何旭濤，林曉波，徐建良，李世強，楊婧荷，徐海寧

(1.國網(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)

0 引言

導(dǎo)熱系數(shù)是土非常重要的一個熱物性參數(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)定性評價和設(shè)計計算的需求，陶兆祥和張景森[1]用比較法測定了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)確測量，開始對鹽漬土、黃土、人工填土等不同類型土的導(dǎo)熱系數(shù)展開了實驗或理論模型的研究，取得了一系列重要成果[2-8]。以往用于實驗的土樣多取自高原、平原、河谷階地等陸地地貌單元，但對于海洋沉積環(huán)境尤其是與人類生產(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，我國海洋工程發(fā)展迅速，海底電纜的安全運行及海上風(fēng)電場選址等使得海洋土的熱穩(wěn)定性越來越受到重視。以海纜為例，若將其視為“熱源”，土壤視為“吸熱器”，運行中產(chǎn)生的所有熱量都通過外部熱環(huán)境到達土壤表面，也由此決定了電纜的外皮溫度。按電力設(shè)計容量，海纜外皮溫度最高可達75～80 ℃，溫度超過此限，不僅會使海纜壽命明顯降低，還可能導(dǎo)致?lián)舸┕收?。因此，無論是計算埋地電纜的載流量，還是確保電纜的安全運行，都需要對埋設(shè)電纜周圍土壤的熱特性有充分了解。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)處于動態(tài)變化中，準(zhǔn)確測量并深入研究其影響因素和變化規(guī)律對理論研究及工程設(shè)計都具有重要意義。

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)等眾多因素均會對其導(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)系方面做過一些有益嘗試。張洪巖[9]通過測定不同埋深(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)查局對西沙和神狐兩個海域16個站位的地溫梯度和原位熱導(dǎo)率進行了測量。這是國內(nèi)學(xué)者首次利用自行研制的Lister型海底原位熱流探針進行測量，也是在南海的首次原位熱流測量，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)少的問題，缺乏不同類型海洋土之間熱物性參數(shù)的橫向?qū)Ρ?，對?dǎo)熱系數(shù)隨深度增大的變化規(guī)律也未給出充分解釋。本研究對在東海陸架海岸帶至淺海海域取得的82個海底表層樣品進行導(dǎo)熱系數(shù)的測定，進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。

1 樣品采集及測試

1.1 樣品來源

沉積物巖芯由“浙漁科2”考察船于2018年5月—8月分2個航次使用CR-I型重力式柱狀取樣器獲得(內(nèi)嵌PVC管直徑65 mm)。28個海底沉積物取樣站位分布于南、北兩條支線上，北線18個，南線10個，取樣深度最大至2.2 m。北線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。巖芯采集過程中沉積物無明顯擾動和缺失，采集后現(xiàn)場密封保存運回實驗室。室內(nèi)測量完不同深度處土樣熱導(dǎo)率后，將樣品縱向切剖，進行巖性描述，并測定相應(yīng)深度土樣的含水量和濕密度，留樣進行激光粒度分析。

圖1 取樣站位分布圖Fig.1 Location of the sampling stations

1.2 實驗原理及方法

當(dāng)前測定土體導(dǎo)熱系數(shù)的方法主要有熱探針法、瞬變平面熱源法及熱平板法?？紤]到熱平板法在測試過程中難以滿足一維導(dǎo)熱，且溫度場達穩(wěn)態(tài)往往需幾個小時，土中水分會在總壓力梯度、溫度梯度和濕度梯度作用下發(fā)生遷移，從而影響實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性；而瞬變平面熱源法對樣品表面的平整度要求較高，故而選擇熱探針法來測定土樣的導(dǎo)熱系數(shù)。熱探針法裝置結(jié)構(gòu)簡單、測試時間短、測量精度較高且不需測定熱流量，是目前認(rèn)可度最高的一種測量方法[11-13]。熱探針法基于一維傳導(dǎo)線熱源理論，忽略探針自身熱容影響及其與待測試樣之間的接觸熱阻，則距離線熱源r處溫度T的變化表達式如下：

(1)

式中：τ為加熱時間，單位：s;q為線加熱功率，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為某點到線熱源的距離；Ei為冪積分函數(shù)?；诖送频玫膶?dǎo)熱系數(shù)表達式為：

(2)

因此，在一定功率下只要測得土樣溫度隨時間的變化，即可求得其導(dǎo)熱系數(shù)。實驗所用儀器為MTN01多功能探針式熱導(dǎo)儀(圖2)，測量周期300 s，測量范圍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(可視為理想線熱源)和1個溫度傳感器組成，直徑3.5 mm，長度120 mm。具體測試步驟為：(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CRU01，設(shè)置“Voltage 3 V”(待測土樣為飽和土?xí)r應(yīng)設(shè)置為4 V)和“Duration 300 s”；(3)選擇“Quick Measurement”，按下“Start”鍵，之后開始60 s的倒計時，在此過程中系統(tǒng)將分析該土樣是否適合進行熱參數(shù)的測量；(4)系統(tǒng)接受熱導(dǎo)率測量后，再次按下“Start”鍵；(5)300 s的測量周期結(jié)束后，屏幕上將出現(xiàn)熱導(dǎo)率的值以及此次測量的標(biāo)準(zhǔn)差(應(yīng)小于0.1，否則需再次測量)；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

2 實驗結(jié)果

2.1 不同類型海洋土的導(dǎo)熱系數(shù)

