PS非飽和入滲的現(xiàn)場試驗

邵明申 裴強(qiáng)強(qiáng) 王思敬 李最雄 王恩志

內(nèi)容摘要：針對土遺址中的表面風(fēng)化層，在交河故城現(xiàn)場夯筑模擬試驗墻，研究PS溶液在滴滲條件下的入滲規(guī)律。結(jié)果表明，非飽和條件下PS入滲主要受基質(zhì)勢和重力勢的控制，在入滲初期，基質(zhì)勢起主導(dǎo)作用，水平方向和豎直方向的濕潤鋒推進(jìn)速率較大，后期重力勢發(fā)揮更大作用，速率逐漸減小，并最終達(dá)到穩(wěn)定的入滲狀態(tài)；對PS入滲過程中濕潤鋒的推進(jìn)距離與時間做了函數(shù)關(guān)系擬合，其中乘冪函數(shù)關(guān)系式擬合最好；墻體干密度對入滲有較大影響，密度越大濕潤鋒運移距離和入滲速率越低，入滲量越小；對于密度普遍較小的風(fēng)化層而言，PS完全可以提供足夠的滲透量和入滲速率，滿足加固要求。

關(guān)鍵詞：PS入滲；非飽和土；濕潤鋒；基質(zhì)勢；重力勢

中圖分類號：TU411文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1000-4106（2012）03-0116-06

Field tests of PS infiltration for unsaturated earthen sites

SHAO Mingshen1PEI Qiangqiang2WANG Sijing1,3LI Zuixiong2WANG Enzhi1

（1. State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084, China;

2. Conservation Institute of Dunhuang Academy, Dunhuang, Gansu 736200, China;

3. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China）

Abstract： The regularity of PS infiltration under unsaturated condition was studied by using the artificial wall built on the platform of the ruins of Jiaohe city instead of the weathering crust in earthen sites. The results indicated that PS infiltration for unsaturated earthen sites was determined dominatingly by matrix potential and gravitational potential, relatively matrix potential was more important in the beginning of infiltration, gravitational potential in anaphase, which resulted in that the wetting front movement possesses were gradually fasted in the beginning and became slower in anaphase under the drip infiltration. And the relation about wetting front distance and time was simulated and it conformed to power function laws. In addition, the infiltration capacity decreased with soil compactness increasing. The study proved PS infiltration totally can meet a demand for conserving the earthen sites.

Keywords： PS infiltration; unsaturated soil; wetting front; matrix potential; gravitational potential

引 言

土遺址保護(hù)工作的一大難點是表面防風(fēng)化，防風(fēng)化材料的選擇非?？量?，要求粘度低、變化小，表面張力適當(dāng)，能夠深層滲透，穿過風(fēng)化層等[1-5]，即要有良好的滲透性。作為無機(jī)化學(xué)材料，PS的基本特性完全滿足防風(fēng)化的要求，而且在西北干旱區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用，也取得了良好的加固效果[6-9]，但PS的入滲規(guī)律并沒有得到充分的重視，影響了潮濕環(huán)境下PS的適應(yīng)性研究，因此，進(jìn)一步加強(qiáng)PS的入滲研究有助于PS的推廣應(yīng)用。

入滲是指降落到地面上的雨水從地表滲入土壤中的運動過程。降雨匯集到土層表面時，降水將從包氣帶上界不斷地滲入土體，在分子力、毛管力和重力的作用下發(fā)生運動。按水分所受的力和運動特征，下滲可分為三個階段，即：（1） 滲潤階段，下滲的水分主要受分子力的作用，被土壤顆粒吸收成為薄膜水。（2） 滲漏階段，下滲水分主要在毛管力、重力作用下，沿土壤孔隙向下作不穩(wěn)定流動，并逐步充填土壤孔隙直至飽和，此時毛管力消失。（3）滲透階段，當(dāng)土壤孔隙充滿水達(dá)到飽和時，水分在重力作用下呈穩(wěn)定流動。

