条件下不融化的基本条件。基于此，本文设计了冻土渗透系数测定的实验装置，主要有三部分组成，分别为低温恒温装置、渗透仪装置、渗流装置；之后，制作了不同含水率的冻土样，并用质量分数为10%的盐溶液作为渗透液体，测量了不同含水率冻土样的渗透系数，结果表明：随着含水率的增加，冻土的渗透系数减小的越来越快。

关键词：冻土；渗透系数；含水率

凍土是指温度在0℃或0℃以下，并含有冰的各种岩石和土壤。我国具有广大的季节冻土和多年冻土区，多年冻土主要分布在青藏高原、大、小兴安岭等地区，而大部分地区多为季节性冻土，都具有冬季冻结，夏季融冻特点。在冻土区，土壤冻结作用使冻土区的水文循环机理与过程、工程地质性质等研究变的更加复杂，了解冻土层水理参数的变化，主要为冻土渗透系数的变化，对揭示冻土水分动态规律、地下水补给过程、正确进行水文水资源计算等具有重要意义，也对冻土区道路工程建设、水库大坝的修建和农业土壤持水等方面有一定的参考意义。关于冻土土壤渗透系数的测定与常规测定方法有明显差异，而冻土渗透系数的测定相关装置并不完善，且有关非饱和冻土渗透系数测定的研究较少。基于此，本文分析了冻土渗透系数测定方法的难易，设计了冻土渗透系数测定的实验装置，并对不同含水率下冻土的渗透系数进行了测定，探究了含水率对冻土渗透系数的影响。

1. 冻土渗透系数测定装置的功能与结构

1.1 需满足的条件和功能

冻土渗透系数的测定与常规渗透系数测定方法有所不同，常规渗透系数的测定可直接在室温下进行，从实验原理上大致分为有“常水头法”和“变水头法”，而冻土渗透系数的测定需满足以下条件：

（1） 在渗透系数测定的过程中冻土不融化，处在低温恒温的环境中；

（2） 用于渗透的流体在低温恒温的环境下不结冰。

本实验拟测定恒低温环境下冻土或非冻土的渗透系数，土样类型为松散沉积物，借鉴常规的“变水头法”的测量原理，进行了冻土渗透系数测定装置的设计，其主要具有以下功能：

（1）可以颗粒级配、含水率与密度为主要控制指标制定试验冻土土样；

（2）可进行不同温度下的冻土或非冻土的渗透系数进行测定，其温度范围为10℃～-20℃；

（3）可采用不同渗透流体进行土样渗透系数的测定，例如蒸馏水、盐水、油等流体.

1.2 结构

冻土渗透系数测定装置示意图如图1所示，装置主要有三部分构成：渗透仪装置，渗流管路装置，低温恒温装置。

渗透仪装置：主要为TST—50型土壤渗透仪，是实验装置的核心部分，其主要组成有上盖、底座、套座、环刀、透水石、螺杆等组成。渗透仪外形直径为φ118（管咀除外），高度约155mm，净重约3.5kg，其内能容纳直径为φ61.8mm（30平方厘米）、高h为40mm圆柱形土样。另外，制备土样时需要参照水电部土工试验规程SD128—012—84或参照JTJ051—93《公路土工试验规程》T013—93。

渗流管路装置：由烧杯、手动泵、橡皮管、橡皮管夹、液柱水管、直尺等构成，除了能进行渗透实验前后液柱高度的测量等，还能实现饱和土样及向液柱水管注入渗透流体的功能，能保证测量数据结果的可靠性和渗透实验的方便性。

低温恒温装置：低温恒温环境是实验的关键控制因素之一。其主要由低温恒温槽组成，低温恒温槽内有低温恒温酒精循环，将渗透仪置入其中，并在槽内放有较长的一段渗流胶管，从而保证渗透仪中的土样和渗透流体处于恒温状态。

图1 冻土渗透性实验装置示意图

1. 烧杯；2. 手动泵；3. 低温恒温槽；4. 橡皮管夹；5. TST—50型土壤渗透仪；6. 贝雷砂岩；7. 冻土；8. 烧杯；9. 液柱水管；10. 直尺。

