東北寒區(qū)灌渠凍脹水分遷移規(guī)律試驗(yàn)研究

劉少東，解國(guó)梁，楊輝，王海波，鄭鑫

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶163319）

東北寒區(qū)灌渠凍脹水分遷移規(guī)律試驗(yàn)研究

劉少東，解國(guó)梁，楊輝，王海波，鄭鑫

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶163319）

東北寒區(qū)渠道土體發(fā)生凍脹破壞情況較為常見(jiàn)，是影響灌溉渠道正常運(yùn)行的一大隱患。水分遷移規(guī)律是凍脹研究中的一個(gè)重要課題。通過(guò)對(duì)農(nóng)墾北安管局建設(shè)農(nóng)場(chǎng)凍脹破壞嚴(yán)重渠道土體建立一維凍脹水分遷移模型，以凍結(jié)溫度、初始含水量及干密度為因素進(jìn)行封閉系統(tǒng)恒溫單向正交試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：凍脹發(fā)生后，水分由未凍區(qū)域向凍結(jié)區(qū)域遷移現(xiàn)象明顯，凍結(jié)鋒面處水分聚集程度最高。在試驗(yàn)條件下，水分遷移量隨土壤初始含水量增大而增加，隨凍結(jié)溫度升高逐漸下降，土壤干密度對(duì)水分遷移影響較小。

灌渠；凍脹；水分遷移；正交試驗(yàn)

季節(jié)性凍土區(qū)（以下簡(jiǎn)稱季凍區(qū)）凍脹問(wèn)題對(duì)當(dāng)?shù)亟煌ㄔO(shè)施、土建工程及農(nóng)業(yè)設(shè)施等均有危害。東北地區(qū)屬于典型季凍區(qū)，該地區(qū)降水量、溫度條件及地下水條件更易于促成凍脹發(fā)生并加劇其危害。渠道是當(dāng)前農(nóng)業(yè)灌溉中的主要輸水手段，輸水過(guò)程中的滲漏造成渠底及渠坡土體含水量明顯高于其他區(qū)域，這就使得渠道更容易產(chǎn)生凍脹危害。資料顯示［1-2］，黑龍江墾區(qū)灌渠經(jīng)受凍脹問(wèn)題的困擾，由于凍脹導(dǎo)致的渠坡變形、渠底隆起現(xiàn)象非常普遍，部分區(qū)域出現(xiàn)渠道襯砌變形和淤積堵塞，對(duì)灌渠正常使用產(chǎn)生了不利影響。東北地區(qū)其他區(qū)域灌渠凍脹問(wèn)題與之類似。

從上世紀(jì)50年代開(kāi)始，國(guó)際上就開(kāi)始了土壤凍融過(guò)程中的水分遷移和成冰規(guī)律的相關(guān)研究［3］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)研究人員也對(duì)此開(kāi)展了研究，相關(guān)研究成果顯示［4］，地表溫度的降低破壞了土壤中的能量平衡，土體溫度場(chǎng)的再平衡過(guò)程中，水分由未凍區(qū)向凍結(jié)區(qū)轉(zhuǎn)移，凍結(jié)區(qū)水分越聚越多，水結(jié)冰后體積膨脹，凍脹現(xiàn)象由此形成。凍脹引發(fā)的破環(huán)程度與水分聚集程度密切相關(guān)，水分遷移是凍脹問(wèn)題研究中的一個(gè)重要課題。

針對(duì)東北寒區(qū)典型渠道土體，設(shè)計(jì)并實(shí)施封閉系統(tǒng)條件下恒溫單向正交試驗(yàn)，從水分遷移角度分析其凍脹性，旨在掌握寒區(qū)灌渠凍脹水分遷移規(guī)律，為從工程技術(shù)角度提出凍脹防治措施提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕⒓皩?shí)現(xiàn)