水流入滲問題在水文、農(nóng)田水利、水土保持、地質(zhì)災(zāi)害、生態(tài)與環(huán)境等各個領(lǐng)域都得到了廣泛的研究，得到人們的普遍重視[10-17]。其研究方法也由上世紀(jì)下半葉開始的基于形態(tài)學(xué)觀點的定性描述和分析, 轉(zhuǎn)變到本世紀(jì)初定量描述土水運動的土壤水分能態(tài)觀點, 即采用土水勢的概念來分析土壤中水分的運動狀態(tài)[11]。土水勢的五個分勢在實際問題中并不是同等重要，溶質(zhì)勢和溫度勢通常都可以不考慮，在土體非飽和帶中，壓力勢多認(rèn)為是零，所以此時的土水勢為基質(zhì)勢和重力勢之和。根據(jù)土壤水運動的一般原理，水的入滲可能在非飽和的巖土孔隙中進(jìn)行，也可能在飽和條件下運行，所以可以相應(yīng)地分為非飽和入滲理論和飽和入滲理論，絕大部分工況下，土遺址的化學(xué)加固都屬于非飽和入滲的范疇。

PS材料的入滲是一個非常復(fù)雜的動態(tài)過程，除了受到土體性質(zhì)，包括機(jī)械組成、水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量和土體密度，有機(jī)質(zhì)含量及土體初始含水率等因素的影響[18-20]，還受到溶質(zhì)勢的影響。由于PS主要應(yīng)用在開放條件下的露天遺址中，且使用濃度較低，在其滲透過程中基質(zhì)勢比溶質(zhì)勢發(fā)揮更大的作用，因此，本研究忽略了溶質(zhì)勢的影響，較少的涉及膠體化學(xué)的理論，而更多的考慮基質(zhì)勢的貢獻(xiàn)。

1 試驗準(zhǔn)備

1.1試驗區(qū)環(huán)境

試驗選在新疆吐魯番市交河故城的臺地上進(jìn)行，該地區(qū)屬最典型的大陸性暖溫帶干旱氣候，干旱、酷熱是其最顯著的特征，極端最高氣溫49.6℃，極端最低氣溫為-28℃，年平均降水量16.4mm，年平均蒸發(fā)量為2837.8mm。多干熱風(fēng)，風(fēng)力強(qiáng)，持續(xù)時間久，盛行西北風(fēng)。試驗期間無風(fēng)，溫度在30℃左右。

1.2試驗墻的夯筑

在交河故城臺地西北側(cè)，遠(yuǎn)離文物區(qū)的位置人工夯筑試驗墻，夯筑試驗墻體用土取自交河故城西崖坍塌生土，物理性質(zhì)見表1。將土樣粉碎，按最優(yōu)含水率18.4%加水?dāng)嚢杈鶆?，蓋塑料薄膜密封一周時間，使拌和的土完全濕潤，之后采用古代夯土墻的構(gòu)筑技法做試驗墻。

2 試驗方法

為了更直觀地反映PS在不同階段的入滲規(guī)律，采用鉆孔滴滲的方法，在試驗墻體上鉆出一系列小孔，將PS沿小孔導(dǎo)入。在基質(zhì)勢和重力勢的作用下，PS向周圍土體擴(kuò)散，濕潤鋒清晰地表現(xiàn)在墻體表面，便于測量。利用濕潤鋒和滲透量隨時間的變化，研究PS的入滲規(guī)律。

試驗墻10cm內(nèi)的含水率極低，平均在1.5%左右。墻體同一夯層上下密度變化較大，每一夯層上部密實，下部較為疏松，基礎(chǔ)部位最為明顯，為理想的試驗場地。選取1m2大小的墻面，開孔10排，排距10cm，每排9—10個孔，孔距為10cm，共5×9＋5×10＝95孔，注漿孔呈品字形排列，如圖1，孔深控制在5—7cm，孔徑以0.5cm為宜。

本次試驗采用濃度為5%，模數(shù)為3.8的PS溶液。采用輸液瓶將PS溶液滴入注漿孔，輸液瓶與注漿孔的高程為2m，見圖2。由于注漿孔是開放的，溶液可以沿孔溢出，因此，2m高程只能提供充足的入滲量，不能提供水頭壓力。滴滲時要嚴(yán)格控制滴滲的速率，不可斷流或溢漏，以保證維持在最大入滲速率，每間隔5min測一次濕潤鋒的推進(jìn)距離和入滲量，墻體內(nèi)部的滲透深度通過開取小槽的方式測量，當(dāng)PS溶液明顯不滲透時，滴滲結(jié)束。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 PS入滲過程中的濕潤體

