凍融循環(huán)過(guò)程中渠道土質(zhì)邊坡水分場(chǎng)變化特征的試驗(yàn)研究

王克黎

(新疆額爾齊斯河流域開(kāi)發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 福海 836400)

凍融循環(huán)過(guò)程是一種強(qiáng)風(fēng)化作用，可以對(duì)土體的基本結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響[1]。我國(guó)北方地區(qū)的渠道大多處于季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)，且以土質(zhì)邊坡為主，在凍融作用的影響下，土壤的凍脹對(duì)渠道的建設(shè)和運(yùn)行造成比較嚴(yán)重的破壞[2]。近年來(lái)，雖然在土質(zhì)邊坡渠道防凍脹工程技術(shù)方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，但是由于凍脹破壞機(jī)理的復(fù)雜性，防凍脹工程技術(shù)措施的研究仍任重道遠(yuǎn)[3]。究其原因，還是基礎(chǔ)理論、工程措施以及具體的試驗(yàn)研究方面的不足，并且這些研究主要集中于凍脹過(guò)程，而對(duì)春季融化過(guò)程中上層融化土層與下層的凍土之間存在的比較復(fù)雜的熱學(xué)與力學(xué)特征變化關(guān)注不足[4]。基于此，本次研究以新疆爾齊斯河流域灌區(qū)總干渠為研究對(duì)象，結(jié)合試驗(yàn)區(qū)的實(shí)際進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)凍融條件下邊坡水分場(chǎng)的變化進(jìn)行試驗(yàn)研究，以獲取凍融過(guò)程中邊坡內(nèi)水分遷移規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 溫控模式

試驗(yàn)用土樣取自新疆爾齊斯河流域某灌區(qū)，其所處地區(qū)為典型的溫帶大陸性氣候，年平均氣溫為4.5℃，極端最高氣溫39℃，極端最低氣溫-42℃。降雨量的年內(nèi)和年際變化較大，汛期多短時(shí)強(qiáng)降雨。冬季土壤最大凍結(jié)深度為2.8 m。本次模型試驗(yàn)的環(huán)境溫度選用的是現(xiàn)場(chǎng)2017-2018年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。根據(jù)測(cè)定結(jié)果，將本次試驗(yàn)過(guò)程中的環(huán)境溫度變化范圍設(shè)定為-20.0℃～23.3℃。為了模擬實(shí)際土層下部的暖土溫度，試驗(yàn)中設(shè)置底板溫度為4℃，試驗(yàn)中的環(huán)境溫度控制分為4個(gè)階段進(jìn)行，時(shí)間比尺為1∶225，其具體的控制過(guò)程見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)中溫度控制模式設(shè)置

1.2 模型的制作

按照1∶15的模型比尺進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹谱?。其中，試?yàn)箱采用透明度好、強(qiáng)度大的有機(jī)玻璃制作，尺寸為0.5 m×1.3 m×0.5 m。為了便于排水，底部打上直徑1 cm的小孔，并鋪上無(wú)紡布[5]。對(duì)試驗(yàn)箱的四角進(jìn)行固定，防止試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生凍脹破壞。邊坡模型采用半斷面模式，并按照實(shí)測(cè)尺寸以1∶15的幾何比尺進(jìn)行縮小，其剖面圖見(jiàn)圖1。

圖1 模型邊坡剖面圖

1.3 儀器布置

試驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)測(cè)量采用進(jìn)口自美國(guó)的HydraProbeⅡ型傳感器。該傳感器屬于三合一設(shè)置，通過(guò)探頭配置的溫度、水分和鹽分3個(gè)傳感器，可以實(shí)現(xiàn)上述3個(gè)數(shù)據(jù)的同時(shí)測(cè)量[6]。傳感器的數(shù)據(jù)線(xiàn)直接和PDA相連，通過(guò)傳感器的配套軟件，可以實(shí)時(shí)查看和保存測(cè)量數(shù)據(jù)。鑒于凍融層的數(shù)據(jù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較大，因此在該部位設(shè)置較多的傳感器，而在土壤的深層設(shè)置比較稀疏。

