裂隙-黏土間水量交換率試驗(yàn)研究

宋 磊，李錦輝，李典慶

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 深圳研究生院，廣東 深圳 518055; 2.武漢大學(xué) 水利水電學(xué)院，武漢 430000)

裂隙-黏土間水量交換率試驗(yàn)研究

宋 磊1，李錦輝1，李典慶2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 深圳研究生院，廣東 深圳 518055; 2.武漢大學(xué) 水利水電學(xué)院，武漢 430000)

裂隙為污染物(或降雨)入滲提供了重要的優(yōu)勢通道，裂隙與土體之間的水量交換是裂隙中優(yōu)勢流的重要形式，通過水量交換率進(jìn)行數(shù)學(xué)描述.而目前的研究主要針對砂土中的圓柱形裂隙，對于黏土中的平板形裂隙與黏土間水量交換率的研究目前處于空白.本研究針對黏土中裂隙的特點(diǎn)設(shè)計(jì)一套試驗(yàn)裝置，通過含水量傳感器和張力計(jì)等測量系統(tǒng)，定量研究裂隙-黏土間的水量交換率，并得到裂隙-黏土間的界面滲透系數(shù).研究發(fā)現(xiàn)水量交換率在滲透初期最大，隨著土中基質(zhì)吸力的降低而降低，裂隙-黏土間的界面滲透系數(shù)比土體的飽和滲透系數(shù)大一個(gè)數(shù)量級.當(dāng)土體的初始含水量不同時(shí)，隨著滲透的進(jìn)行，不同初始含水量土體中的水量交換率趨于一致，約為7×10-6s-1.

黏土；優(yōu)勢流；裂隙；滲透系數(shù)；水量交換

黏土在干濕循環(huán)、凍融循環(huán)及不均勻沉降的作用下極易產(chǎn)生裂隙[1-3]，裂隙的存在為污染物(或降雨)入滲提供了重要的優(yōu)勢通道，從而誘發(fā)諸多工程問題.如垃圾填埋場襯墊系統(tǒng)開裂后，垃圾滲濾液可沿裂隙快速入滲到土壤及地下水中，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[4].降雨過程中沿裂隙的優(yōu)勢流可使邊坡中的孔隙水壓力迅速增加，邊坡土強(qiáng)度降低，誘發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害[5].

黏土中的裂隙通常呈平板狀[6]，常被簡化為平行板模型，利用立方定律[7]來描述沿裂隙的優(yōu)勢流動(dòng).裂隙中的水體與黏土之間的水量交換是優(yōu)勢流的一個(gè)重要影響因素.在Richard 方程[8]中，裂隙與黏土之間的水量交換通過水量交換率Γw來描述,即

(1)

式中：θm為土體的體積含水量；Km為土體的滲透系數(shù)(m/s)；t為時(shí)間(s);z為距離(m);wf為裂隙率，即裂隙體積占土體總體積的百分比；Γw為水量交換率(1/s),其物理意義是單位時(shí)間內(nèi)由裂隙流入土體中的水量.式(1)說明單位時(shí)間內(nèi)土體內(nèi)的體積含水量變化等于土體內(nèi)的水量變化與從裂隙流入土體內(nèi)的水量之和.

目前，裂隙與土體間水量交換的試驗(yàn)研究主要集中于砂土中的圓柱形裂隙.如Castiglion等[9]測量了圓柱形裂隙和砂土間的滲流量，利用兩種介質(zhì)的滲流量計(jì)算得到了裂隙與砂土之間的水量交換量.Kohne等[8]測量了兩種介質(zhì)接觸面處的含水量變化規(guī)律.這些研究成果加強(qiáng)了對裂隙與土體之間水量交換的認(rèn)識(shí).然而，砂土中圓柱形裂隙的水量交換與黏土中平板形裂隙的水量交換截然不同，這主要是因?yàn)椋?) 黏土中的裂隙寬度會(huì)隨著土體含水量的變化而變化，當(dāng)土體含水量減小時(shí)裂隙逐漸張開，裂隙寬度增加，而當(dāng)土體含水量增加時(shí)，裂隙逐漸閉合，隙寬減小[10]，隙寬的這種動(dòng)態(tài)變化必然會(huì)引起水量交換率的變化；2)黏土中裂隙的寬度通常為0.5～5 mm[11], 明顯小于砂土中的裂隙寬度.因此，考慮黏土中裂隙的特殊性研究裂隙-黏土之間的水量交換率非常必要.

