基于冻土水理性质测试的低冰点惰性液体试验研究

胡仁强，李治军，赵 悦，李 铎

(1.黑龙江大学水利电力学院, 哈尔滨 150080; 2.黑龙江大学寒区地下水研究所,哈尔滨 150080)

我国东北部绝大多数地区属于季节性冻土区，气候条件具有周期性的变化，所以导致土水体系的季节性冻融[1]。土壤和岩石孔隙中的水在低温条件下冻结会使土的力学性质、渗透性质以及热学性质发生变化，水分、热量等方面的迁移和变化与非冻结土壤存在很大区别[2]。低温与冻融作用使寒区水文循环机理变得较复杂。如果将应用于非寒区的相对理论方法不加改变地应用于寒区，水文循环就会出现很多问题，主要原因在于冻土水理性质的不同[3,4]。

1 研究背景及意义

冻土是指温度低于0 ℃并含有冰的土壤和岩石[5]。而冻土层作为一种特殊的区域性隔水层或弱透水层，其存在及其对全球变化的响应改变了寒区的地表径流和水系模式，对寒区地下水的形成、运移过程、分布格局和循环方式更起到了决定性作用[6]。另外，冻土的水理性质与非冻土相比也发生了本质的变化，表现为冻层的相对无渗透性滞留了融雪水的入渗以及冻土条件下持水性的加大[7]。近几年对土壤水理特性的研究绝大部分集中于土壤水动力学、冻土学科等[8]，对于冻土条件下水理特性的研究较少，有关文献也相对匮乏。本项研究以寒区低温条件为主要特色，以寻求测试冻土水理参数的低冰点液体作为创新点进行研究，对于寒区春季水利计算和节水灌溉技术以及寒区冬季地下水溢流有着重要意义。

2 低冰点惰性液体的选取

2.1 试验目标

土壤水分入渗是地面上的水转化成为地下水的重要途径，根据寒区的自然地理状况和季节性冻层土壤的特征等因素分析，冻结土壤的水理特性与非冻结土壤的水理特性具有很大的差别。冻结土壤有抑制蒸发、调节蓄水以及不透水的水文特性，但是要在冻土条件下保证土壤渗流，必须要确保渗流液体在低温条件下不冻结且黏滞性与水相近。通过本项试验选出适合用于冻结土壤基本参数测定的液体，要求所选液体的冻结温度小于零下20 ℃，性质稳定且无污染。

2.2 试验初始液体选取

对于选定的液体，需要满足溶液性质稳定且无毒无污染，酸碱类溶液具有一定的腐蚀性，对土壤及植被包括一些土壤微生物都有不同程度的危害，不建议选取使用。甲醇、乙醇、丙酮溶液均易燃、易挥发且带有刺激性气味，该实验也不建议选取。盐类溶液性质稳定，无毒无污染，黏滞系数与水相近，且不同浓度下的冻结温度(冰点)也不同。乙二醇是防冻剂的主要原料，能与水以任意比例混合，不易挥发，故可以配置成不同浓度的溶液进行试验。

根据选取要求，本次试验初始液体选取20%浓度氯化钠溶液、25%浓度氯化钠溶液、 20%浓度氯化钾溶液、25%浓度氯化钾溶液、 20%浓度氯化钙溶液 、30%浓度氯化钙溶液、5%浓度碳酸氢钠溶液、20%浓度碳酸氢钾溶液、30%浓度乙二醇溶液、40%浓度乙二醇溶液、45%浓度乙二醇溶液、50%浓度乙二醇溶液共12种溶液。

2.3 试验数据整理分析

本次试验将选取的液体置于低温环境下充分制冷，实时监测溶液温度，观察并记录冻结温度。试验数据整理见表1。

表1 低冰点试验记录

通过表1可知，满足要求在-20 ℃不结冰的液体有30%浓度氯化钙溶液、40%浓度乙二醇溶液、45%浓度乙二醇溶液和50%浓度乙二醇溶液，根据试验数据绘制冻结时间～温度曲线，见图1～图4。

图1 30%浓度氯化钙溶液冻结时间～温度曲线

图2 40%浓度乙二醇溶液冻结时间～温度曲线

图3 45%浓度乙二醇溶液冻结时间～温度曲线

图4 50%浓度乙二醇溶液冻结时间～温度曲线

3 融冰性试验

土壤中含有一定量的结合水和自由水，水的热胀冷缩是反常的，在低于4 ℃时水是热缩冷胀，水在低温条件下冻结成冰，这就有了寒区水文特有的现象----土的冻胀。冻土中含冰量的多少直接影响到冻土分类、冻土环境以及寒区条件下的工程建设。冻土中的冰是区别于冻土和非冻土的显著特征，所以，在研究冻土水理特性的过程中必须要考虑到冰的因素，也要考虑到外界条件因素对冻土中冰的融化作用。

3.1 试验目的

对于选定的低冰点惰性液体，不仅要保证化学性质的稳定，而且还要确保该溶液在测定冻土水理参数的过程中不与冻土中的冰发生融冰现象，保证冻土中正常的稳定渗流。所以，要对选定的低冰点惰性液体进行融冰性试验，选取出一种不仅能够在低温条件下不冻结，而且不与土壤中的固态冰发生融冰现象的惰性液体。

