何旭濤,林曉波,徐建良,李世強(qiáng),楊婧荷,徐海寧
(1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司 舟山供電公司,浙江 舟山 316021;2.自然資源部 第二海洋研究所,浙江 杭州 310012)
導(dǎo)熱系數(shù)是土非常重要的一個(gè)熱物性參數(shù),其大小反映了表層土受熱后土體溫度增加的難易程度。20世紀(jì)80年代,出于凍土地區(qū)工程設(shè)施穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)計(jì)算的需求,陶兆祥和張景森[1]用比較法測(cè)定了5種融(凍)土的導(dǎo)熱系數(shù),并分析了溫度和含水量的影響。之后學(xué)者們基于土體熱物性參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量,開(kāi)始對(duì)鹽漬土、黃土、人工填土等不同類(lèi)型土的導(dǎo)熱系數(shù)展開(kāi)了實(shí)驗(yàn)或理論模型的研究,取得了一系列重要成果[2-8]。以往用于實(shí)驗(yàn)的土樣多取自高原、平原、河谷階地等陸地地貌單元,但對(duì)于海洋沉積環(huán)境尤其是與人類(lèi)生產(chǎn)生活密切相關(guān)的海岸帶及淺海環(huán)境下土體熱性能的研究甚少。
近年來(lái),我國(guó)海洋工程發(fā)展迅速,海底電纜的安全運(yùn)行及海上風(fēng)電場(chǎng)選址等使得海洋土的熱穩(wěn)定性越來(lái)越受到重視。以海纜為例,若將其視為“熱源”,土壤視為“吸熱器”,運(yùn)行中產(chǎn)生的所有熱量都通過(guò)外部熱環(huán)境到達(dá)土壤表面,也由此決定了電纜的外皮溫度。按電力設(shè)計(jì)容量,海纜外皮溫度最高可達(dá)75~80 ℃,溫度超過(guò)此限,不僅會(huì)使海纜壽命明顯降低,還可能導(dǎo)致?lián)舸┕收?。因此,無(wú)論是計(jì)算埋地電纜的載流量,還是確保電纜的安全運(yùn)行,都需要對(duì)埋設(shè)電纜周?chē)寥赖臒崽匦杂谐浞至私?。但由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性,包括泥沙沖淤變化及淺層氣、液化塌陷、碎屑流等地質(zhì)災(zāi)害的影響都使得海床土體的導(dǎo)熱系數(shù)處于動(dòng)態(tài)變化中,準(zhǔn)確測(cè)量并深入研究其影響因素和變化規(guī)律對(duì)理論研究及工程設(shè)計(jì)都具有重要意義。
土的三相指標(biāo)、微觀結(jié)構(gòu)和外部環(huán)境的物理性質(zhì)等眾多因素均會(huì)對(duì)其導(dǎo)熱系數(shù)產(chǎn)生影響,包括含水量、孔隙比、干密度、含鹽成分及含量、溫度等。前人在海洋土導(dǎo)熱系數(shù)與溫度、空間分布等外因之間的關(guān)系方面做過(guò)一些有益嘗試。張洪巖[9]通過(guò)測(cè)定不同埋深(3、5和8 m)處海濱淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的導(dǎo)熱系數(shù),指出該區(qū)域土體導(dǎo)熱系數(shù)隨深度增加而增大,且在20~48 ℃范圍內(nèi),溫度對(duì)土樣導(dǎo)熱系數(shù)的影響微乎其微。2008—2009年廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局對(duì)西沙和神狐兩個(gè)海域16個(gè)站位的地溫梯度和原位熱導(dǎo)率進(jìn)行了測(cè)量。這是國(guó)內(nèi)學(xué)者首次利用自行研制的Lister型海底原位熱流探針進(jìn)行測(cè)量,也是在南海的首次原位熱流測(cè)量,此次調(diào)查得出了熱導(dǎo)率隨深度而增大的結(jié)論[10]。這些研究皆存在樣品數(shù)少的問(wèn)題,缺乏不同類(lèi)型海洋土之間熱物性參數(shù)的橫向?qū)Ρ龋瑢?duì)導(dǎo)熱系數(shù)隨深度增大的變化規(guī)律也未給出充分解釋。本研究對(duì)在東海陸架海岸帶至淺海海域取得的82個(gè)海底表層樣品進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定,進(jìn)一步探究海洋土的這一熱物性參數(shù)隨粒度和空間的變化規(guī)律。
