土壤構(gòu)造對(duì)毛細(xì)管水上升影響的研究

張 平，吳 昊，殷洪建，李寶剛，王海坤

(沈陽(yáng)大學(xué)建筑工程學(xué)院，沈陽(yáng)110044)

在土壤中未充滿(mǎn)水的毛細(xì)孔隙中，由于存在液體彎月面的表面張力，形成毛細(xì)管水，其形成過(guò)程通常用物理學(xué)中毛細(xì)管現(xiàn)象解釋。若這種力處于不平衡狀態(tài)，會(huì)使毛細(xì)管水運(yùn)動(dòng);若這種力處于平衡狀態(tài)，則使毛細(xì)管水保持在土壤的孔隙中。分布在土壤內(nèi)部相互貫通的孔隙，可以看成是許多形狀不一、直徑各異、彼此連通的毛細(xì)管[1]。

毛細(xì)管水的上升高度和上升速度與很多因素有關(guān)，其中土壤顆粒愈細(xì)，毛細(xì)管水上升高度愈大，另外也與土壤中孔隙的大小和形狀、土壤顆粒礦物成分以及水的性質(zhì)有關(guān)[2]。有關(guān)毛細(xì)管水上升的高度以及上升規(guī)律的研究，對(duì)建筑工程防潮、防滲、土的強(qiáng)度、農(nóng)業(yè)上降水入滲、土壤水的變化都有重要的意義。目前對(duì)毛細(xì)管水上升規(guī)律的研究較多，且不同夾層土壤對(duì)毛細(xì)管水上升速度的影響已經(jīng)有了定論，但對(duì)毛細(xì)管水上升的最大高度問(wèn)題還存在著較大的分歧[3]。本文是針對(duì)土壤構(gòu)造對(duì)毛細(xì)管水上升的影響，以及毛細(xì)管水上升過(guò)程中不同時(shí)期上升速度的變化規(guī)律進(jìn)行實(shí)測(cè)研究，以揭示土壤構(gòu)造對(duì)毛細(xì)管水上升速度和高度的影響規(guī)律，為毛細(xì)管水的研究提供參考。

1 試樣制備和試驗(yàn)方法

取樣地點(diǎn)位于沈陽(yáng)大學(xué)校園內(nèi)，距地表深度2-2.5 m的中砂層。土樣經(jīng)自然風(fēng)干后，測(cè)其含水量為1.65%。篩分分成粒徑為:0.5～0.25 mm、＜0.1 mm二組，然后再配置成各類(lèi)試驗(yàn)土樣。

設(shè)計(jì)3組不同構(gòu)造毛細(xì)管水上升試驗(yàn)。第一組由5件試樣組成，試樣1為粒徑0.5～0.25 mm均勻土樣;試樣2由下而上分別為粒徑小于0.1 mm的細(xì)粒和0.5～0.25 mm粗粒，厚度各為5 cm相間互層所組成的土樣;試樣3，4，5下部由粒徑小于0.1 mm的細(xì)粒組所組成，厚度分別為15，24，28 cm，上部為粒徑0.5～0.25 mm土層。第二組由3件試樣組成，試樣6，7，8下部土層粒徑為0.5～0.25 mm，厚度分別為10 cm、24 cm、28 cm，上部為粒徑小于 0.1 mm的細(xì)粒。第三組由二件試樣組成，試樣 9、10下部0.6 m由粒徑0.5～0.25 mm粗粒所組成，上部由含20%粒徑小于0.1 mm細(xì)粒和80%粒徑0.5～0.25 mm粗粒均勻混合組成的土樣，向試樣10上部注水，使之含水量接近飽和狀態(tài)。

毛細(xì)管試驗(yàn)儀包括試驗(yàn)架、玻璃試驗(yàn)管、盛水杯及掛繩等。玻璃管內(nèi)徑為 0.76 mm、外徑為1.26 mm。取具有不同粒徑代表性風(fēng)干土樣，借漏斗分?jǐn)?shù)次裝入玻璃管中，并用搗棒不斷振搗，使其密實(shí)度均勻[4]。試驗(yàn)用水其化學(xué)成分、溫度保持一致。將三組試樣底端豎直浸入水中，觀測(cè)其毛細(xì)管水上升的速度和高度。觀測(cè)時(shí)間間隔按對(duì)數(shù)坐標(biāo)取值進(jìn)行。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 下細(xì)上粗土壤層毛細(xì)管水上升的特征

