自然條件下坡面降雨入滲測(cè)試研究

劉 創(chuàng)，童富果，劉 剛，劉 暢，鐘佳思

(三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

降雨入滲是涉及土中水氣兩相流動(dòng)的一個(gè)非飽和滲流過程，非飽和滲流的研究成果在邊坡穩(wěn)定分析、農(nóng)業(yè)灌溉、海綿城市的建設(shè)等方面有著廣泛的應(yīng)用[1-3]。大量數(shù)值模擬研究表明，降雨入滲過程中土體孔隙氣壓力的影響不可忽略[4- 6]。降雨入滲的過程涉及諸多因素的耦合作用[7- 8]，不同耦合條件將會(huì)對(duì)入滲造成不同影響，試驗(yàn)作為研究非飽和滲流的有效手段具有不可代替的作用。一些學(xué)者通過自行設(shè)計(jì)的室內(nèi)人工降雨土柱試驗(yàn)，探究影響降雨入滲的主要因素及水氣耦合傳輸規(guī)律[9-10]，證明了孔隙氣體對(duì)降雨入滲過程中雨水的下滲有著阻滯作用。不同于室內(nèi)降雨入滲試驗(yàn)可控的邊界條件及所采用的人工重塑土柱，野外環(huán)境下土體的含水率及密實(shí)度是自然分布的，且各種影響因素更加復(fù)雜。因此，部分學(xué)者開展野外試驗(yàn)對(duì)降雨入滲過程中土體含水率、孔隙水壓力的變化規(guī)律進(jìn)行了研究[11-12]。然而，以往的野外試驗(yàn)研究往往只注重土體中水分運(yùn)移傳輸規(guī)律，忽略了對(duì)降雨入滲過程中土體孔隙氣壓力的研究[13-14]。

鑒于此，為探究自然條件下坡體內(nèi)部水氣傳輸及耦合作用機(jī)制，本文進(jìn)行了自然條件下的野外坡體降雨入滲測(cè)試，通過解決傳感器埋設(shè)產(chǎn)生的邊壁漏氣問題，監(jiān)測(cè)了單次自然降雨過程中坡體含水率和孔隙氣壓力的變化情況，以及間歇降雨過程中孔隙氣壓力的變化過程，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)降雨入滲過程中水氣傳輸機(jī)理進(jìn)行了分析。

1 測(cè)試場(chǎng)地及儀器布設(shè)

1.1 測(cè)試場(chǎng)地選擇

測(cè)試場(chǎng)地位于湖北省宜昌市西陵區(qū)沙河?xùn)|路。該地區(qū)屬于季風(fēng)氣候區(qū)，冬半年常處于來自北方的干冷氣團(tuán)控制之下，氣層穩(wěn)定，不利于降水天氣系統(tǒng)的產(chǎn)生發(fā)展，降水甚少；夏半年受到來自熱帶的暖濕氣流影響，炎熱多雨。該地多年平均降水1 138 mm，12月降雨量最少，月平均17.6 mm，7月最多，月平均216.3 mm。一半的降水量集中于6月～8月，試驗(yàn)于降水適度的4月進(jìn)行。選擇長(zhǎng)、寬分別為4.2、3.1 m矩形原始斜坡作為測(cè)試區(qū)域，坡體坡度約為1∶6。試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)表層至1.2 m深處為壤土層，1.2 m以下為砂壤土層，土體相對(duì)密度為2.71，天然重度為18.7 kN/m3，天然含水率為18.45%，坡體周圍無明顯斷層及裂縫，適于作為降雨入滲測(cè)試場(chǎng)地。

1.2 測(cè)試儀器及布設(shè)

為開展野外降雨入滲測(cè)試，自主構(gòu)建了一套試驗(yàn)系統(tǒng)，主要包括自然降雨監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)。

(1)自然降雨監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為了能對(duì)自然降雨過程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，構(gòu)建了主要由集雨裝置和壓力傳感器構(gòu)成的降雨監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其中，集雨裝置通過頂部大漏斗來收集單位面積內(nèi)的雨水，并將其儲(chǔ)存于集水管內(nèi)；而壓力傳感器則是通過測(cè)量集水管內(nèi)水頭壓力，以反映自然降雨過程。