沉積物巖芯由“浙漁科2”考察船于2018年5月—8月分2個(gè)航次使用CR-I型重力式柱狀取樣器獲得(內(nèi)嵌PVC管直徑65 mm)。28個(gè)海底沉積物取樣站位分布于南、北兩條支線(xiàn)上,北線(xiàn)18個(gè),南線(xiàn)10個(gè),取樣深度最大至2.2 m。北線(xiàn)西起杭州灣灣口北岸的臨港(30.84°N,121.93°E),在馬鞍列島北部轉(zhuǎn)向東南,最遠(yuǎn)至(29.17°N, 124.81°E)。南線(xiàn)西起舟山東港(30.07°N, 122.35°E)。調(diào)查區(qū)域自海岸帶向淺海陸棚依次穿過(guò)了杭州灣沉積區(qū)、混合沉積區(qū)及東海陸架砂質(zhì)沉積區(qū),水深自8.9 m至93.4 m。巖芯采集過(guò)程中沉積物無(wú)明顯擾動(dòng)和缺失,采集后現(xiàn)場(chǎng)密封保存運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。室內(nèi)測(cè)量完不同深度處土樣熱導(dǎo)率后,將樣品縱向切剖,進(jìn)行巖性描述,并測(cè)定相應(yīng)深度土樣的含水量和濕密度,留樣進(jìn)行激光粒度分析。
圖1 取樣站位分布圖Fig.1 Location of the sampling stations
當(dāng)前測(cè)定土體導(dǎo)熱系數(shù)的方法主要有熱探針?lè)?、瞬變平面熱源法及熱平板法??紤]到熱平板法在測(cè)試過(guò)程中難以滿(mǎn)足一維導(dǎo)熱,且溫度場(chǎng)達(dá)穩(wěn)態(tài)往往需幾個(gè)小時(shí),土中水分會(huì)在總壓力梯度、溫度梯度和濕度梯度作用下發(fā)生遷移,從而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性;而瞬變平面熱源法對(duì)樣品表面的平整度要求較高,故而選擇熱探針?lè)▉?lái)測(cè)定土樣的導(dǎo)熱系數(shù)。熱探針?lè)ㄑb置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)試時(shí)間短、測(cè)量精度較高且不需測(cè)定熱流量,是目前認(rèn)可度最高的一種測(cè)量方法[11-13]。熱探針?lè)ɑ谝痪S傳導(dǎo)線(xiàn)熱源理論,忽略探針自身熱容影響及其與待測(cè)試樣之間的接觸熱阻,則距離線(xiàn)熱源r處溫度T的變化表達(dá)式如下:
(1)
式中:τ為加熱時(shí)間,單位:s;q為線(xiàn)加熱功率,單位:W·m-1;λ為土樣導(dǎo)熱系數(shù),單位:W·m-1·K-1;a為導(dǎo)溫系數(shù),單位:m2·s-1;r為某點(diǎn)到線(xiàn)熱源的距離;Ei為冪積分函數(shù)?;诖送频玫膶?dǎo)熱系數(shù)表達(dá)式為:
(2)