凍脹過(guò)程中的水分遷移分為開(kāi)放和封閉兩種系統(tǒng)，開(kāi)放系統(tǒng)適用于有地下水補(bǔ)給的情況，封閉系統(tǒng)適用于地下水位低、無(wú)補(bǔ)給的情況。僅對(duì)試樣進(jìn)行封閉系統(tǒng)試驗(yàn)。

冬季低溫是土體凍結(jié)的冷源，寒氣由地表向下逐層傳遞。一般地，在土質(zhì)相同情況下，同深度土體凍結(jié)狀態(tài)相同，一旦凍結(jié)，水分遷移只能由溫度較高的下部土體向上遷移。由此，建立水分遷移一維試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，以圓柱形土體為研究對(duì)象，對(duì)其四周及下部進(jìn)行側(cè)向保溫，將上部暴露在低溫環(huán)境中作為冷端。隨著環(huán)境溫度的降低，上部土體凍結(jié)后，可實(shí)現(xiàn)水分由下向上一維遷移。試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨DFig.1 The test model diagram

為確保試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷靡詫?shí)現(xiàn)，特設(shè)計(jì)高500 mm，內(nèi)徑150 mm單口試樣筒（鋼制），考慮到后期土體凍結(jié)后需要取土樣測(cè)含水量，將筒體徑向切割，一側(cè)縫隙用合頁(yè)連接，另一側(cè)設(shè)置扣件，可根據(jù)需要打開(kāi)或鎖緊扣件，如圖2所示。試驗(yàn)過(guò)程中，先將扣件鎖緊，然后將土體分層裝入試樣筒，在筒體外側(cè)及底部覆以保溫材料（厚約100 mm）并固定完好，最后在保溫材料和試樣筒的縫隙內(nèi)填充發(fā)泡劑，確保側(cè)向保溫效果。將土樣裝入完成保溫防護(hù)的筒體整體放入低溫試驗(yàn)箱，即可進(jìn)行恒溫一維凍結(jié)試驗(yàn)。

圖2 試樣筒示意圖Fig.2 The sketch of sample tube

2 試驗(yàn)方案及實(shí)施

2.1 正交試驗(yàn)因素確定

試驗(yàn)土樣取自黑龍江墾區(qū)建設(shè)農(nóng)場(chǎng)渠道凍脹嚴(yán)重地段土體（土樣顆粒級(jí)配曲線如圖3示）。

圖3 土樣顆粒級(jí)配曲線Fig.3 Particle size distribution curve of soil sample

土體為級(jí)配良好的土體，各粒組顆粒比例合理，孔隙較少。影響水分遷移規(guī)律的因素有土質(zhì)、土壤密實(shí)程度、土壤滲透性、土壤含水量、大氣溫度及降溫速率等因素［5］，其中溫度、土壤含水量和干密度影響最為突出［6］。此外，灌渠施工過(guò)程中，一般需對(duì)渠底及渠坡土體進(jìn)行夯實(shí)，土體干密度隨夯實(shí)程度而變化。綜合考慮試驗(yàn)條件及實(shí)際工程需要，選定初始含水量、凍脹溫度、干密度為分析因素進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，為便于后期進(jìn)行誤差分析，最終確定實(shí)施4因素3水平正交試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)方案

結(jié)合建設(shè)農(nóng)場(chǎng)的氣溫狀況、土壤含水量變化范圍及渠道土夯實(shí)程度，選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，將各因素按L9（34）正交試驗(yàn)表安排后獲得試驗(yàn)方案如表2所示。為消除隨機(jī)誤差影響，試驗(yàn)方案中的九組試件，每組重復(fù)三次，試驗(yàn)結(jié)果取重復(fù)試驗(yàn)平均值。

