冻土的有效孔隙度直接影响了土体的渗透性,寒区占我国国土面积比例较大,由于寒区特殊的低温环境,使得在寒区开展非饱和冻土有效孔隙度研究的过程中,比较倚重于试验基础。本文主要对有关冻土的水理性质进行研究,尤其是有关非饱和冻土有效孔隙度测定试验的研究进展进行整理。分析得出非饱和冻土有效孔隙度测定试验的试验装置有待改进,试验条件有待完善。

以东北季节性冻土区为参考区,探究非饱和冻土在不同条件下对孔隙度的影响。首先在-5、-10、-15、-20℃时测定出10%含水率下非饱和冻土的孔隙度,探究不同温度对孔隙度的影响;然后在-10℃时分别测定出5%、10%、15%、20%含水率下非饱和冻土的孔隙度,探究不同含水率对孔隙度的影响。得出不同温度下冻土孔隙度基本不发生变化,但是随着含水率的增大冻土孔隙度逐渐减小的规律。

为了明确黑土长期定位试验土壤搬迁后与新址的融合效果,以一个搬迁土块为研究对象,明确搬迁土块间的接缝处土壤与距接缝处不同距离的中心土壤在理化特性上的不同。结果表明,0～20 cm层次土体中心50 cm处的田间持水量比接缝处高5%,容重低4%,变异系数均明显高于其他层次;20～40 cm层次,土壤的固相率和容重高于其他层次,田间持水量降低,土块横切面各部位物理性质均无明显差别;剖面底部80～100 cm层次接缝处土壤松散缝处的固相率比30 cm和土体中心处低4.3%,液相率低3.1%,气相率高出7.6%,容重下降8.3%。0～40 cm土层的缝处、距缝30 cm和距缝50 cm处的孔隙率均低于40～100 cm层次,其中80～100 cm层次的孔隙率最大,20～40cm孔隙率最低为44.2%;土壤饱和导水率0～20 cm层次为35.3～38.0 cm/d,随着深度的加深呈下降趋势,均小于20cm/d;而80～100 cm层次缝处的饱和导水率值高达144.4 cm/d,是表层土壤的4倍。同一层次搬迁土块缝处与土块中心土壤速效养分无明显差别,缝处全氮含量均高于土块的其他位置,且与距缝30 cm...

寒区土壤水文循环过程因冻土层的存在而复杂,冻土层中冰的存在使其水理性质变化引发许多特殊水文现象,在冻土水理性质研究过程中冻土渗透性研究是其中的关键问题之一。为了研究非饱和冻土含冰率和干密度对于非闭合孔隙度及其渗透性的影响,选取不同含冰率（2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%、16%、18%、20%）、试样干密度（1.4×10～3kg/m3、1.5×10～3kg/m3、1.6×10～3kg/m3）作为单因素变量,采用定水位达西试验方法分别进行冻土渗透系数测定试验,开展了非饱和冻土渗透系数测定试验研究。结果表明:非饱和冻土渗透系数及非闭合孔隙度随试样含冰率的增加而变小,随试样干密度增加而变小,变化范围为0.19-0.714及8.55-19.18 m/d。当含冰率为20%、试样干密度为1.6×10～3kg/m3时得到最小非饱和冻土渗透系数为8.55 m/d,最小非闭合孔隙度为0.19。

针对祁连山冻土区DK-4井孔含水合物岩层构建岩石物理模型,分别采用K-T方程模型方法和区分填充模式的等效介质模型方法(模式Ⅰ和模式Ⅱ)。K-T方程主要模拟地震波在两相介质中传播,基于弹性模量计算速度;而等效介质模型主要依据对水合物地层介质的两种假设:模式Ⅰ是将水合物作为孔隙填充物的一部分,模式Ⅱ是将水合物作为岩石骨架的一部分。首先根据粉砂岩层段的测井数据提取了水合物地层骨架的物性参数,包括纵波速度、横波速度、密度、体积模量和剪切模量。然后依据水合物地层各主要成分的物性参数,建立了基于K-T方程的岩石物理模型和区分填充模式的等效介质模型。将两类模型的速度曲线分别与实际地层数据进行了对比:由K-T方程建立的岩石物理模型,其理论计算的速度偏离实际值;而区分填充模式的等效介质模型,其理论计算的速度符合实际值,并且填充模式Ⅱ模型的速度曲线比填充模式Ⅰ模型更接近实际地层情况。采用区分填充模式的等效介质模型,能够更好地实现对祁连山冻土区水合物粉砂岩地层的模拟。

目前,天然气水合物物性认识和资源评价研究都受到了天然岩心来源的极大限制。因此,开发出一套贴近于水合物地层的人造岩心技术特别是基础骨架制备思路显得尤为必要。从实际水合物地层特性出发,选取地质资料丰富、水合物成藏条件良好的美国阿拉斯加北部斜坡冻土区Mount Elbert Unit C-GH1井段地层作为模拟对象,选用石英砂环氧树脂压制胶结岩心方法,通过全面实验分析了影响人造岩心渗透率的主要因素,然后以渗透率和孔隙度为实验指标设计正交实验研究各因素对指标的影响,确定了与目标地层渗透率和孔隙度最为接近的2个配方,并通过力学单轴抗压强度值的比较进一步明确了较优配方。实验研究结果表明,设计的较优配方与目标地层的粒径配比、渗透率、单轴抗压强度和密度基本相同,孔隙度则较为接近,采用这种技术流程可以制备出贴近原位的水合物沉积物骨架。

笔者旨在总结出一套适用于祁连山冻土区地层孔隙度和天然气水合物含量的计算方法。利用2个钻孔的岩芯实验室测试数据,采用多元线性回归方法,得到了适合本地区的孔隙度计算公式。通过参考国内外相关资料,采用修正的阿尔奇公式计算水合物含量,并求得了有测井数据的5个钻孔水合物异常层位的含量值。研究结果表明,三元回归的孔隙度公式比单变量回归的效果好,计算值与岩芯测试数据回归精度达到85%;计算的水合物含量值范围为11.47%81.61%。本次研究成果对未来该地区的天然气水合物测井评价具有一定的参考价值。

油管道运行过程会干扰土壤温度和水分的自然运移,为了使水热迁移对冻土状态施加的扰动更为形象化,对冻土力学变化进行数值分析。对水热迁移引起的冻土骨架、孔隙结构的小范围变化进行分析。根据模拟计算结果,水热迁移对冻土施加的作用直观表现为:在环境气温低的月份,冻土应力增大,应变减小;在环境气温高的月份,冻土应力减小,应变增大;这种趋势源于环境气温变化对管道与冻土交互换热幅度及冻土水热运移状态的改变。本质原因:随温度上升,孔隙内的胶质结构被破坏,孔隙结构被挤压变形,表现为孔隙度、孔径变小,水分运移加速,对冻土骨架产生应力、压力作用,同时降低骨架强度。