因此,在一定功率下只要測(cè)得土樣溫度隨時(shí)間的變化,即可求得其導(dǎo)熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)所用儀器為MTN01多功能探針式熱導(dǎo)儀(圖2),測(cè)量周期300 s,測(cè)量范圍0.1~6 W·m-1·K-1,精度±6%+0.04 W·m-1·K-1。熱導(dǎo)儀的探針(TP07)由1根加熱線(xiàn)(可視為理想線(xiàn)熱源)和1個(gè)溫度傳感器組成,直徑3.5 mm,長(zhǎng)度120 mm。具體測(cè)試步驟為:(1)將熱探針TP07自土體中央垂直插入并固定,保證探針與土的良好接觸;(2)啟動(dòng)CRU01,設(shè)置“Voltage 3 V”(待測(cè)土樣為飽和土?xí)r應(yīng)設(shè)置為4 V)和“Duration 300 s”;(3)選擇“Quick Measurement”,按下“Start”鍵,之后開(kāi)始60 s的倒計(jì)時(shí),在此過(guò)程中系統(tǒng)將分析該土樣是否適合進(jìn)行熱參數(shù)的測(cè)量;(4)系統(tǒng)接受熱導(dǎo)率測(cè)量后,再次按下“Start”鍵;(5)300 s的測(cè)量周期結(jié)束后,屏幕上將出現(xiàn)熱導(dǎo)率的值以及此次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差(應(yīng)小于0.1,否則需再次測(cè)量);重復(fù)上述步驟。
①探針TP07; ② 插入裝置; ③ 控制和讀出單元CRU01圖2 MTN01多功能探針式熱導(dǎo)儀組成及使用示意圖Fig.2 Composition and usage of MTN01
調(diào)查范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)含礫沉積物,本研究中原狀土的分類(lèi)命名均采用Folk無(wú)礫沉積物分類(lèi)法(圖3)。根據(jù)激光粒度測(cè)試結(jié)果,按照Folk分類(lèi)圖解,研究區(qū)共分布有6種土:粉砂質(zhì)砂(zS)、泥質(zhì)砂(mS)、砂質(zhì)粉砂(sZ)、粉砂(Z)、砂質(zhì)泥(sM)和泥(M)。
表1是對(duì)研究區(qū)82個(gè)原狀土樣導(dǎo)熱系數(shù)及激光粒度測(cè)試結(jié)果的統(tǒng)計(jì)。以平均值來(lái)看,這6種土的導(dǎo)熱系數(shù)由大到小依次排序是:砂質(zhì)粉砂 > 粉砂質(zhì)砂 > 泥質(zhì)砂 > 砂質(zhì)泥 > 粉砂 > 泥。其中,粉砂和泥的導(dǎo)熱系數(shù)值明顯要小于其他4種土,低12%~25%。從Folk三角分類(lèi)圖解可以發(fā)現(xiàn)這2種土砂組分的含量均小于10%(圖3)。而僅就土顆粒而言,導(dǎo)熱系數(shù)由大至小依次是砂>粉砂>黏土,因此,導(dǎo)熱系數(shù)在不同類(lèi)型海床土之間的差別很大程度上可能是由土中含砂量的差異造成的。此外,土樣的分選程度也對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)有一定影響。除粉砂和泥外,其余4種土的分選系數(shù)σ的排序?yàn)椋荷百|(zhì)粉砂 < 粉砂質(zhì)砂 <泥質(zhì)砂 < 砂質(zhì)泥,呈現(xiàn)出分選越好導(dǎo)熱系數(shù)越大的趨勢(shì)。即對(duì)于含砂量小于10%的土而言,粒度是制約其導(dǎo)熱系數(shù)增大的最主要因素,而一旦含砂量超過(guò)此值,土的分選情況開(kāi)始對(duì)其導(dǎo)熱性能產(chǎn)生影響。
圖3 研究區(qū)表層沉積物粒度的Folk分類(lèi)Fig.3 Classification of the sediments in the study area by Folk
表1 研究區(qū)6種土導(dǎo)熱系數(shù)及粒度參數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistical results of the thermal conductivities and grain size parameters of the sediments in the study area
2.2.1 垂向變化
