粉質粘土凍融過程中水熱遷移特性的實驗研究

宋文宇，胡怡然，王 維，李炳熙

(1.中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001;2.哈爾濱工業(yè)大學 能源科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

隨著我國經濟的快速增長，建筑供暖空調能耗量巨大。國家發(fā)展改革委等六部門在《關于加快淺層地熱能開發(fā)利用促進北方采暖地區(qū)燃煤減量替代的通知》中要求：淺層地熱能在替代民用散煤供熱方面發(fā)揮積極作用，區(qū)域供熱用能結構得到優(yōu)化[1]。在采用土壤源熱泵供熱時，地埋管周圍的土壤會出現(xiàn)凍結現(xiàn)象[2]。凍土物理性質不穩(wěn)定，受溫度變化影響大，凍融狀態(tài)下強度[3]和熱物性參數(shù)差異明顯[4]。如果對土壤水熱遷移過程管理不善，會導致熱泵系統(tǒng)效能降低[5]，甚至出現(xiàn)土壤鹽漬化[6]、凍脹或融沉等問題，對自然環(huán)境、農業(yè)生產和基礎設施產生不利影響[7]。采用實驗方法對土壤凍融水熱遷移特性的研究可分為原位實驗和實驗室實驗。原位實驗對土壤擾動小，實驗周期長，但受外界氣候變化影響較大，結果多為經驗公式或半經驗公式，難以詳盡的歸納內在機理；實驗室實驗在取樣過程中對土壤有擾動，而且實驗臺尺寸較小，但可以精確調節(jié)土壤的粒度級配，可精確控制邊界條件。FDR(Frequency Domain Reflectometry)是近年來逐漸興起的一種測量方法，該方法技術實現(xiàn)簡單，不需波形顯示及解釋，單個傳感器價格低廉，采用該方法的足尺凍融實驗可以在較長的實驗周期內對土壤溫度及含水率進行高頻采樣，為理解凍土凍融過程水熱遷移規(guī)律提供詳盡的數(shù)據(jù)支持。

1 實驗平臺及實驗方法

1.1 實驗平臺

實驗平臺由土壤裝樣桶、上部壓力加載系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、水位控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。實驗平臺的主體結構為一直徑100 cm，高250 cm的不銹鋼桶，其上端開放，下端封閉，桶底部固定在底座上。底座兩側設置軌道，軌道上設置一副龍門架，龍門架頂部設置液壓千斤頂，用于壓實土壤及調節(jié)頂部載荷。桶壁下部設置檢修口，供人員進出及裝卸土壤試樣用。裝樣桶側壁預留若干穿線孔，用于布置傳感器線路，底部設置排水閥門及接口，詳細布局如圖1所示。

圖1 實驗平臺

實驗平臺采用Decagon Devices公司生產的ECH2O系列5TE及5TM型傳感器，用于測量土壤溫度及含水率。傳感器自上而下共布置9層，每層2個。每層傳感器對置于裝樣桶直徑方向上，距離桶側壁25 cm以上，水平及垂直方向上相鄰的傳感器交錯布置，直線間距40 cm以上，避免傳感器相互干擾或金屬筒壁干擾測量信號。

1.2 土壤基本參數(shù)

實驗對象選用粉質粘土，取樣地點為哈爾濱，取樣時間為夏季，取樣深度為0.5～2.5 m。首先對取樣區(qū)域進行清表，采用機械設備分層取土帶回，然后按照取樣順序，將土樣均勻的填入裝樣桶內。每填一層，敷設一層傳感器，每一層土樣均以100 kN的壓力反復壓實。

土壤裝填并壓實后，采用環(huán)刀取樣并以105℃烘干至恒重，然后采用分樣篩測試土壤粒徑級配分布。測得土壤試樣的干密度為2.05 g/cm3，采用浸蠟法測得土壤試樣的孔隙率為0.47。

1.3 實驗步驟

本實驗中，土樣在定溫邊界條件下進行單向多周期的凍融循環(huán)，外界無水源補充。傳感器每20 min對土壤溫度及含水率進行測量。詳細實驗步驟如下：

(1)土壤取樣及裝填按1.2節(jié)操作，裝填完畢后在土壤頂部敷設盤管并覆土，然后覆蓋保溫材料。在裝樣桶外壁覆蓋保溫棉，用保溫發(fā)泡膠密封側壁的預留孔。

(2)向水位控制系統(tǒng)內注水，打開儲水桶和裝樣桶之間的閥門，每5 min讀取土壤含水率，檢測傳感器的工作狀態(tài)，土壤含水率達到實驗要求時關閉閥門，檢查裝樣桶的密封狀態(tài)。

(3)進行土壤凍結實驗。按實驗要求設定制冷系統(tǒng)停機溫度，為保證溫度均勻性，并減少設備啟停次數(shù)，開機溫度宜高于停機溫度1～2℃。當土壤凍結深度達到要求時，停止凍結實驗，12 h后開始融化實驗。

(4)土壤融化實驗。按實驗要求設定電加熱器停機溫度，為保證溫度均勻性，開機溫度宜低于停機溫度1℃。當土壤融化深度達到實驗要求時，停止融化實驗12 h后開始凍結實驗。