從觀測(cè)資料和圖1曲線中可以看出:在開(kāi)始階段，顆粒愈細(xì)毛細(xì)管水上升速度愈慢，隨著時(shí)間的推移，細(xì)顆粒與粗顆粒相比毛細(xì)管水上升速度加快，當(dāng)毛細(xì)管水上升到兩層土壤界面處出現(xiàn)滯留現(xiàn)象。毛細(xì)管水透過(guò)試樣3最下部5 cm細(xì)顆粒上升到第一層粗粒時(shí)，毛細(xì)管水上升高度小于該粗粒土壤毛細(xì)管水上升的最大高度，毛細(xì)管水繼續(xù)上升，透過(guò)第二、三層細(xì)粒和第二層粗粒到達(dá)第三層粗粒土壤，毛細(xì)管水上升的高度已達(dá)到該粗粒土壤所能上升最大高度，毛細(xì)管水停止上升。5種試樣土壤構(gòu)造不同，毛細(xì)管水上升速度各異，但最終上升高度基本相同。試驗(yàn)結(jié)果證明:當(dāng)下部土壤層厚度小于其毛細(xì)管水上升的最大高度，毛細(xì)管水透過(guò)下部土壤層上升到上部土壤層后，毛細(xì)管水上升的最終高度是由上層土壤性質(zhì)所決定。試樣5毛細(xì)管水上升高度稍大的原因是其下部小于0.1 mm細(xì)粒厚度稍大。

圖1 下細(xì)上粗土壤層毛細(xì)管水上升的特征曲線

2.2 下粗上細(xì)土壤層毛細(xì)管水上升的特征

由圖2可以看出:下部粗粒層厚度會(huì)影響毛細(xì)管水上升速度，但只要下部粗粒層厚度小于其毛細(xì)管水上升的最大高度，毛細(xì)管水最終上升的高度還是取決于上部土壤層的性質(zhì)。其中試樣8在225 h內(nèi)毛細(xì)管水上升的最大高度為27.3 cm，沒(méi)有達(dá)到上部細(xì)粒層。

圖2 下粗上細(xì)土壤層毛細(xì)管水上升的特征曲線

2.3 上層土壤含水量對(duì)下層毛細(xì)管水上升的影響

實(shí)驗(yàn)表明:當(dāng)上部土壤層含水量增大時(shí)，會(huì)減緩初期毛細(xì)管水上升速度，但對(duì)最終上升高度影響不大。毛細(xì)管水最終上升高度還是取決于上部含20%粒徑小于0.1 mm細(xì)粒和80%粒徑0.5～0.25 mm粗細(xì)混合土壤的性質(zhì)。當(dāng)上部土壤層與大氣隔絕，毛細(xì)管水幾乎不上升(圖3)。

圖3 上層土壤含水量對(duì)毛細(xì)管水上升速度影響特征曲線

2.4 討論

本試驗(yàn)所用土樣經(jīng)測(cè)定含水量為1.65%，含水量相對(duì)較低，但大于最大吸濕量，土樣礦物成分均為石英、長(zhǎng)石和云母，顆粒形狀基本相似，所用水化學(xué)成分、水溫保持一致，因此毛細(xì)現(xiàn)象主要是由毛管力引起的。土壤顆粒愈小，形成的孔隙愈細(xì)，毛管力愈大，毛細(xì)管水上升高度愈大。

毛細(xì)管水上升可認(rèn)為是非飽和滲透，非飽和流動(dòng)中，Darcy定律仍適用，滲透速度v對(duì)各向同性介質(zhì)有[5]:

式中:v——滲透速度;K ——滲透系數(shù);θ——含水量;φ——土壤總土水勢(shì);h——基模勢(shì);z——毛細(xì)管水上升階段的濕潤(rùn)鋒高度。

滲透系數(shù)K是含水量θ或基模勢(shì)h的函數(shù)。目前非飽和土壤的滲透系數(shù)K與含水量的關(guān)系常用的經(jīng)驗(yàn)公式為:

式中:α，m——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

在毛細(xì)管水上升高度的范圍內(nèi)，其含水量是隨高度的增加而減小，因此，非飽和土壤的滲透系數(shù)K隨毛細(xì)管水上升高度的增大而減小。由式(1)和式(3)可知，在毛細(xì)管水上升初期，z值較小，▽?duì)张cK 值較大，所以毛細(xì)管水上升速度快;隨著高度的增加，▽?duì)张cK值逐漸減小，所以毛細(xì)管水上升速度變慢;當(dāng)毛細(xì)管水上升達(dá)到最大高度時(shí)，▽?duì)?0，上升速度v=0，即毛細(xì)管水運(yùn)動(dòng)達(dá)到平衡狀態(tài)[6]。

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)毛細(xì)管水由粒徑小于0.1 mm細(xì)粒土壤層進(jìn)入粒徑0.5～0.25 mm粗粒土壤層的界面時(shí)，發(fā)生毛細(xì)管水滯留現(xiàn)象。非飽和土壤的總勢(shì)是由重力勢(shì)和基模勢(shì)組成的，細(xì)粒土壤基模勢(shì)大于粗粒，但基模勢(shì)總是一個(gè)負(fù)值[5]。當(dāng)毛細(xì)管水由細(xì)粒土壤進(jìn)入粗粒土壤層界面時(shí)，界面下的總勢(shì)大于界面上總勢(shì)，毛細(xì)管水停止上升，隨著細(xì)粒土壤中含水量的增加，基模勢(shì)逐漸減小，當(dāng)界面下基模勢(shì)小于界面上基模勢(shì)時(shí)，毛細(xì)管水進(jìn)入粗粒土壤層，此時(shí)濕潤(rùn)鋒面處的基模勢(shì)取決于界面上粗粒土壤的性質(zhì)[7];反之，當(dāng)毛細(xì)管水由粗粒進(jìn)入細(xì)粒后，基模勢(shì)的大小取決于細(xì)粒土壤。這就是為什么毛細(xì)管水透過(guò)下部土壤層到達(dá)上部后，毛細(xì)管水上升高度取決于上部土壤層的性質(zhì)。

對(duì)于成層土壤，當(dāng)上部土壤層含水量增大，基模勢(shì)減小，降低了上下層勢(shì)差，同時(shí)也會(huì)影響毛細(xì)管水上升過(guò)程中空氣的排出。所以試樣10在開(kāi)始階段毛細(xì)管水上升速度低于試樣9，但毛細(xì)管水最終上升高度還是由上部土壤層性質(zhì)決定。如果上部土壤層處于完全隔水狀態(tài)，其毛細(xì)管水上升會(huì)停止。

3 結(jié)論

土壤構(gòu)造、顆粒大小、含水量對(duì)毛細(xì)管水上升高度有著明顯的影響[8]。本文通過(guò)室內(nèi)觀測(cè)毛細(xì)管水上升試驗(yàn)，對(duì)層狀土壤毛細(xì)管水運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行了研究。研究表明:(1)成層性構(gòu)造土壤，當(dāng)下部土壤層厚度小于毛細(xì)管水上升的最大高度，毛細(xì)管水最終上升高度是由上部土壤層的性質(zhì)所決定的;(2)上部土壤層顆粒愈細(xì)，含水量愈大，會(huì)減緩毛細(xì)管水上升的速度，如果上部絕對(duì)隔水，毛細(xì)管水不上升。

土壤中的水分可以通過(guò)毛管作用供給土壤蒸發(fā)。由本文試驗(yàn)所得規(guī)律可以對(duì)層狀土壤毛細(xì)管水運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而為研究土壤改良和灌溉排水提供重要參考。

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