本次滴滲條件下的水分運動實際上是線源入滲，以注漿孔為中心，向上下左右擴(kuò)散，而以點源方式向內(nèi)擴(kuò)散，見圖3。由于入滲過程中的濕潤鋒難以測定，不再做入滲速率的研究，本文主要討論墻體表面的入滲規(guī)律。在入滲初期，水平方向和豎直方向上的濕潤鋒幾乎相同，呈現(xiàn)出規(guī)則的圓形；隨著入滲時間的延長，濕潤土體的豎直濕潤半徑大于水平濕潤半徑，呈與中心非對稱的圓形，濕潤土體的體積不斷變大，見圖4。根據(jù)Darcy方程，土壤水分運動由水勢梯度和非飽和滲透系數(shù)決定，在水平方向上只受基質(zhì)勢的作用，而豎直方向上受基質(zhì)勢和重力勢的共同作用，而且隨著入滲時間的延長，在豎直方向上的重力勢作用會越來越明顯，從而濕潤體的縱橫比例會越來越大。進(jìn)入穩(wěn)滲期以后，豎直方向持續(xù)做穩(wěn)定的入滲運動，濕潤鋒持續(xù)快速增大，而其他方向的入滲速率趨于緩慢，濕潤鋒變化不大。

3.2 PS濕潤鋒與推進(jìn)方向的關(guān)系

根據(jù)入滲理論，水在土體中的運動可以分為三個階段：滲潤階段、滲漏階段和滲透階段，在不同的階段PS表現(xiàn)出不同的運動規(guī)律。滴滲條件下，隨入滲時間的延長以及供水量的增加，土體濕潤鋒在水平方向與豎直方向上也在不斷推進(jìn)。15min以前，水分濕潤鋒在水平與豎直方向推進(jìn)速率都較大，推進(jìn)速率都達(dá)到了0.05cm/min以上，兩條曲線幾乎重疊。15min以后，豎直濕潤鋒推進(jìn)速率緩慢變小，趨向于平緩階段，最后達(dá)到一種相對穩(wěn)定入滲狀態(tài)（圖5、圖6）。而隨著入滲時間的延長，水平濕潤鋒推進(jìn)速率要比豎直濕潤鋒推進(jìn)速率下降得更快。入滲時間達(dá)到30min時，濕潤鋒豎直推進(jìn)速率和水平推進(jìn)速率基本達(dá)到穩(wěn)定，其推進(jìn)速率分別達(dá)到0.035cm/min和0.009cm/min，二者速率相差0.026cm/min；在入滲過程結(jié)束時，豎直向下和水平方向的濕潤鋒推進(jìn)速率分別為0.196cm/min和0.005cm/min，二者相差0.191cm/min，水平方向幾乎不再滲透，而豎直方向濕潤鋒依然保持著較高的推進(jìn)速率。這主要是因為在初滲期，土體濕潤范圍較小，滴滲孔附近含水率較低，濕潤鋒前沿的基質(zhì)勢較高，壓力水頭和水力梯度較大，濕潤鋒運移速率也較大；在滲漏期，隨著濕潤鋒的進(jìn)一步推進(jìn)，滴滲孔與濕潤鋒的距離逐漸加大，基質(zhì)勢逐步降低，水頭壓力也隨之降低，因此濕潤鋒的推進(jìn)速率也相應(yīng)減小。在入滲后期，濕潤鋒已距離滴滲孔較遠(yuǎn)，水從源頭運移到濕潤鋒前沿需要更大的能量，而此時基質(zhì)勢越來越小，重力勢開始發(fā)揮更重要的作用，對入滲速率的貢獻(xiàn)越來越大，所以，在豎直向下方向上濕潤鋒依然保持著較快的推進(jìn)速率，而水平方向上幾乎停止。直接噴灑滲透在原理上同水平入滲是一致的，因此，其連續(xù)噴灑的有效時間為20min，在施工時應(yīng)予以重視，提高加固效率。