2. 非饱和冻土渗透系数的测定

2.1 试验材料

本次试验用土取自长春市松散沉积土层，属于粉质黏土。实验采用的为扰动土样，先将采集的土样放在120摄氏度的风干烘箱进行烘干，之后碾碎过2.0mm筛，得到后的土样用于制备冻土。

冻土样的制备需先进行含水土样的制备。预在TST—55渗透仪的环刀内配制孔隙度为40%的土样，根据渗透仪的体积和土颗粒的密度可计算的需要的干土样质量为195.84g，将干土平铺在不吸水的铁盘内，用喷雾设备喷洒预计的加水量（可根据含水率的不同调整加水量），并充分拌和。之后，进行低温冷冻制备冻土将配制后不同含水率的土样装入土壤渗透仪的环刀内，并分层进行压实，尽量使土颗粒在环刀内的密度均匀。后安装好土壤渗透仪，并将渗透仪的三个流体进出口用橡胶管夹封住，防止低温循环槽内的酒精进入。将低温循环槽的温度设置-5℃，土样冷冻12小时以上。

2.2 试验方法

试验分为两个阶段，第一阶段为盐水饱和冻土样。盐水饱和冻土样主要通过渗流管路装置实现的，待冻土样形成后，用橡皮管夹夹住渗透仪下部右侧橡皮管，通过手动泵向渗透仪内注入温度为—5℃的渗透流体，以防止冻土样融化，待渗透仪上部出口端有渗透液体流出为止，即可进行下一阶段。第二阶段为渗透系数测定阶段，待冻土样饱和后，撤下渗透仪下部右侧的橡皮管夹，并用橡皮管夹夹住上部出口处橡皮管，然后再用手动泵向渗流管路内注入质量分数为10%的低温盐溶液至一定高度，待渗流管路内无气泡，撤掉出口处的橡皮管夹，并夹住注入盐水橡皮管，同时记录中起始水头高度H1，在测定过程中，每隔3个小时记录一下水头高度，每次实验记录三次。

试验结果按照土工试验规程标准变水头渗透试验提供的渗透系数计算公式，即式（2）进行计算。

式中：2.3为ln和lg的变换因数；—水温为t℃时的试样的渗透系数（cm/s）；a为变水头管截面积（cm2），0.1256cm2；L为试样高度（cm）；A为试样截面积（cm2）；t為时间（s）；H1，H2分别为起始和终止水头（cm）。

2.3 试验结果与分析

不同含水率下冰的饱和度和冻土渗透系数的实验结果如表1所示，其中饱和度的计算假定了土样中水全部转化为填充在孔隙内的冰。其绘制的图像如图2、图3所示。从表中和图中可以看出，随着含水率和饱和度的增加，冻土渗透系数逐渐减小，含水率从0增加到15渗透率减小的越来越快。

表1 不同含水率下的冻土渗透系数测量值

[含水率

w（%）＼&0＼&5＼&7.5＼&10＼&12.5＼&15＼&渗透系数

S（%）＼&0＼&0.208＼&0.313＼&0.417＼&0.525＼&0.625＼&渗透系数

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

渗透系数呈现这种趋势变化可能原因有：

（1） 采用10%盐溶液作为渗透流体，在较低含水率的冻土中，可能有盐水会造成部分冻土的融化，而在较高含水率的情况下，盐水的作用就会较弱。

（2） 在较高含水率的情况下，较难以保证水分的均匀性，会造成局部出现全饱和现象，无孔隙作为渗透通道，这种现象会随着含水率增加越来越明显。

（3） 土颗粒可能发生吸水膨胀的现象，随含水率的增加更加明显，造成孔隙空间减小的越来越快的现象。

3. 结论

（1）设计了冻土渗透系数测定装置，主要有低温恒温装置、渗透仪装置、渗流装置三部分构成，可对不同颗粒级配、含水率、密度、温度、渗透流体等条件下冻土或非冻土的渗透系数进行测定 ；

（2）在-5℃时，对含水率分别为0、5、7.5、10、12.5、15的冻土进行了渗透系数的测定，随着含水率的增大，渗透系数减小的越来越快。

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