本文設(shè)計(jì)了一套測量黏土中平板裂隙水量交換的試驗(yàn)裝置，利用張力計(jì)和含水量傳感器測量裂隙周圍土體中的吸力和含水量變化，從而得到其水量交換率.本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于能夠刻畫動(dòng)態(tài)變化的平板形裂隙與黏土之間的水量交換，反映裂隙的閉合效應(yīng)對水量交換率的影響.

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)用土

試驗(yàn)用土為河北地區(qū)一處開挖場地的殘積土.土體的基本物理指標(biāo)如表1所示.顆分曲線如圖1所示.根據(jù)土體的基本物理指標(biāo)和顆分曲線，得出試驗(yàn)用土為無機(jī)低塑性黏土[12].飽和滲透系數(shù)根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123—1999)進(jìn)行測量，其中土樣與下述土柱試驗(yàn)中的土樣一致，壓實(shí)度均為90%.

表1 試驗(yàn)用土物理指標(biāo)

圖1 試驗(yàn)用土顆粒級配曲線

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)備由1個(gè)全透明的有機(jī)玻璃模型箱、3個(gè)張力計(jì)和3個(gè)EC-5型含水量傳感器、數(shù)據(jù)采集儀及計(jì)算機(jī)組成，如圖2所示.試驗(yàn)中沿模型箱中線位置制備裂隙，3個(gè)張力計(jì)和3個(gè)含水量傳感器分別對稱布置于裂隙兩側(cè)，張力計(jì)測量土體中的吸力變化，含水量傳感器測量土體中的體積含水量變化.張力計(jì)的量程為0～90 kPa，精度為±0.25 kPa.含水量傳感器的量程為0～100%，精度為滿量程的±(1～2)%.

圖2 土柱模型裝置示意圖(單位:mm)

黏土中的裂隙通常隙寬較小，如何制備如此細(xì)小的裂隙是本試驗(yàn)的挑戰(zhàn)之一.本研究利用細(xì)鐵棒結(jié)合薄鐵板的方法成功制備了寬度為5 mm、深度為100 mm、長度為200 mm的人工裂隙.在壓實(shí)土樣過程中利用鐵棒和鐵板制成需要的裂隙形狀，土體中的裂隙模型如圖3所示，裂隙模型由兩塊鐵板(各厚0.7 mm)和5根鐵棒(直徑為3.6 mm)組成，鐵夾子用于固定鐵板和鐵棒的位置.當(dāng)土體壓實(shí)到預(yù)定高度時(shí)，將圖3所示的裂隙模型放入模型箱預(yù)定位置，之后壓實(shí)剩余土層.土體壓實(shí)完成后，將張力計(jì)和含水量傳感器安裝到土體中預(yù)定位置.安裝完畢后將鐵棒逐根抽出，最后將鐵板拿出，形成平板形裂隙.這種制備裂隙的方法保證了裂隙幾何尺寸的精確，而且對裂隙周圍的土體不產(chǎn)生擾動(dòng)，傳感器的安裝在裂隙形成之前，也避免了安裝過程對裂隙的擾動(dòng)，從而保證了試驗(yàn)的精度，土體中制備完成的人工裂隙如圖4所示.土體中裂隙寬度為5 mm，模型箱寬度為500 mm.裂隙的寬度遠(yuǎn)小于模型箱的寬度，這樣可以不考慮模型箱邊界效應(yīng)對裂隙與土體之間水量交換的影響.

圖3 土體中的裂隙模型

圖4 土體中的人工裂隙

1.3 制樣方法和試驗(yàn)過程

將初始體積含水量為0.2的土體以5 cm為一層，分8層與裂隙模型一起壓入模型箱，土樣干密度為1.554 g/cm3.完成土樣和裂隙模型壓實(shí)后，將張力計(jì)和含水量傳感器插入土體中，靜置24 h后張力計(jì)陶瓷頭完成與周圍土體的水-氣平衡，該段時(shí)間內(nèi)需用保鮮膜密封土柱表面，防止土柱表面水分蒸發(fā).然后逐步拆除裂隙模型.試驗(yàn)開始后，用高精度的注射器將水迅速充滿整個(gè)裂隙，試驗(yàn)過程中保證裂隙一直被水充滿，目的是為了維持裂隙中的恒定水壓力.同時(shí)利用張力計(jì)和含水量傳感器測量土體中的吸力和體積含水量變化.當(dāng)裂隙閉合，傳感器讀數(shù)趨于穩(wěn)定，裂隙兩側(cè)濕潤鋒(wetting front)逐漸停止擴(kuò)展時(shí),試驗(yàn)結(jié)束.