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 取土和配樣

本次試驗(yàn)所用的土樣來(lái)自于新疆爾齊斯河流域某灌區(qū)渠首下游5.5 km的試驗(yàn)段現(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)該段渠道的建設(shè)資料，取土深度為1.5～2.5 m。將取得的土樣風(fēng)干后粉碎成直徑2 mm左右的顆粒，測(cè)量其初始含水率后備用。為了保證模型邊坡和實(shí)際邊坡的含水率相同，按照研究渠段平均含水率22%進(jìn)行計(jì)算，獲得配土需要添加的水量。將需要添加的水加入土樣攪拌均勻，放置于密閉的塑料桶中密封放置48 h，待加入的水分布均勻后即可用于邊坡模型制作。

2.2 制作邊坡

按照邊坡的設(shè)計(jì)高度將有機(jī)玻璃容器模型等分為10層，采用分層填充擊實(shí)法進(jìn)行邊坡制作[7]。在制作過(guò)程中，通過(guò)對(duì)每層的擊實(shí)次數(shù)和層高實(shí)現(xiàn)土樣的均勻，在擊打好上一層土層后，要將表面刮毛，以保證不同土層之間的良好結(jié)合。為了保證模型的四周不受室溫影響，在制作好的模型四周采用厚度為10 cm的橡塑保溫板保溫。由于該種保溫板為自黏設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)和有利玻璃的無(wú)縫粘結(jié)，具有良好的保溫效果[8]。

2.3 邊坡凍融循環(huán)

試驗(yàn)中的凍融循環(huán)次數(shù)設(shè)計(jì)為8次，整個(gè)試驗(yàn)需歷時(shí)305 h，其具體的操作步驟如下：首先將制作好的模型放入低溫試驗(yàn)箱中制冷降溫，當(dāng)溫度降低至2℃后保持48 h，然后開(kāi)始凍融循環(huán)試驗(yàn)；在凍融循環(huán)開(kāi)始前、土壤凍深最大以及凍融循環(huán)后測(cè)量不同深度的土壤含水率；按照上文提出的溫控模式進(jìn)行試驗(yàn)；在試驗(yàn)中為了獲取準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，每1 min進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)本次研究中的土壤試樣而言，在7次試驗(yàn)之后，試驗(yàn)獲取的各個(gè)參數(shù)值基本趨于穩(wěn)定。因此，限于文章的篇幅，這里僅對(duì)模型的7次凍融循環(huán)過(guò)程中的水分場(chǎng)的變化進(jìn)行分析。

3.1 不同深度土壤水分變化特征

利用試驗(yàn)過(guò)程中獲取的數(shù)據(jù)，繪制出不同測(cè)點(diǎn)的土壤水分隨時(shí)間變化的過(guò)程，見(jiàn)圖2。

圖2 不同深度土體水分隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

根據(jù)圖2中的結(jié)果，按照溫度變化的4個(gè)階段進(jìn)行土壤水分變化特征分析，具體結(jié)果如下：

負(fù)溫降溫階段為20～370 min，該階段的土壤溫度為0℃～-20℃，土壤水分隨溫度的降低呈現(xiàn)出迅速減小的趨勢(shì)。同時(shí)，受到土層內(nèi)溫度傳遞滯后效應(yīng)的影響，該階段開(kāi)始的20～100 min內(nèi)土壤水分雖然呈減小趨勢(shì)，但是減小的速率并不大；在100 min以后，土壤水分則呈現(xiàn)出顯著的線(xiàn)性下降態(tài)勢(shì)。此外，在0～5 cm的土壤表層，水分由原來(lái)的34.5%不斷降低至28.8%，而凍土中未凍水的含量則呈現(xiàn)出與負(fù)溫之間的動(dòng)態(tài)平衡特征。

