冻土地区土壤水热迁移的影响因素及研究方法

冻土地区土壤水热迁移的影响因素及研究方法

随着我国经济结构的蓬勃发展和西部开发进程的加快，许多民用土木工程、交通工程、地下管道工程和节水节水工程得到了广泛应用。然而，这些项目的开发应注意冷土区的特殊情况和处理方法。为了保证工程的安全,必须对冻土工程进行深入的研究。土体中的温度变化会引起水分迁移使含水量变化,含水量的变化又会引起土的导温系数、比热容发生变化,从而影响传热过程及温度分布,温度引起土体冻融相变还会使水分向冻融界面运移,水分运移过程中会携带热量使温度分布发生变化。因此,研究土体水热问题时,必须考虑其相互影响。1冻结速率的变化影响水分迁移的主要因素有未冻水含量、外界水源的补给、土质特性、温度场等。无论在天然条件下还是在人工冻结作用下,土冻结过程中的相变温度场是造成土水分迁移的极重要因素。相变温度场的负温度梯度绝对值越大,冻结速率越大,而冻结速度直接影响着含水量的变化。同样,水分迁移对冻土中温度场的分布也存在着一定的影响,其中冰水的相变潜热起主要作用。在土体冻结或融化过程中,频繁的进行着孔隙水的冻结或融化,在这一过程中,冰水的相变潜热以内热源的形式影响冻土中的温度场分布。同时,伴随着水分向冻结锋面的流动,水流的对流传热也对冻土中的温度场存在着一定的影响,但是与冰水相变潜热相比,对流传热影响较小,一般忽略不计。由以上的论述可见,土体冻结或融化过程中,温度、水分之间并不是相互独立的变量,而是存在相互影响、相互制约的耦合关系。2土壤冻结及非冻结物性参数对土壤温度场的影响冻土中的热质迁移主要由热传导方式及水分迁移与水分相变吸、放热引起。热质迁移与水分迁移具有十分明显的耦合机理。Kay等人将由水分迁移导致的热质迁移统一归纳到等效热传导项中,并且发现对于易冻土在零温度附近由于相变潜热引起的热迁移远远大于由于热传导引起的热质迁移;Taylor,Luthin通过实验分析表明,土体中水分在迁移过程中携带热量引起的热迁移只是由热传导引起的热迁移的1/100~1/1000;Cary提出了一个描述水分、溶质和热质相耦合的间接热传导模型,但没有考虑冰结锋面上溶质的溢出与渗透热引起的水分流动影响;王铁行、胡长顺等模拟风速、辐射、蒸发等实际边界及工程外表特征得到确定冻土工程温度场的数值模型;刘晓燕、刘立君等测试了严寒地区土壤冻结及非冻结状态的物性参数,分析了土壤冻结及非冻结物性参数对不同深度处土壤温度场的影响程度。对水分迁移的研究主要集中在迁移动力与迁移模型上。在迁移动力上国外的学者提出过多种假说:20世纪30年代Taber和Beskow等人进行了一系列有关冻胀的试验研究,提出了细颗粒土中的薄膜水迁移理论;到60年代由Everett研究出在土粒子间隙中求吸水动力即抽吸力的理论,Bouycous等人提出的结晶力理论实际上是对薄膜水迁移理论的一种补充;Beskow又将其发展为吸附-薄膜理论;Hoekstra等人的试验支持了这种理论,并且这种假说得到了大多数学者的认可。3建立冷相流和热耦合温度场模型3.1物理模型土壤温度场可以简化为第三类边界条件下半无限大物体周期性非稳态导热问题,土壤深度为δ,建立非稳态导热物理模型如图1所示。3.2数学模型3.2.1土壤水扩散率与负温始终保持动态平衡的关系此问题的控制方程参照文献中提出的冻土水热耦合迁移方程,为:Ces∂t∂τ=∂∂x(λe∂t∂x)−ve∂t∂x(1)Ces∂t∂τ=∂∂x(λe∂t∂x)-ve∂t∂x(1)式中,Ces为冻土等效比热容,J/(m3·K);λe为冻土等效导热系数,W/(m·K);ve为冻土等效对流速度,W/(m2·K);t为土壤温度,℃。未冻水含量与负温始终保持动态平衡的关系,采用表达式,即:θu=aT-b(2)式中,θu为未冻水含量,%;T为负温之绝对值,℃;a和b为与土质因素有关的经验常数。对于未冻结区的土壤水扩散率D(θu)及导水率K(θu)采用下式:D(θu)=226.4(θu/θs)8.4(3)K(θu)=0.9(θu/θs)10.87(4)式中,θs为土壤饱和含水率。对于冻结区,引入阻抗修正系数I,有:D(θf)=D(θu)/I(5)其中阻抗系数Ⅰ可以表示为:I=Ks/Kus=K(θs)/K(θus)(6)而冻土的饱和未冻水含量θus的大小为:θus=θs-θiρi/ρw(7)式中,θi为土壤体积含冰量,%;ρi、ρw为冰、水密度,kg/m3。3.2.2初始温度t0的计算若求解土壤深度为δ米处的温度场,其边界条件为第三类边界条件,大气温度采用年周期变化公式。初始温度t0按照土壤自然温度场的解析表达式计算。t(x,τ)|τ=0=t0(0≤x≤δ)(8)4土壤温度场模拟以大庆地区土壤为例模拟计算,土壤为粉质粘土。未冻状态下土壤导热系数取1.11W/(m·K),土壤比热容取2341.9kJ/(m3·℃),土壤融化潜热取335.0kJ/kg,土壤的导温系数取5.0×10-7m2/s,土壤表面与周围大气的传热系数取25.7W/(m2·K),年周期时间取365天,大气年最高温度为32.0℃,并设最高气温出现在7月22日,大气年平均温度为4.0℃,土壤中水的密度为1000kg/m3,土壤饱和含水率取0.80,初始含水率取0.20。土壤深度10m处为恒温层,恒定温度为4.1℃。以起始时间为9月20日,对土壤深度在2m内的每隔0.4m处的土壤进行数值模拟。考虑土壤相变及大气温度年周期性变化,且考虑含冰量不同深度的土壤温度曲线,如图2所示。从图2可见,考虑含冰量、相变潜热、大气年周期变化的土壤温度场模型对不同深度模拟的温度曲线为不平滑的与余弦曲线相似的曲线组。随着深度的增加,土壤温度曲线变化愈加平缓。土壤深度从0.4m到2.0m,在温度降低接近0℃的冻结段,曲线的降低趋势越来越缓慢,即温度的下降速率越来越小;温度上升接近0℃的融化段,曲线的平缓持续段时间越来越长,即温度的上升速率越来越慢,然后均快速的上升;并且随着深度的增加,土壤的冻结温度越来越高,甚至不出现冻结,同时土壤的最高温度越来越低。5土体冻结过程的土体考虑因素土体冻结过程中,温度、水分之间的相互作用是一个极其复杂的热力学、物理化学和力学的综