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 濕潤鋒

隨著裂隙中的水不斷向土體中滲透，土體的含水量逐漸增加，同時(shí)土體的顏色隨著含水量的增加而不斷加深，通過觀察土體顏色的變化，可以得到土體中濕潤鋒的變化.圖5描述了試驗(yàn)中裂隙周圍土體中濕潤鋒形態(tài)的變化規(guī)律.試驗(yàn)進(jìn)行2 min時(shí)濕潤鋒迅速擴(kuò)散至傳感器位置，濕潤鋒形狀類似燈泡形(圖5(a)).隨著試驗(yàn)的繼續(xù)進(jìn)行，濕潤鋒形狀逐漸發(fā)生變化，由燈泡形變?yōu)閽佄锞€形(圖5(b),(c),(d)).

由圖5還可以看出，濕潤鋒在水平方向的發(fā)展快于其在豎直方向的發(fā)展，這與Allaire-Leung等[13]得到的黏土中濕潤鋒變化規(guī)律一致.也就是說裂隙中的水流入兩側(cè)土體后主要以水平滲透為主，這驗(yàn)證了Gerke等[14]的研究中水分從裂隙流入土體后主要以水平滲透為主的假設(shè).隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，濕潤鋒的擴(kuò)展速度逐漸減少，當(dāng)滲透40 min后，濕潤鋒不再擴(kuò)展，趨于穩(wěn)定.這與砂土中的水量交換率試驗(yàn)存在顯著差異[15].造成這種現(xiàn)象的原因是黏土遇水膨脹，裂隙逐漸閉合，從而減緩了裂隙中的水向土體中的滲流，如圖6所示.圖6中裂隙兩端出現(xiàn)明顯的閉合現(xiàn)象，裂隙的中間部分由于溢出水流的影響形狀發(fā)生了微小的改變.

圖5 濕潤鋒隨時(shí)間的發(fā)展

2.2 體積含水量和吸力

圖7描述了不同深度土體中體積含水量隨時(shí)間的變化.曲線中的第一個(gè)拐點(diǎn)表示此深度處土體的含水量開始快速增加，說明濕潤鋒已經(jīng)到達(dá)傳感器位置.由圖7可以看出,150 cm深度處第一個(gè)拐點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間明顯晚于5和10 cm深度處，說明濕潤鋒很快到達(dá)了5和10 cm深度處的土體，而需要經(jīng)過較長時(shí)間后才到達(dá)15 cm深度處的土體.曲線中第二個(gè)拐點(diǎn)代表體積含水量達(dá)到穩(wěn)定.裂隙周圍土體的體積含水量隨著入滲開始而不斷增大，最后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值.這說明在入滲初始階段，裂隙中的水不斷滲入到土體中，導(dǎo)致傳感器位置土體的含水量增加，當(dāng)此位置土體趨于飽和后，其含水量不再增加.深度為5和10 cm處土體體積含水量迅速趨于飽和，而15 cm處體積含水量在滲透開始24 min后才達(dá)到穩(wěn)定，其原因是15 cm深度處的含水量傳感器位于裂隙斜下方，由于裂隙-黏土之間的水量交換主要以水平方向?yàn)橹?，裂隙中的水滲透到位于其下方的土體需要更長時(shí)間.

圖6 試驗(yàn)結(jié)束時(shí)裂隙閉合

圖7 體積含水量隨時(shí)間的變化

圖8描述了土體不同深度處吸力隨時(shí)間的變化，圖中每條吸力變化曲線中的第一個(gè)拐點(diǎn)表示不同深度處吸力開始快速降低的時(shí)刻，第二個(gè)拐點(diǎn)代表吸力達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)刻.裂隙周圍土體吸力逐漸減小，最后達(dá)到穩(wěn)定.隨著張力計(jì)埋置深度的增加，其達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間也逐漸增長，這與含水量傳感器的變化一致.