在370～625 min的負(fù)溫恒溫階段，試驗(yàn)環(huán)境的溫度保持-20℃的恒溫狀態(tài)。在該階段，凍結(jié)鋒面開(kāi)始出現(xiàn)遷移，位置在15 cm部位。同時(shí)，模型中的水分含量也開(kāi)始逐漸下降，并且降低速率逐漸增大。此外，該階段模型邊坡0～5 cm的表層水分已經(jīng)達(dá)到最低值，并保持不變，說(shuō)明水分場(chǎng)已經(jīng)處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

在625～1 350 min的升溫階段，環(huán)境溫度逐漸從-20℃升高至0℃。在這一階段，模型邊坡的1～15 cm范圍內(nèi)的水分含量不再下降，而逐漸趨于平穩(wěn)，原因是溫度滯后效應(yīng)基本結(jié)束。同時(shí)，凍結(jié)鋒面位置進(jìn)一步降低，在模型的15～20 cm 部位移動(dòng)。

在1 400 min之后的穩(wěn)定段，環(huán)境溫度逐步升高，試驗(yàn)邊坡模型內(nèi)的土壤含水率呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢(shì)，在溫度達(dá)到正溫之后，模型邊坡的表層開(kāi)始融化，同時(shí)保持在較高含水率的水平。從圖2中可以看出，深度10～12 cm的土層水分在540～1 000 min時(shí)段內(nèi)幾乎保持不變，之后則發(fā)生突變。

3.2 水分遷移分析

為了進(jìn)一步獲取凍融過(guò)程中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的土體水分遷移特征，利用試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)繪制邊坡模型最大凍深和完全融化時(shí)的土體水分遷移曲線(xiàn)，見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 最大凍深時(shí)水分遷移特征

圖4 完全融化時(shí)水分遷移特征

由圖3、圖4可知，邊坡經(jīng)過(guò)多次凍融循環(huán)之后，模型土體內(nèi)的水分或發(fā)生比較明顯的遷移現(xiàn)象，含水率最大的部位位于深度10 cm的部位。在第1次試驗(yàn)結(jié)束后，深度5 cm以上的坡頂表層的含水率明顯偏小，而坡腳表層的含水率明顯偏大。究其原因，主要是坡頂部位受到空氣流動(dòng)的作用，水分的蒸發(fā)量明顯偏大。在最大凍深時(shí)，坡頂1 cm部位的土體含水率為24%，相比開(kāi)始時(shí)21.7%的含水率有明顯增加，1～ 5 cm的含水率呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，在5 cm深度，土體含水率由試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的已經(jīng)22%降至21.2%，下降了0.8%。在15～20 cm深度部位，模型坡腳的土體含水率明顯偏大，坡頂部位明顯偏小。這說(shuō)明模型坡頂部位的水分遷移更為明顯。在完全融化階段，土壤中冰顆粒已經(jīng)完全融化為水，因此表層的含水率由比較顯著的上升。

4 結(jié) 論

本次研究以新疆爾齊斯河流域灌區(qū)總干渠為工程背景，利用模型試驗(yàn)的方式分析了凍融循環(huán)對(duì)土質(zhì)邊坡的水分場(chǎng)的影響，并獲得如下主要結(jié)論：

1) 邊坡表層的水分與氣溫之間具有比較明顯的關(guān)系，水分含量受氣溫的影響較大，但是隨著土層深度的增加這種影響會(huì)逐漸減小。此外，氣溫對(duì)土體水分含量的影響還存在比較明顯的滯后效應(yīng)，這與相關(guān)理論研究結(jié)果是一致的。

2) 在凍融循環(huán)過(guò)程中，土體中的水分存在明顯的遷移。受到溫度勢(shì)的影響，水分在凍結(jié)過(guò)程中向凍結(jié)鋒面遷移，在融化過(guò)程中向土體表面遷移。因此，土體的水分分布會(huì)在多次凍融循環(huán)之后趨向均衡。