2.3 土樣制備

試驗(yàn)旨在分析上述各因素在一定范圍變動(dòng)情形下水分遷移變化規(guī)律，須對(duì)重塑土進(jìn)行各因素搭配組合后，方完成正交試驗(yàn)。重塑土樣制備按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL237-1999）［7］的規(guī)范執(zhí)行。其中，土樣干密度通過(guò)分層壓實(shí)進(jìn)行調(diào)整。將土樣按表中的方案制備完成后，放入低溫試驗(yàn)箱在預(yù)定溫度下放置36小時(shí)，取出試件，打開(kāi)試樣筒，按圖4所示位置取中心處土樣，用烘干法測(cè)定含水量。

圖4 含水量取樣位置示意Fig.4 The sketch of sampleposition

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

圖5 凍脹土含水量分布圖Fig.5 Distribution of water content in soil after freezing

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)完結(jié)后，可以觀察到9組試樣均出現(xiàn)以下情況：上部土體凍結(jié)，在20～25 cm處可看到明顯透鏡體冰夾層，該處有大量冰屑，凍脹特征明顯，而下部土體未凍結(jié)。

圖5所示為正交試驗(yàn)組合1～組合9凍脹前后土樣含水量分布圖。其中A圖為組合1、組合2和組合3（初始含水量均為10%）凍結(jié)前后含水量分布圖，三者變化規(guī)律極為相似：凍結(jié)前含水量均為10%，凍結(jié)后上部土體整體含水量明顯增加而下部土體含水量降低，水分遷移現(xiàn)象明顯，凍結(jié)鋒面處土壤含水量最高。具體變化為：表層土體含水量無(wú)明顯增加，隨深度增加土壤含水量開(kāi)始增加，凍結(jié)鋒面處含水量達(dá)到最大，這一現(xiàn)象說(shuō)明凍結(jié)鋒面對(duì)水分有較強(qiáng)的吸附能力。由凍結(jié)緣向下，含水量明顯減少，到試樣底部含水量趨向初始含水量，有明顯“翹尾”現(xiàn)象。這是因?yàn)閮鼋Y(jié)鋒面下部水分向上遷移，而在有限的凍結(jié)時(shí)間里，試樣下部的水分由于離凍結(jié)鋒面較遠(yuǎn)未能及時(shí)補(bǔ)給到試樣中部，造成試樣底部含水量高于試樣中部含水量。由于凍結(jié)溫度及干密度的影響，3個(gè)組合試驗(yàn)水分聚集程度有所不同，有必要就單一因素的影響規(guī)律進(jìn)行單獨(dú)分析（見(jiàn)后文）。B圖和C圖所示情形分別為初始含水量20%及30%土樣的凍結(jié)后含水量情況，含水量分布總體規(guī)律與A圖相似。

由上述分析可知，不同含水量情況下，土體凍結(jié)后水分分布規(guī)律類似，但水分聚集程度有所不同。不難看出，水分聚集程度與凍結(jié)緣處的最大含水量正相關(guān)，若以最大含水量與原始含水量之比（以下簡(jiǎn)稱含水量比）作為衡量水分聚集程度的指標(biāo)，可得正交試驗(yàn)結(jié)果如表2所示：

表2 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experiment scheme and results

在正交試驗(yàn)表中，試驗(yàn)各因素極差R分別為初始含水量0.104、凍脹溫度范圍0.034、預(yù)加軸向壓力0.012、土樣孔隙率0.007。所以試驗(yàn)選定的各因素不同水平情況下，影響水分遷移程度的主次關(guān)系為A> B>C>D，即初始含水量影響最顯著，凍結(jié)溫度比較顯著，土樣干密度對(duì)水分遷移影響最小。水分遷移量最大的最優(yōu)組合為A3B1C3。