利用不同時(shí)刻的體積含水量值可以計(jì)算得到不同時(shí)刻黏土中某點(diǎn)的含水量變化率, 即

(2)

式中：Vt+Δt和Vt分別表示土中某點(diǎn)t+Δt時(shí)刻和t時(shí)刻的體積含水量.圖9描述了不同深度處裂隙周圍土體中體積含水量的變化率，不同深度處體積含水量變化率均先增大后減小.5和10 cm處體積含水量變化率達(dá)到峰值的時(shí)間為55 s左右，深度為 15 cm處體積含水量變化率達(dá)到峰值的時(shí)間為900 s.5，10和15 cm處的峰值體積含水量變化率分別為9.4×10-3，1.5×10-2和4.9×10-4s-1.峰值體積含水量變化率在10 cm深度處最大，這是因?yàn)?0 cm處土體與裂隙之間的水力梯度最大.

圖8 吸力隨時(shí)間的變化

圖9 裂隙不同深度處不同時(shí)刻體積含水量變化率

Fig.9 Relationship between the water change ratio and time at different depths of the soil column

2.3 水量交換率和界面滲透系數(shù)

由以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，裂隙深度為5和10 cm處體積含水量變化率達(dá)到峰值時(shí)間基本相同，裂隙深度為15 cm處含水量變化率峰值不僅相對較小且達(dá)到峰值的時(shí)間也相對滯后.從濕潤鋒變化規(guī)律也可以得出，深度為5和10 cm處濕潤鋒近似位于一條直線上，說明二者體積含水量和吸力變化趨勢比較接近.因此，假設(shè)在濕潤鋒上土體的含水量和吸力一致.用5和10 cm兩處的吸力及含水量計(jì)算裂隙的水量交換率.裂隙的水量交換率為單位時(shí)間內(nèi)由裂隙流入到土體中的水量，即

(3)

式中：ΔVw為一定時(shí)間間隔內(nèi)水流入土體的體積(m3)，Δt為時(shí)間間隔(s)，ΔV為裂隙周圍土體的體積(m3).如果假設(shè)水體流入裂隙周圍單位厚度的土體，則

(4)

式中：Δω為裂隙周圍土體厚度，A為裂隙與黏土接觸面的總表面積(m2)，另由達(dá)西定律可得

(5)

式中：k為裂隙-黏土接觸面的界面滲透系數(shù)(m/s)，i為裂隙邊緣與傳感器所在位置之間的水力梯度.i可由下式求得

(6)

(7)

(8)

(9)

圖10描述了累計(jì)入滲量隨時(shí)間的變化，累計(jì)入滲量隨入滲時(shí)間的增加而逐漸增加，70min時(shí)達(dá)1 500g，然而其入滲的速度隨時(shí)間的增加而逐漸減小,由最初的100g/min減小到最后的10g/min.導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因?yàn)椋?)隨著裂隙周圍含水量的增加裂隙逐漸閉合，減緩了水向土體中的滲量流.2)裂隙周圍土體的含水量逐漸趨于飽和，入滲逐漸減少.

圖10 累計(jì)入滲量隨時(shí)間的變化

當(dāng)模型箱中的土體趨于飽和，濕潤鋒接近模型箱的邊壁時(shí)，入滲量會(huì)受邊壁的限制而不斷減少，因此，在計(jì)算水量交換率時(shí)，取入滲開始后20 min內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)的濕潤鋒距模型箱邊壁較遠(yuǎn)(如圖5(b)所示)，沒有邊界效應(yīng).根據(jù)式(4)可以計(jì)算不同時(shí)刻的水量交換率，如圖11所示.當(dāng)土體較干時(shí)，水量交換率較大，隨著裂隙中的水不斷滲透到土體中，水量交換率逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定，達(dá)到7.3×10-6s-1.此結(jié)論表明Van Dam[16]將水量交換率假設(shè)成恒定值是不合理的.這主要是由于黏土中的裂隙形狀隨著含水量的增加而逐漸閉合，裂隙中的水并不是Novak等[10]認(rèn)為的是一個(gè)穩(wěn)定的水力邊界條件.