海洋土的導(dǎo)熱系數(shù)隨其埋藏深度的變化規(guī)律一直是海底地?zé)嵫芯考昂Q蠊こ桃?guī)劃十分關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題。為此我們分別選取了北線(xiàn)18個(gè)站位以及南線(xiàn)10個(gè)站位沉積物巖芯0.2、1.0和1.8 m深度處的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行對(duì)比,部分站位缺少1.8 m處的數(shù)據(jù)(圖4)。
圖4 北線(xiàn)(a)及南線(xiàn)(b)各站位不同深度土的導(dǎo)熱系數(shù)Fig.4 Thermal conductivities of soils at different depths of sampling stations in the northern line(a) and the southern line(b)
除南線(xiàn)前6個(gè)站位土的導(dǎo)熱系數(shù)基本隨深度增加而增大外,研究區(qū)其余22個(gè)站位導(dǎo)熱系數(shù)未顯示出與深度的相關(guān)性。北線(xiàn)相鄰層位間導(dǎo)熱系數(shù)的差值介于0.01~0.81 W·m-1·K-1之間,最大差值出現(xiàn)在N-7站的0.2 m和1.0 m之間。南線(xiàn)相鄰層位間導(dǎo)熱系數(shù)差值介于0.01~1.05 W·m-1·K-1之間,最大差值出現(xiàn)在S-7站的1.0 m和1.8 m之間。為方便對(duì)比,將這4個(gè)層位土樣的基本物理性質(zhì)列于表2。
表2 N-7站和S-7站實(shí)驗(yàn)土樣物理性質(zhì)Tab.2 Physical properties of soils from N-7 station and S-7 station
對(duì)于N-7和S-7這兩個(gè)導(dǎo)熱系數(shù)發(fā)生劇烈變化的站位而言,土質(zhì)類(lèi)型接近,但決定土體熱性能的關(guān)鍵因素卻有所不同。N-7站0.2 m和1.0 m處土的干密度幾乎相同,而含水量則相差11.54%,使得含水量更高的1.0 m深度處的土樣導(dǎo)熱系數(shù)高了0.81 W·m-1·K-1;相反,S-7站兩層位土的含水量接近,但干密度相差0.25 g/cm3,造成1.0 m深度處的土樣導(dǎo)熱系數(shù)比1.8 m處高了1.05 W·m-1·K-1。這組實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分說(shuō)明了含水量以及干密度對(duì)海洋土的導(dǎo)熱系數(shù)有著不可忽視的影響。水不僅能減小礦物顆粒間的接觸熱阻,還會(huì)填充到土顆粒間成為持續(xù)的媒介,因此越是潮濕的土往往有著越強(qiáng)的有效熱傳導(dǎo)能力。而干密度的增大意味著單位體積土中有效傳熱介質(zhì)的增多,土骨架聯(lián)結(jié)更緊密,會(huì)造成導(dǎo)熱系數(shù)的增大。
2.2.2 橫向分布
研究區(qū)28個(gè)站位自西向東穿越了東海陸架上3個(gè)不同的沉積區(qū),因此海底表層土導(dǎo)熱系數(shù)的橫向變化也必須聯(lián)系其所處沉積環(huán)境來(lái)討論。
(1)杭州灣沉積區(qū):位于金山嘴-崎嶇列島西南海域,沉積物以粉砂為主。北線(xiàn)1~5號(hào)站和南線(xiàn)1、2號(hào)站位于此區(qū),表層土導(dǎo)熱系數(shù)介于0.7~1.83 W·m-1·K-1之間,平均為1.25 W·m-1·K-1。由于杭州灣南岸受落潮流影響最大,沉積物明顯粗化[14],因此雖處同一沉積區(qū),但南線(xiàn)的2個(gè)站位海床土的導(dǎo)熱系數(shù)明顯高于北線(xiàn)(圖4)。