按照正交試驗(yàn)”均衡分散、整齊可比“的特點(diǎn)，繪制初始含水量、凍結(jié)溫度及干密度對(duì)含水量比影響關(guān)系曲線如圖6所示。我們可以從中觀察得出，A圖所示為含水量比-初始含水量變化曲線，可以看出隨著初始含水量從10%增加到20%，含水量比增加明顯，說(shuō)明水分遷移量隨著初始含水量增加而顯著增大；B圖中，隨著試驗(yàn)凍結(jié)溫度由-15℃降至-25℃，水分遷移量逐漸減小，且有趨于穩(wěn)定趨勢(shì)。在-15℃～-25℃溫度范圍內(nèi)，隨著凍結(jié)溫度的降低，凍土中水分移動(dòng)受到了更多制約，說(shuō)明過(guò)低的溫度并不有助于凍脹的發(fā)生；由C圖可以看出，水分遷移量隨干密度增加而有微幅增加。可能的原因是，試驗(yàn)中的9個(gè)組合土體均取自同一地點(diǎn)，且土樣級(jí)配較好，重塑土制備過(guò)程中的壓實(shí)并未能顯著改善土體孔隙特征，導(dǎo)致干密度因素未能充分發(fā)揮其對(duì)水分遷移的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)正交試驗(yàn)對(duì)不同初始含水量、凍結(jié)溫度及干密水分遷移情況進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：

（1）凍脹發(fā)生后，水分由未凍區(qū)域向凍結(jié)區(qū)域遷移現(xiàn)象明顯。但不同位置水分遷移量有所不同：試樣表面處水分聚集量較少，隨深度增加水分聚集量開(kāi)始增加，凍結(jié)鋒面處水分聚集程度最高。下部未凍土，臨近凍結(jié)鋒面區(qū)域較低端水分遷移較多。

圖6 單一因素作用線含水量比變化圖Fig.6 The change of water content of single factor line of action

（2）在選定變化范圍內(nèi)，以含水量比作為衡量水分聚集程度的指標(biāo)，各因素對(duì)水分遷移影響程度為：初始含水量對(duì)水分遷移影響最大，凍結(jié)溫度影響較大，土壤干密度影響最小。

（3）分析單一因素對(duì)水分遷移的影響，在選定的變化范圍內(nèi)，水分遷移量隨土壤初始含水量增加而增加，隨凍結(jié)溫度降低而減少，隨干密度增加而微幅增加。

影響凍脹土水分遷移的因素較多，不同性質(zhì)土體水分遷移規(guī)律差異較大。同時(shí)，各因素在不同范圍內(nèi)變化，其對(duì)水分遷移規(guī)律影響亦有不同。由于試驗(yàn)條件所限，僅針對(duì)灌渠凍脹問(wèn)題中的較重要因素在特定范圍內(nèi)的水分遷移規(guī)律進(jìn)行了分析，寒區(qū)灌渠凍脹水分遷移有待于從更多土樣、更多因素和更多水平角度開(kāi)展更多研究，以便為渠道凍脹防治提供更有力支持。

［1］楊革，李金玲.季凍區(qū)渠道邊坡凍脹防治試驗(yàn)研究［D］.哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

［2］鄭鑫，葛建銳，劉少東，等.渠道襯砌凍脹破壞研究現(xiàn)狀與展望［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，26（6）：20-24.

［3］田亞護(hù).動(dòng)、靜荷載作用下細(xì)粒土凍結(jié)時(shí)水分遷移與凍脹特性實(shí)驗(yàn)研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2008.

［4］劉兵.土中水分在凍融過(guò)程中的遷移［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.

［5］呂書(shū)清.影響土體凍結(jié)的主要因素及凍脹力分析［J］.低溫建筑技術(shù)，2009（7）：87-88.

［6］王文華.吉林省西部地區(qū)鹽漬土水分遷移及凍脹特性研究［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2011.

［7］中華人民共和國(guó)水利部.SL237-1999土工試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京：中國(guó)水利水電出版社，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

大慶市指導(dǎo)性科技計(jì)劃項(xiàng)目（szdfy-2015-31）。

劉少東（1980-），男，講師，寧夏大學(xué)畢業(yè)，現(xiàn)主要從事農(nóng)業(yè)水利工程領(lǐng)域的教學(xué)與研究工作。