圖11 水量交換率隨時(shí)間的變化

由式(9)可以計(jì)算得到裂隙-黏土之間的界面滲透系數(shù)，如圖12所示.界面滲透系數(shù)隨著土體中吸力的減小而不斷增大，最后達(dá)1.6×10-7m/s.界面滲透系數(shù)大于土體的飽和滲透系數(shù) (2.32×10-8m/s),簡單地將界面滲透系數(shù)簡化為土體的滲透系數(shù)是不合理的.在Gerke等[17]的研究中，將界面滲透系數(shù)假設(shè)為裂隙滲透系數(shù)(2.3×10-4m/s)和土體滲透系數(shù)(1.2×10-7m/s)的算術(shù)平均值,界面滲透系數(shù)明顯大于其土體的飽和滲透系數(shù)，這一趨勢與本文結(jié)論一致，然而其具體數(shù)值尚待驗(yàn)證.

圖12 裂隙-黏土間界面滲透系數(shù)隨基質(zhì)吸力的變化

Fig.12 Change of hydraulic conductivity at clay-crack interface with matric suction

當(dāng)土體初始含水量不同時(shí)，其水量交換率也有差異.圖13顯示了當(dāng)土體初始體積含水量為0.2,0.25和0.3，土體壓實(shí)到相同干密度時(shí)，裂隙與土體間的水量交換率.在滲透初期，初始體積含水量為0.25 (最優(yōu)含水量)的土體中的水量交換率最大，這可能是因?yàn)樵谙嗤母擅芏葪l件下，最優(yōu)體積含水量土體中的壓實(shí)功最小，滲流通道相對較多.隨著滲透的繼續(xù)進(jìn)行，由于3種不同初始體積含水量土體中的裂隙都逐漸閉合，3種土體的水量交換率趨于一致，約為7×10-6s-1.

圖13 不同初始含水量土體中裂隙-黏土間的水量交換率

Fig.13 Development of water exchange ratio in soils with different initial water content

3 結(jié) 論

1)自行研制了一套測量黏土中平板形裂隙水量交換的試驗(yàn)裝置.通過含水量傳感器與張力計(jì)可以定量得到裂隙-黏土間的水量交換率及其界面滲透系數(shù).

2)裂隙-黏土間的水量交換率在滲透初期最大，隨著土中基質(zhì)吸力的降低而降低，這主要是因?yàn)殡S著土體含水量的增加，裂隙逐漸閉合，水量交換率逐漸減小.

3)裂隙-黏土間的界面滲透系數(shù)比土體的飽和滲透系數(shù)大一個(gè)數(shù)量級，簡單地將界面滲透系數(shù)簡化為土體的滲透系數(shù)是不合理的.

4)當(dāng)土體的初始體積含水量接近最優(yōu)含水量時(shí)，土體中的初始水量交換率最大.隨著滲透的進(jìn)行，不同初始含水量土體中的水量交換率趨于一致，約為7×10-6s-1.

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(編輯 劉 彤)

Experimental study on water exchange between crack and clay

SONG Lei1, LI Jinhui1, LI Dianqing2

(1.Harbin Institute of Technology, Shenzhen Graduate School, Shenzhen 518055, Guangdong, China; 2.College of Water Resources and Hydropower, Wuhan University, Wuhan 430000, China)

Cracks in soils provide significant preferential pathways for contaminant transport and rainfall infiltration, and water exchange between the cracks and soil matrix is crucial to estimate the preferential flow, which is often quantitatively described by a water exchange ratio. Current studies on the water exchange ratio mainly focus on the crack in sand, but the water exchange ratio between the crack and clay is still unclear. A novel experimental setup was designed with advanced water content and suction measuring system to investigate the water exchange of the deformable cracks in clays. Results show that the water exchange ratio is the highest at the initial stage and decreases with decreasing suction in the clay. The hydraulic conductivity of the crack-clay interface is about one order of magnitude larger than that of the saturated soil matrix. With different initial volumetric water content of soils, the water exchange ratio between crack and soil gradually decreases to 7×10-6s-1in the process of the infiltration experiments.

clay; preferential flow; crack; hydraulic conductivity; water exchange

10.11918/j.issn.0367-6234.201604111

2016-04-20

國家自然科學(xué)基金 (51379053)

宋 磊(1990—), 男，碩士研究生； 李錦輝(1978—), 女，副教授，博士生導(dǎo)師

李錦輝， jinhui.li@hit.edu.cn

TU411.4

A

0367-6234(2017)08-0146-06