变孔隙条件下非饱和冻土渗透系数试验与分析

高宇+戴长雷+伍根志+杜新强+商允虎

摘 要：寒区土壤水文循环过程因冻土层的存在而复杂，冻土层中冰的存在使其水理性质变化引发许多特殊水文现象，在冻土水理性质研究过程中冻土渗透性研究是其中的关键问题之一。为了研究非饱和冻土含冰率和干密度对于非闭合孔隙度及其渗透性的影响，选取不同含冰率（2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%、16%、18%、20%）、试样干密度（1.4×103kg/m3、1.5×103kg/m3、1.6×103kg/m3）作为单因素变量，采用定水位达西试验方法分别进行冻土渗透系数测定试验，开展了非饱和冻土渗透系数测定试验研究。结果表明：非饱和冻土渗透系数及非闭合孔隙度随试样含冰率的增加而变小，随试样干密度增加而变小，变化范围为0.19-0.714及8.55-19.18m/d。当含冰率为20%、试样干密度为1.6×103kg/m3时得到最小非饱和冻土渗透系数为8.55m/d，最小非闭合孔隙度为0.19。

关键词：含冰率；非闭合孔隙度；非饱和冻土；哈尔滨

DOI：10.15938/j.jhust.2017.03.023

中图分类号： P641

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2017）03-0127-05

Abstract： Frozen soil permeability is one of the key issues in the process of frozen soil water properties research due to special hydrological phenomenon caused by the change of frozen soil water properties. In order to study the effect of ice content and dry density on non-closed porosity and permeability of unsaturated frozen soils， choose ice content （2%， 4%， 6%， 8%， 10%， 12%， 14%， 16%， 18%， 20%） and dry sample density （1.4×103kg/m3， 1.5×103kg/m3 and 1.6×103kg/m3） as a single variable factor to measure frozen soil permeability coefficient. The water level test method was used to determine the permeability coefficient of frozen soil， and the experimental study on the permeability coefficient of unsaturated frozen soil was carried out. The results show that the permeability coefficient and the unclosed porosity of the unsaturated frozen soil are smaller with the increase of the ice content and dry sample density， and the range is 0.19-0.714 and 8.55-19.18m/d. When the ice content is 20% and the dry density of the sample is 1.6×103kg/m3， the minimum unsaturated permafrost permeability coefficient is 8.55m/d and the minimum unclosed porosity is 0.19.

Keywords：ice content； unclosed porosity； unsaturated frozen soil； Harbin

0 問题的提出

在寒区，冻土层是以含冰土体的形式赋存于土壤包气带中的特有土层[1-3]。由于其特殊的结构，冻土具有抑制蒸发、透水性较弱和调节土壤水分情况等特点，并且在融雪水入渗、土壤水分变化状态等方面呈现出不同于非冻土层的规律和特征[4，5]。在寒区，冬季地面积雪，春季积雪融化，产生了融雪径流和入渗、春涝、春汛等特殊的水文现象[6-8]。冻土层的存在使寒区土层水理性质变得极其复杂，杨广云，王子龙和戴长雷等发现冻结期土壤水分入渗微弱，融化期上层融雪水入渗受到了透水性较弱的冻土层的阻碍，而且由于土水势的改变导致未冻结土壤水向冻土层移动，冻土层持水性由此增加，出现了冻土保墒现象[9-14]。由于影响冻土渗流特性和机理的因素较为复杂，采用常规（非寒区）渗流理论对冻土层土壤进行渗流特性分析时效果较差[15-18]。

冻土较非冻土最大的不同就是冰的存在，冰的存在会改变冻土孔隙度，影响水分入渗。本文拟采用定水头达西试验方法，测定以含冰率、干密度作为衡量冻土孔隙特征的冻结土壤非饱和冻土渗透系数，找出土壤含冰率、干密度与非闭合孔隙度、渗透系数之间存在的对应关系，量化冻结土壤渗透性质和孔隙特征对其渗透能力的影响规律， 为寒区土壤污染物迁移规律及其治理方案、融雪水文计算等方面研究提供基础。

1 研究方案

1.1 研究区背景

研究区选择位于寒区且具有相对完备冻层温度和水分等长期监测条件的呼兰区黑龙江大学校区实验基地[19-21]。呼兰区位于哈尔滨市松花江北岸，属北温带大陆性季风气候，是典型的季节性冻土区，在黑龙江省的位置如图1所示；冬季冻结春季融化，冻结期为11月至次年3月，冻土深度为1-2m[22，23]。黑龙江大学呼兰校区综合试验场已经进行过关于水理性质试验研究；对于冻层水分、热量及发育情况有相对深入的研究和监测数据，可为冻土渗透系数试验提供基础资料。

由图5、图6可知：随着试验土样的干密度增大，非饱和冻土非闭合孔隙度减少，其变化范围为0.19-0.714；非饱和冻土渗透系数也随之减少，变化范围为8.55-19.18m/d。在测定范围内，土壤干密度为1.6×103kg/m3、含冰率为20%时，渗透系数达到最小值8.55m/d，非饱和冻土闭合孔隙度达到最低值0.19。

3 结 论

根据试验结果初步探讨含冰率、试样干密度与非闭合孔隙度、非饱和冻土渗透系数关系特征，得出以下结论：

1）提出常水头试验装置TST-70渗透仪试验方案，结果表明，非饱和冻土渗透系数及非闭合孔隙度随试样含冰率的增加而变小，随试样干密度增加而变小。对于非饱和冻土而言，含冰率是影响冻土渗透系数和孔隙度的重要因素。

2）经验证，用于测量非饱和冻土渗透系数的方法是可行的。试验土壤样品是呼兰实验基地冻层土壤而选定的，所测结果在一定程度上可以代表该地区冻土的渗透性。

3）在选定参数范围内，含冰率20%、干密度1.6×103kg/m3的试验土样时其非闭合孔隙度和渗透系数最小，分别为0.19及8.55m/d。

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（编辑：王 萍）