(2)混合沉積區(qū):位于長(zhǎng)江三角洲沉積區(qū)外緣,是長(zhǎng)江擴(kuò)散的懸浮物與陸架砂的混合沉積,實(shí)際上是現(xiàn)代淺海區(qū)的一種風(fēng)暴沉積物,主要出現(xiàn)在粗粒和細(xì)粒兩類(lèi)沉積區(qū)之間,多為強(qiáng)、弱水動(dòng)力環(huán)境的混合區(qū)域。北線(xiàn)6~9號(hào)站和南線(xiàn)3~6號(hào)站位于此區(qū),沉積物類(lèi)型以砂質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)砂為主,還有少量粉砂及泥質(zhì)砂,該區(qū)土的導(dǎo)熱系數(shù)介于0.9~2.53 W·m-1·K-1之間,平均為1.45 W·m-1·K-1。
(3)陸架砂質(zhì)沉積區(qū):位于混合沉積區(qū)外側(cè)的陸架區(qū),沉積物以砂為主。陸架砂是冰后期海進(jìn)期間的濱岸殘留沉積物,其表面受海洋動(dòng)力改造而顯示出混雜堆積的改造沉積特征。北線(xiàn)10~18號(hào)站和南線(xiàn)7~10號(hào)站位于此區(qū),泥質(zhì)砂為最主要的沉積物類(lèi)型,導(dǎo)熱系數(shù)介于1.05~2.65 W·m-1·K-1之間,平均為 1.46 W·m-1·K-1。
自海岸帶到淺海陸架區(qū),隨沉積物粒度的粗化,導(dǎo)熱系數(shù)呈波動(dòng)式上升,個(gè)別站位由于泥層的出現(xiàn),整體或某一層位導(dǎo)熱系數(shù)表現(xiàn)為“異常低值”,如N-5、N-16和S-3站。此外,N-13站整體導(dǎo)熱系數(shù)的降低主要是由于該處土體含水量比附近站位都低。S-5和S-8站導(dǎo)熱系數(shù)的低值均是由于土體干密度低所致。由此可見(jiàn),海床土導(dǎo)熱系數(shù)隨空間分布的變化主要還是受土質(zhì)類(lèi)型及物理性質(zhì)所控制。即便地處同一個(gè)沉積區(qū),沉積物類(lèi)型相近,也會(huì)因含水量、密實(shí)度等細(xì)微的差別而造成導(dǎo)熱系數(shù)的突變。
Folk沉積物分類(lèi)法的主要依據(jù)是粒級(jí)組成,因此表1反映出的研究區(qū)6種土導(dǎo)熱系數(shù)間的差別也主要是粒度分異所致。細(xì)粒的粉砂和泥表現(xiàn)出了比其余4種粗粒土明顯更低的導(dǎo)熱系數(shù)。即便同為砂質(zhì)粉砂,含砂量相差10.207%的S-7站兩個(gè)不同深度土樣也出現(xiàn)了研究區(qū)垂向土熱導(dǎo)率的最大差值1.05 W·m-1·K-1。為何含砂量會(huì)對(duì)土的導(dǎo)熱性能有如此顯著的影響呢?我們認(rèn)為對(duì)于通常處于飽和甚至過(guò)飽和狀態(tài)的海洋土而言,含水量對(duì)土傳熱機(jī)制的影響微乎其微,能提高土導(dǎo)熱系數(shù)最有效的方法即為增大其中固體導(dǎo)熱所占比例。莊迎春 等[15]曾用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了增加含砂量可以使混合材料的導(dǎo)熱系數(shù)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。可見(jiàn)這一規(guī)律對(duì)海洋土同樣適用,只是當(dāng)含砂量超過(guò)10%后增速變緩。而對(duì)于砂質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)砂、泥質(zhì)砂和砂質(zhì)泥這4種粒級(jí)組成相對(duì)接近的土所表現(xiàn)出的導(dǎo)熱系數(shù)與分選系數(shù)之間的相關(guān)性,筆者認(rèn)為也和粒度有關(guān)。一般水動(dòng)力較強(qiáng)的情況下,細(xì)粒物質(zhì)被搬運(yùn)走,留下粒徑相對(duì)接近的粗粒物質(zhì),分選就要好一些,相應(yīng)地也擁有了良好的導(dǎo)熱性能。此外,通過(guò)28個(gè)取樣站位土體導(dǎo)熱系數(shù)在橫向以及垂向的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),水深、埋深、離岸遠(yuǎn)近這些因素對(duì)海床土的導(dǎo)熱系數(shù)并無(wú)影響。