3.2 融冰性试验结果分析

为保证试验结果的准确性，本次试验全程置于冬季哈尔滨室外环境，充分模拟东北地区季节性冻土所处温度环境。称取冰块质量，记录数据，具体试验数据见表2。

表2 融冰性试验结果 g

通过表2可知，30%浓度氯化钙溶液和50%浓度乙二醇溶液都具有一定的融冰性；45%浓度乙二醇溶液和40%浓度乙二醇溶液融冰能力较弱。根据试验可以得出4种溶液的融冰能力从小到大的排列为：40%浓度乙二醇溶液<45%浓度乙二醇溶液<50%浓度乙二醇溶液<30%浓度氯化钙溶液。

虽然40%浓度乙二醇溶液融冰能力最弱，但是其冰点温度为-23.6 ℃，而冬季东北地区的最低温度可达-30 ℃，所以本次研究选用45%浓度乙二醇溶液作为冻土水理性质的试验液体。

4 土壤水理性质测试

寒区是我国重要的地理分区，多年或季节性冻层土壤覆盖了我国75%的国土[9]。冻层土壤所具有的不透水性、抑制蒸发作用、蓄水调节作用及调节产汇流作用，使寒区的水文循环机理与过程变得十分复杂。冻土层是季节性冻土区土壤中特有的土层,一般位于土壤包气带中， 其水理特征参数包括容水度、持水度、给水度、渗透系数、含冰率等，与非冻土存在着很大的差别，本项试验主要是以冻土与非冻土渗透系数的测定为主要内容。

4.1 渗透定律-达西定律

渗透系数的测定以渗透试验为主要内容，测试含水率为20%的冻结土样和非冻结土样的渗透系数，土样的粒径均小于等于2 mm。

根据线性渗透定律----达西定律，得到下列关系式：

进而得到渗透系数关系式：

式中：Q为渗透流量(出口处流量即为通过土柱各断面的流量)；ω为过水断面面积(相当于土柱的横断面积)；H1、H2为上下游过水断面的水头；L为渗透途径(上下游过水断面的距离)；K为渗透系数，cm/s。

4.2 试验结果数据分析

本次试验所使用达西仪的过水断面面积ω=100 cm2，上下游过水断面的距离L=10 cm，冻土试验的情况下要保证土样的充分冷冻，并保证选取的惰性液体与土样温度相同，防止实验出现较大误差。

对于冻结土壤进行多次渗流试验后取平均值作为最终结果，具体试验数据见表3。

表3 冻土水理性质测试试验结果

取与冻结土样相同标准的非冻结土样进行渗透试验，多次试验后取平均值作为最终结果，具体试验数据见表4。

表4 非冻土水理性质测试试验结果

通过计算试验数据，计算平均值，求得最终渗透系数，冻结土壤的渗透系数K1=0.010 85 cm/s，非冻结土壤的渗透系数K2=0.018 65 cm/s，根据试验结果可知，冻土的渗透性要小于非冻土的渗透性。

5 结 论

本项研究以东北地区冬季冻土为主要研究对象，以探求适合冻土水理特性的低冰点惰性液体为主要内容。在进行低冰点惰性液体的试验中，对于初步选定的12种液体进行低温制冷试验和融冰性试验，最终选择出45%浓度乙二醇溶液作为试验液体。此液体结冰点远低于-20 ℃，且融冰能力较差，符合本试验的选取要求。

以45%浓度乙二醇溶液作为渗流液体进行渗流试验，测出含水率为20%的冻结土壤和含水率为20%的 非冻结土壤的渗透系数，测得冻土的渗透系数为0.01085cm/s，非冻土的渗透系数为0.01865cm/s。此试验结果可以判断出冻土的渗透性要小于非冻土的渗透性。另外本项试验存在一定的误差，可以通过改善实验仪器来减小误差。

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[1] 王晓巍. 北方季节性冻土的冻融规律分析及水文特性模拟[D]. 哈尔滨：东北农业大学,2010.

[2] 李 杨. 季节冻土水分迁移模型研究[D]. 长春：吉林大学,2008.

[3] 常龙艳. 冻层持水性质对寒区冻土保墒的影响研究[D]. 哈尔滨：黑龙江大学,2014.

[4] 常龙艳,戴长雷,商允虎,等. 冻融和非冻融条件下包气带土壤墒情垂向变化的试验与分析[J]. 冰川冻土,2014,36(4):1 031-1 041.

[5] 唐保春,马月花,权国苍,等. 冻土冻融对地下水的影响:以祁连山多年冻土区大通河谷融区为例[J]. 地质科技情报,2016,35(4):164-171.

[6] 程国栋,金会军. 青藏高原多年冻土区地下水及其变化[J]. 水文地质工程地质,2013,40(1):1-11.

[7] 戴长雷,孙思淼,叶 勇. 高寒区土壤包气带融雪入渗特征及其影响因素分析[J]. 水土保持研究,2010,17(3):269-272.

[8] 商允虎. 寒区冻土水理性质特征参数综合试验研究[D]. 哈尔滨：黑龙江大学,2015.

[9] 戴长雷,常龙艳,孙思淼,等. 寒区冻土层水理性质研究[J]. 黑龙江大学工程学报,2013,4(2):1-8,18.