國內(nèi)外學(xué)者提出了具有不同特點和用途的入滲模型來描述入滲規(guī)律。目前常用的入滲模型有Green-Ampt模型[21]、Philip模型[22]及Horton模型[23]等，Gottardi和Venutelli（1993）[24]詳述了一維垂直入滲Richards方程的各種形式及其數(shù)值求解方法，余新曉等[25]、王全九等[26]通過公式推導(dǎo)證明濕潤鋒距離與時間的平方根呈線性關(guān)系。本文分別用冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和濕潤鋒距離與時間的平方根的線性函數(shù)對二者關(guān)系進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)用乘冪方程擬合后R2值較高，都在0.98以上。在前30min擬合效果非常好，幾乎完全疊加，但60min以后的擬合度稍差，此時，水平方向濕潤鋒幾乎無法推進(jìn)，豎直方向也變得較為緩慢，而擬合曲線仍然有明顯的增長趨勢。擬合方程如下：

Xf=1.024t0.367，R2 = 0.986；（1）

Zf=1.104t0.406，R2= 0.989；（2）

Xf、Zf分別為水平方向與豎直方向的濕潤鋒距離（cm）。

3.3 PS入滲與墻體密度的關(guān)系

由于初滲期和滲漏期是研究的重點，因此忽略濕潤鋒在方向上的差異，選取各個方向的均值。為了減少墻體的不均勻性帶來的誤差，以每排10個（或9個）注漿孔為一個試驗點，取其平均值。圖7—8分別為濕潤鋒和累計入滲量與時間的變化曲線。

相同的初始條件下，墻體密度對入滲的影響在濕潤鋒的推進(jìn)距離上有很好的反映，隨著墻體密度的增大，墻體孔隙越小，使得PS入滲速率顯著降低，濕潤鋒運移距離明顯減?。ㄒ妶D7）。由于模擬的是遺址中最為脆弱的夯土墻，且設(shè)計為較低的密度，試驗墻在夯筑過程中自然出現(xiàn)了不同密度的分層（干密度為1.40—1.45g/cm3）。從入滲結(jié)果來看，入滲量在110—170cm3之間時，其濕潤鋒運移距離相差無幾，而夯層最為密實的部位滲透量只有67cm3，濕潤鋒只有3.4cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他濕潤鋒的4.6cm。

4 結(jié)論

（1）實際工況下，PS對土遺址的滲透加固屬于非飽和入滲的范疇，主要受到基質(zhì)勢和重力勢的共同作用。初始階段主要受基質(zhì)勢控制，入滲速率快，隨著過水?dāng)嗝娴娘柡?，速率急劇降低?5min時水平方向和豎直向下方向的速率開始分化，水平速率持續(xù)降低至0.006cm/min，幾乎不再入滲，而受到重力勢的推動作用，豎直向下方向的濕潤鋒仍保持0.023cm/min的推進(jìn)速率。

（2）直接噴灑入滲深度在4.0—6.7cm的范圍內(nèi)，同水平方向的濕潤鋒有很好的對應(yīng)關(guān)系，入滲規(guī)律同樣適用于噴灑加固。試驗證明，在飽和度較低的土遺址保護(hù)中，PS具有良好的入滲速率和足夠的入滲量，完全滿足加固的基本要求。

（3）墻體密度對PS的入滲有較大影響，密度越大，濕潤鋒運移距離和入滲速率越小。對土遺址而言，其亟需加固部位的干密度多在1.45g/cm3左右，在這個范圍PS的入滲深度可以達(dá)到3cm以上，而風(fēng)化程度較輕、密度較高的部位，其力學(xué)強(qiáng)度也較高，不需要太大的補(bǔ)強(qiáng)幅度。

（4）試驗證明，PS加固樣有良好的抗環(huán)境因素破壞的能力，而且潮濕環(huán)境下的PS入滲速率和加固效果仍有一定的保證，問題是如何提高入滲的效率、增加入滲量，比如采取人工風(fēng)干等手段降低含水率，或旱季施工，或其他化學(xué)方法，使PS更加有效的應(yīng)用于工程實踐中。

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