技术特征：
1.一种黑土地融雪内涝防治的田间填换方法，其特征在于，包括以下步骤：获取填换棒的填换位置，确定填换棒的填换方式；计算田间土体的冻结温度变化值；基于所述冻结温度变化值调控生物炭棒中的生物炭掺量；计算所述田间土体的等效饱和渗透系数，并基于微观原理得出孔径与所述冻结温度、所述等效饱和渗透系数的关系；基于孔径与所述冻结温度、所述饱和渗透系数的关系，确定所述生物炭掺量的范围，并设计生物炭棒的填换结构。2.根据权利要求1所述的黑土地融雪内涝防治的田间填换方法，其特征在于，获取填换棒的填换位置的过程包括：对所述田间土体进行水热耦合数值分析和田间工程实测，并结合土体冻结情况，获取所述填换位置，所述填换位置贯通所述田间土体的冻融层和未冻层。3.根据权利要求1所述的黑土地融雪内涝防治的田间填换方法，其特征在于，确定填换棒的填换方式的过程包括：基于所述田间土体的地层条件及现有工程措施，采用开挖式或非开挖式施工处理；所述开挖式施工采用预先钻孔法埋入式桩进行冻结缘区土体的填换，根据填换深度，采用螺旋钻机、杆式钻机相组合，钻孔同时排土，并从钻头喷出钻进液；控制钻进速度为钻杆圆周速度的1/40～1/20，直至钻进预定土层，回转钻杆并缓慢上拔钻杆，将预制填换棒体插入孔内并锚固在棒端持力层，用钻机的装置棒压入或用锤打入，回填田间原状土；所述非开挖式施工采用夯管施工法，夯管锤的冲击力直接作用于钢管的后端，通过钢管传递到前端的管鞋上切削土体，并克服土层于管体之间的摩擦力使钢管不断进入土层；待钢管全部夯入后，用压气、高压水射流或螺旋钻杆等方法将土排出，将预制填换棒体插入孔内并锚固在棒端持力层，用钻机的装置棒压入或用锤打入，回填田间原状土。4.根据权利要求1所述的黑土地融雪内涝防治的田间填换方法，其特征在于，计算田间土体的冻结温度变化值的方法为：其中，t0为水的冻结温度；δh为相变潜热；γ
sl
为固-液界面能；υ为孔隙介质摩尔体积；ξ为未冻水膜与孔径相对距离；s和v分别为孔隙表面积和孔隙体积。5.根据权利要求1所述的黑土地融雪内涝防治的田间填换方法，其特征在于，计算田间土体的等效饱和渗透系数的方法包括：田间土体的基质由连通的孔隙形成渗透通道，根据达西定律及流体力学达西公式得出饱和渗透系数与孔径关系，并基于所述田间土体的渗流速度、水力坡度、水头损失计算生物炭棒的饱和渗透系数：基于所述田间土体的渗透流量、等效孔隙面积、土样横截面积计算所述田间土体的饱和土体渗透系数；基于生物炭棒布设总面积、未布设生物炭面积、生物炭棒饱和渗透系数、田间原状土饱和渗透系数计算所述田间土体的等效垂直渗透系数；
基于水流连续性及达西定律，将所述田间土体概化为两层土层，基于田间各土层厚度、生物炭棒布设厚度、田间各土层等效饱和渗透系数、田间及改良区饱和渗透系数计算各层损失水头及水力坡降，获得所述田间土体整体的等效饱和渗透系数。6.根据权利要求1所述的黑土地融雪内涝防治的田间填换方法，其特征在于，基于孔径与所述冻结温度、所述饱和渗透系数的关系，确定所述生物炭掺量的范围的过程包括：对不同掺量生物炭混合土样进行低温冷浴试验测定土样冻结温度，选择所述土样冻结温度低于所述田间土样的生物炭掺量作为填换材料。7.根据权利要求1所述的黑土地融雪内涝防治的田间填换方法，其特征在于，设计生物炭棒的填换结构的过程包括：设定单位面积内布设的生物炭半径，计算满足田间排水系统的生物炭棒高度，结合田间实际土层深度，设计生物炭棒的填换结构。8.根据权利要求7所述的黑土地融雪内涝防治的田间填换方法，其特征在于，计算满足田间排水系统的的生物炭棒高度的过程包括：基于生物炭棒饱和渗透系数、田间原状土饱和渗透系数与生物炭半径计算生物炭棒填换层的等效渗透系数；基于所述等效饱和渗透系数、田间原状土饱和渗透系数、生物炭棒填换层的等效渗透系数、田间实际土层深度计算生物炭棒的填换高度。
技术总结
本发明公开了一种黑土地融雪内涝防治的田间填换方法，包括：获取填换棒的填换位置，确定填换棒的填换方式；计算田间土体的冻结温度变化值；基于冻结温度变化值调控生物炭棒中的生物炭掺量；计算田间土体的等效饱和渗透系数，并基于微观原理得出孔径与冻结温度、等效饱和渗透系数的关系；确定生物炭掺量的范围，并设计生物炭棒的填换结构。本发明选取生物炭作为换填材料，通过试验调控、优化得出生物炭与田间土壤掺量。根据满足融期换填料的生物炭棒参数，设计出换填的生物炭棒结构尺寸。设计研发的生物炭棒换填部位的冻结温度低，能够提前形成排出融水的渗透通道。加之生物炭渗透性能好，可使换填部位自动形成的优良排水结构。可使换填部位自动形成的优良排水结构。可使换填部位自动形成的优良排水结构。
技术研发人员：王正中 薛博祥 江浩源 宋昊奇 蔡文俊 黄志鸿 刘叶聪 冯文涛
受保护的技术使用者：西北农林科技大学
技术研发日：2022.05.27
技术公布日：2022/10/3