地下水位波动和冻融循环对绿洲漫灌区盐渍土路基水盐运移的影响

《Transportation Geotechnics》：Effects of fluctuating groundwater levels and freeze-thaw cycles on water and salt migration in saline soil subgrade of oasis flood-irrigation areas

　　

摘要

在寒冷地区绿洲，漫灌引起了显著的季节性地下水波动，结合冻融循环，驱动了盐渍土路基中复杂的水盐运移，最终导致次生盐渍化和结构不稳定。本研究调查了在这些双重驱动因素下盐渍路基的耦合水盐运移和变形特征，评估了复合毛细排水管作为主动缓解策略的有效性。实验室柱状试验模拟了不同灌溉持续时间（0、2、4 和 6 小时）下耦合冻融循环的地下水波动，并实时监测温度、湿度、盐度和变形。此外，在 COMSOL Multiphysics 中开发了一个结合连续介质力学的数值模型来模拟长期行为并验证实验结果。结果表明，延长灌溉时间显著放大了土壤的热响应和盐度变化；将灌溉时间从 0 增加到 6 小时，使土壤最低温度降低了约 3 °C，并将峰值盐度水平提高了 13.1% 至 155.8%。值得注意的是，路基变形主要以融沉（1.17 mm）为特征，而不是冻胀（0.16 mm），这主要由上覆应力和排水系统的调节作用下的水 - 冰相变驱动。与传统的被动排水材料相比，利用高毛细吸力的毛细土工布，主动且有效地缓解了水盐运移，最多减少了 45% 的水分积聚。数值模拟证实了这些发现，预测了在主动毛细排水下的长期路基稳定性。这项研究阐明了盐渍土中的多场耦合机制，并为在漫灌地区设计韧性路基排水系统提供了关键技术指导。

引言

土壤盐渍化对全球干旱和寒冷地区交通基础设施的稳定性和寿命构成严重威胁。在中国，新疆的绿洲漫灌区代表了这一问题尤为严重的脆弱工程环境。广泛的农业漫灌实践引起了地下水位剧烈的季节性波动 [1]。当叠加在反复的冻融循环 [2] 和强烈的地表蒸发 [3] 上时，这种复杂的水文制度驱动了路基土壤内激进的水盐运移。这种动态导致了严重的次生盐渍化 [4], [5]，表现为路基沉降、路面开裂和结构过早失效等持续的工程病害。

目前对盐渍土中水盐运移的理解强调由温度梯度、含水量和溶质浓度控制的热 - 水 - 力 - 化（THMC）耦合机制 [6], [7]。在冻结过程中，温度梯度作为主要驱动力，将液态水和溶解盐推向冻结锋 [8], [9]。随后盐结晶的析出——特别是硫酸盐——改变了土壤孔隙率，并在冷却期间引起显著的结晶驱动变形（盐冻胀），随后在升温时发生融沉 [10], [11], [12]。此外，在非饱和条件下，水汽迁移成为主导传输过程，导致不透水路面层下方水分凝结和冰透镜体形成——这种现象被称为“伞盖效应”或“锅盖效应” [13], [14]。

虽然相变和水汽传输的基本机制已得到充分记录 [15], [16], [17]，但周期性灌溉引入的瞬态边界条件造成了一个关键的知识空白。以前的研究认识到地下水是质量传输的主要载体 [18], [19]；然而，振荡水力梯度（来自漫灌）和热梯度（来自冻融循环）之间的协同相互作用产生了一个高度复杂的多因素耦合系统。在这些双重驱动因素下水和盐重新分布的时空模式尚未完全阐明，严重阻碍了针对绿洲地区定向缓解策略的发展。

传统的路基缓解通常依赖于重力驱动排水管。然而，这些系统从根本上不适合这种动态环境。它们不仅容易淤积 [20]，更重要的是，重力排水完全是被动的，无法抵消将水分和盐分驱入非饱和区的强大向上毛细力和热梯度。为了打破这种迁移路径，需要主动排水干预。毛细土工布呈现出一种有前途的替代方案，利用固有纤维产生高毛细吸力 [21], [22], [23]。通过保持连续的水力梯度主动将水从土壤基质中抽出，这些材料可以克服热驱动的水汽向上迁移。基于这一概念，本研究引入了一种将毛细土工布与传统结构管相结合的复合毛细排水管。

为了解决确定的差距并评估这种新的缓解策略，本研究调查了配备复合毛细排水的绿洲漫灌区盐渍土路基的多场动力学。进行了一系列先进的实验室柱状试验，以模拟地下水位波动，无论是单独的还是耦合冻融循环的，在不同灌溉持续时间下。通过对湿度、盐度、温度和变形的严格时空监测，本研究旨在揭示控制性的 THMC 机制。此外，开发了数值模型来验证实验结果并预测长期路基变形。最终，这项工作为在复杂寒冷地区绿洲环境中设计韧性基础设施提供了必要的定量理论基础和技术参数。

章节片段

材料与方法

通过结合实验室物理模拟和多物理场数值建模，本研究旨在阐明水文学（灌溉引起的）和热（冻融）驱动因素如何相互作用以控制水分和溶质传输，并评估复合毛细排水系统的调节效力。

测试土样。

来自新疆库车（图 1）的土壤样本，一个典型的绿洲漫灌区，其特征为粒径分布、阿特伯格界限和

结果与讨论

地下水位波动模拟试验。

(1) 水分变化

图 7 说明了不同排水材料影响下盐渍土路基内的水分变化。图中的水分变化以体积含水率（VWC）表示，定义为水体积与土壤或多孔介质总体积的比率。在无纺土工布条件下，水分变化保持相对稳定，波动最小

结论

本研究建立了一个全面的热 - 水 - 力 - 化（THMC）耦合框架，以阐明受周期性漫灌和冻融循环影响的盐渍土路基中的水盐运移和变形机制。通过严格的物理建模和连续介质数值模拟，定量评估了复合毛细排水管（CWDP）的调节效力。主要结论如下：

(1) CWDP

CRediT 作者贡献声明

郝志臣：写作 – 回顾与编辑，写作 – 原稿，项目管理，资金获取，数据整理。余泽龙：写作 – 回顾与编辑，监督，方法论，数据整理，概念化。张莎莎：写作 – 回顾与编辑，写作 – 原稿，监督，项目管理，资金获取，形式分析。朱春生：写作 – 原稿，监督，方法论，资金获取，数据整理。朱恒远：监督，

资助

这项研究得到了新疆库莎公路发展有限公司重大科学研究项目（KSGSGCJS-23-ZXFWHT-001）和新疆维吾尔自治区自然科学基金（2020A03003-7）的支持。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本文报告的工作。

郝志臣 | 余泽龙 | 张莎莎 | 朱春生 | 朱恒远

长安大学公路学院，陕西西安 710064，中国