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命名均采用Folk無礫沉積物分類法(圖3)。根據(jù)激光粒度測試結(jié)果，按照Folk分類圖解，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是對研究區(qū)82個原狀土樣導(dǎo)熱系數(shù)及激光粒度測試結(jié)果的統(tǒng)計。以平均值來看，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的排序為：砂質(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。即對于含砂量小于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，而一旦含砂量超過此值，土的分選情況開始對其導(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Tab.1 Statistical results of the thermal conductivities and grain size parameters of the sediments in the study area

2.2 海洋土導(dǎo)熱系數(shù)的空間變化規(guī)律

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)注的一個問題。為此我們分別選取了北線18個站位以及南線10個站位沉積物巖芯0.2、1.0和1.8 m深度處的導(dǎo)熱系數(shù)進行對比，部分站位缺少1.8 m處的數(shù)據(jù)(圖4)。

圖4 北線(a)及南線(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)

除南線前6個站位土的導(dǎo)熱系數(shù)基本隨深度增加而增大外，研究區(qū)其余22個站位導(dǎo)熱系數(shù)未顯示出與深度的相關(guān)性。北線相鄰層位間導(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。為方便對比，將這4個層位土樣的基本物理性質(zhì)列于表2。

表2 N-7站和S-7站實驗土樣物理性質(zhì)Tab.2 Physical properties of soils from N-7 station and S-7 station

對于N-7和S-7這兩個導(dǎo)熱系數(shù)發(fā)生劇烈變化的站位而言，土質(zhì)類型接近，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。這組實驗結(jié)果充分說明了含水量以及干密度對海洋土的導(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，會造成導(dǎo)熱系數(shù)的增大。

2.2.2 橫向分布

研究區(qū)28個站位自西向東穿越了東海陸架上3個不同的沉積區(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1～5號站和南線1、2號站位于此區(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)，但南線的2個站位海床土的導(dǎo)熱系數(shù)明顯高于北線(圖4)。

(2)混合沉積區(qū):位于長江三角洲沉積區(qū)外緣，是長江擴散的懸浮物與陸架砂的混合沉積，實際上是現(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)粒兩類沉積區(qū)之間，多為強、弱水動力環(huán)境的混合區(qū)域。北線6～9號站和南線3～6號站位于此區(qū)，沉積物類型以砂質(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期間的濱岸殘留沉積物，其表面受海洋動力改造而顯示出混雜堆積的改造沉積特征。北線10～18號站和南線7～10號站位于此區(qū)，泥質(zhì)砂為最主要的沉積物類型，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)呈波動式上升，個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，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)類型及物理性質(zhì)所控制。即便地處同一個沉積區(qū)，沉積物類型相近，也會因含水量、密實度等細(xì)微的差別而造成導(dǎo)熱系數(shù)的突變。

3 討論

Folk沉積物分類法的主要依據(jù)是粒級組成，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。為何含砂量會對土的導(dǎo)熱性能有如此顯著的影響呢？我們認(rèn)為對于通常處于飽和甚至過飽和狀態(tài)的海洋土而言，含水量對土傳熱機制的影響微乎其微，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]曾用實驗驗證了增加含砂量可以使混合材料的導(dǎo)熱系數(shù)呈增長趨勢?？梢娺@一規(guī)律對海洋土同樣適用，只是當(dāng)含砂量超過10%后增速變緩。而對于砂質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)砂、泥質(zhì)砂和砂質(zhì)泥這4種粒級組成相對接近的土所表現(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)。一般水動力較強的情況下，細(xì)粒物質(zhì)被搬運走，留下粒徑相對接近的粗粒物質(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28個取樣站位土體導(dǎo)熱系數(shù)在橫向以及垂向的對比可以發(fā)現(xiàn)，水深、埋深、離岸遠(yuǎn)近這些因素對海床土的導(dǎo)熱系數(shù)并無影響。

雖然對土熱物性的關(guān)注始于工程設(shè)計需要，但后來的研究卻較少將工程地質(zhì)條件考慮在內(nèi)。實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)使其強度降低外，也對其熱穩(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)的研究對工程實踐有更重要的意義。雖然在本文測量的82個樣品中低含水量只出現(xiàn)在個別站位，但海纜周圍土體的熱穩(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，在電纜工程設(shè)計中應(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題：(1)取樣站位沒有覆蓋到閩浙沿岸泥質(zhì)區(qū)和長江口泥質(zhì)區(qū)，導(dǎo)致泥質(zhì)沉積物樣品數(shù)過少；(2)開樣過程中可見淺海區(qū)域土樣受生物擾動作用明顯，許多巖芯含有貝殼碎屑。針對生物碎屑對土體導(dǎo)熱系數(shù)的影響并未進行專門的實驗研究；(3)樣品運輸及存放過程中土樣的擾動及水分蒸發(fā)難以避免，室內(nèi)測得的導(dǎo)熱系數(shù)與原位狀態(tài)仍存在差異。

4 結(jié)論

本文采用熱探針法對在杭州灣以東陸架區(qū)取得的28個海底表層柱狀樣不同層位的導(dǎo)熱系數(shù)進行了測定，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。實驗結(jié)果表明，含砂量對海底表層土導(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10%的土呈現(xiàn)出分選越好導(dǎo)熱系數(shù)越大的趨勢。

(2)土質(zhì)類型相同時，含水量和干密度均對其導(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。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。