雖然對(duì)土熱物性的關(guān)注始于工程設(shè)計(jì)需要,但后來(lái)的研究卻較少將工程地質(zhì)條件考慮在內(nèi)。實(shí)際海底工程可能遇到的滑坡、淺層氣、差異侵蝕、液化塌陷、碎屑流等災(zāi)害地質(zhì)現(xiàn)象除改變土體原有結(jié)構(gòu)使其強(qiáng)度降低外,也對(duì)其熱穩(wěn)定性產(chǎn)生了深刻影響。正是由于海床土所處外部環(huán)境的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性,比起重塑土,原狀土熱物性參數(shù)的研究對(duì)工程實(shí)踐有更重要的意義。雖然在本文測(cè)量的82個(gè)樣品中低含水量只出現(xiàn)在個(gè)別站位,但海纜周?chē)馏w的熱穩(wěn)定性必須引起格外重視[16-19]。尤其是在混合沉積區(qū)及其以東的陸架砂質(zhì)沉積區(qū),廣泛分布有泥質(zhì)砂,其導(dǎo)熱系數(shù)有因失水而急劇降低的風(fēng)險(xiǎn),在電纜工程設(shè)計(jì)中應(yīng)予以密切關(guān)注。
受技術(shù)手段所限,本文的研究還存在以下問(wèn)題:(1)取樣站位沒(méi)有覆蓋到閩浙沿岸泥質(zhì)區(qū)和長(zhǎng)江口泥質(zhì)區(qū),導(dǎo)致泥質(zhì)沉積物樣品數(shù)過(guò)少;(2)開(kāi)樣過(guò)程中可見(jiàn)淺海區(qū)域土樣受生物擾動(dòng)作用明顯,許多巖芯含有貝殼碎屑。針對(duì)生物碎屑對(duì)土體導(dǎo)熱系數(shù)的影響并未進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗(yàn)研究;(3)樣品運(yùn)輸及存放過(guò)程中土樣的擾動(dòng)及水分蒸發(fā)難以避免,室內(nèi)測(cè)得的導(dǎo)熱系數(shù)與原位狀態(tài)仍存在差異。
本文采用熱探針?lè)▽?duì)在杭州灣以東陸架區(qū)取得的28個(gè)海底表層柱狀樣不同層位的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了測(cè)定,得到以下結(jié)論:
(1)研究區(qū)6種海底表層土導(dǎo)熱系數(shù)的平均值從大到小依次是:砂質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)砂、泥質(zhì)砂、砂質(zhì)泥、粉砂和泥。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,含砂量對(duì)海底表層土導(dǎo)熱系數(shù)影響較大。含砂量小于10%的粉砂和泥的導(dǎo)熱系數(shù)與其余4種土有較大差距,而含砂量超過(guò)10%的土呈現(xiàn)出分選越好導(dǎo)熱系數(shù)越大的趨勢(shì)。
(2)土質(zhì)類(lèi)型相同時(shí),含水量和干密度均對(duì)其導(dǎo)熱系數(shù)有顯著影響。在含水量相當(dāng)?shù)那闆r下,土的干密度越大,導(dǎo)熱系數(shù)就越大。同樣,干密度相近的情況下,有更高含水量的土導(dǎo)熱系數(shù)更大。
(3)研究區(qū)自海岸帶至淺海陸棚,海洋土導(dǎo)熱系數(shù)整體呈增大趨勢(shì)。杭州灣沉積區(qū)、混合沉積區(qū)和陸架砂質(zhì)沉積區(qū)表層土導(dǎo)熱系數(shù)的平均值依次是1.25,1.45 和1.46 W·m-1·K-1。2 m深度范圍內(nèi)土體導(dǎo)熱系數(shù)的變化在0.01~1.05 W·m-1·K-1之間。但水深及埋深等空間分布因素并不是影響海洋土導(dǎo)熱系數(shù)的直接原因。