凍融實驗過程中，上邊界溫度通過敷設在土壤試樣表面的盤管控制，下邊界溫度為室溫，上、下邊界溫度演化曲線如圖2所示。

圖2 土壤試樣上下邊界溫度

2 實驗結果及分析

土壤試樣在實驗中經歷了2次凍融循環(huán)，其中第1次凍融循環(huán)歷時130 d，第2次凍融循環(huán)歷時60 d，共歷時190 d。在第1次凍融循環(huán)中，凍結期102 d，融化期28 d；在第2次凍融循環(huán)中，凍結期40 d，融化期20 d，如圖2所示。實驗過程中不同時刻土壤溫度分布曲線以及凍結深度如圖3所示；相應時刻土壤含水率分布曲線如圖4所示。土壤在凍結過程中，熱量由深處向表面?zhèn)鬟f，凍結深度逐漸增加，土壤內部的水分出現(xiàn)了由未凍結區(qū)向凍結鋒面遷移并發(fā)生聚集的現(xiàn)象；在融化過程中，熱量由表面向深處傳遞，已凍結土壤由表面向深處逐步融化，水分受重力驅動，出現(xiàn)了重新分布的現(xiàn)象。

圖3 凍融實驗各時刻土壤試樣溫度分布

圖4 凍融實驗各時刻土壤含水率分布

實驗期間土壤不同深度的溫度及含水率變化規(guī)律如圖5～圖7所示。以0℃等溫面作為凍結鋒面，在40 d、80 d、150 d時，土壤凍結深度分別為405 mm、710 mm、570 mm，凍結區(qū)最大含水率出現(xiàn)的位置分別為390 mm、625 mm、605 mm，說明水分遷移主要發(fā)生在凍結鋒面附近。40 d、80 d已凍結區(qū)的含水率分布基本相同，說明已凍結區(qū)內部土壤基本不發(fā)生水分遷移。通過觀察深度200 mm、415 mm、630 mm處土壤溫度變化曲線，發(fā)現(xiàn)隨土壤深度增加，凍結速率逐漸降低。由此可知，土壤凍結過程中水分遷移量的強弱，與凍結速率呈反比關系。

圖5 200 mm深度土壤溫度及含水率變化曲線

圖6 415 mm深度土壤溫度及含水率變化曲線

圖7 630 mm深度土壤溫度及含水率變化曲線

在土壤凍融狀態(tài)轉化的過程中，出現(xiàn)了在短時間內含水率突變的現(xiàn)象，如圖5 ～圖7所示。在凍結過程中，土壤含水率。含水率變化強度隨凍結速率的降低逐漸減弱，凍結時含水率突變的強度高于融化時的變化強度。在胡怡然等[8-9]的研究中，發(fā)現(xiàn)了土壤在凍結過程中，體積先收縮后膨脹的現(xiàn)象。在土壤降溫階段，未發(fā)生凍結時，土壤孔隙內的水蒸氣發(fā)生凝結，壓力降低，造成土壤體積收縮，此階段土壤含水率表現(xiàn)為升高趨勢；隨著土壤溫度繼續(xù)降低，孔隙水凍結，體積膨脹，造成土壤體積膨脹，此階段土壤含水率表現(xiàn)為降低趨勢。在凍土融化階段，由于孔隙冰融化，體積收縮，而土壤體積受未融化孔隙冰的支撐，體積不變，因此體現(xiàn)為土壤含水率降低；隨著融化過程的進行，孔隙冰完全融化，孔隙內產生負壓，而且受重力的作用，土壤體積開始收縮，體現(xiàn)為土壤含水率升高；同時，孔隙水在重力作用下開始向下方遷移，體現(xiàn)為土壤含水率逐漸降低。

根據(jù)土壤在凍融實驗前后的含水率變化差值，可將土壤沿凍結方向劃分為三個區(qū)域，如圖8所示。在凍結區(qū)，凍結速率隨深度的增加逐漸遞減，凍融狀態(tài)下土壤含水率的差值隨深度的增加逐漸遞增，水分遷移主要發(fā)生在400～700 mm區(qū)間內，該部分為水分聚集區(qū)。在未凍結區(qū)，700～1 200 mm處的土壤含水率在凍融前后變化不明顯，在該區(qū)域內的水分以輸運為主，向上層凍結區(qū)土壤輸送水分，同時從下層土壤吸收水分進行補充，該部分為輸運區(qū)。1 200 mm以下處的土壤含水率在凍融前后變化為負值，該區(qū)域在上層土壤凍結時，僅向上層土壤提供水分，該部分為水源區(qū)。

圖8 土壤凍融前后含水率差分布

3 結論

本文使用足尺土壤凍融實驗平臺，研究了哈爾濱粉質粘土凍融過程中的水分遷移特性，得到了以下結論：

(1)土壤在凍結過程中，水分遷移現(xiàn)象發(fā)生在凍結鋒面處，已凍結區(qū)域的含水率基本不發(fā)生變化，凍結速率隨土壤深度增加逐漸降低，水分遷移量與凍結速率成反比關系。

(2)土壤在凍結過程中，沿凍結方向分為水分聚集區(qū)、輸運區(qū)和水源區(qū)，聚集區(qū)在凍融實驗前后含水率變化最大，輸運區(qū)在凍融實驗前后含水率變化最小。

(3)土壤在凍融狀態(tài)轉換的過程中，會出現(xiàn)含水率突變的現(xiàn)象，凍結時的變化強度高于融化時的強度，變化強度與凍融速率成正比關系。