(2)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)。主要由壓力傳感器、溫濕度傳感器、采集模塊及計(jì)算機(jī)組成。其中，壓力傳感器采用美控MIK-P3055型，其內(nèi)置的擴(kuò)散硅壓力芯體可將壓力變化轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)輸出，監(jiān)測(cè)結(jié)果以水頭的形式體現(xiàn)；溫濕度傳感器為TDR-5溫濕度一體傳感器，其監(jiān)測(cè)結(jié)果為體積含水率；采集模塊采用16路通道的DAM-3055型，采集精度為±0.1%；計(jì)算機(jī)端采用C#、Fortran混合編程。通過采集模塊將傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)輸入到客戶端計(jì)算機(jī)中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)降雨入滲過程中土體含水率、孔隙氣壓力及自然降雨過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

為盡可能全面反映測(cè)試場(chǎng)地內(nèi)含水率及孔隙氣壓力的變化情況，盡可能減小傳感器埋設(shè)對(duì)試驗(yàn)的影響，在傳感器的布設(shè)方式上進(jìn)行了相應(yīng)的考慮，并解決了以下關(guān)鍵問題：

(1)從測(cè)試區(qū)域深度上，于深度0.1～0.8 m間埋設(shè)溫濕度傳感器和壓力傳感器各10支，用來監(jiān)測(cè)土體含水率和氣壓力的變化過程。溫濕度傳感器編號(hào)為W1～W10，埋設(shè)深度分別為10、20、30、35、40、45、50、55、60 cm和70 cm；壓力傳感器編號(hào)為P1～P10，埋設(shè)深度分別為20、25、30、35、40、45、55、60、70 cm和80 cm。從測(cè)試區(qū)域平面上，壓力傳感器與溫濕度傳感器梅花樁形交錯(cuò)布置。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見圖1。

圖1 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)

(2)由于傳感器埋設(shè)會(huì)使土體與傳感器間形成接觸邊界，易造成雨水沿接觸面入滲或孔隙氣沿接觸面逸出。因此，采用不同粒徑材料分層填充及灌注水泥漿的方式，使填充材料之間、填充物與土體間緊密固結(jié)，從而解決了傳感器埋設(shè)過程中邊壁滲流和邊壁漏氣問題。傳感器埋設(shè)邊壁處理見圖2。

圖2 傳感器埋設(shè)邊壁處理

2 降雨入滲測(cè)試結(jié)果及分析

本文主要監(jiān)測(cè)了單次自然降雨過程中坡體含水率和孔隙氣壓力的變化情況，以及間歇降雨過程中孔隙氣壓力的變化過程，最終對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行處理，并從中選出具有代表性的幾組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1 降雨入滲過程對(duì)坡體含水率的影響

圖3為單次自然降雨量為23 mm時(shí)坡體含水率的變化過程，降雨歷時(shí)6 h。從圖3可知，10 cm和20 cm處溫濕度傳感器在自然降雨之前土體表層含水率緩慢下降，說明表層土體受蒸發(fā)作用影響較大；埋深35 cm處傳感器在降雨初期含水率短時(shí)緩慢上升，表明水分已下滲至35 cm處；而70 cm處傳感器從始至終保持不變，說明了入滲雨水主要集中在坡體表層區(qū)域，并未下滲至坡體深處。因此，降雨入滲引起的土體含水率的變化主要出現(xiàn)在降雨前中期，坡體淺層區(qū)域含水率短時(shí)間內(nèi)隨著雨水的入滲迅速增大并趨于穩(wěn)定狀態(tài)，深層區(qū)域無明顯變化。分析表明，降雨初期水分在重力和基質(zhì)吸力的驅(qū)動(dòng)下迅速入滲，隨著坡表土體含水率增大逐漸飽和，表層土體含水率最終趨于穩(wěn)定。降雨結(jié)束后，表層土體由于蒸發(fā)作用含水率有下降趨勢(shì)，而較深層土體由于雨水的繼續(xù)下滲產(chǎn)生上升趨勢(shì)。

圖3 坡體含水率變化

2.2 單次及間歇降雨過程中坡體孔隙氣壓力測(cè)試結(jié)果

圖4為單次自然降雨量為23 mm時(shí)坡體孔隙氣壓力的變化過程。由于降雨過程中各傳感器監(jiān)測(cè)到的氣壓力變化過程大致相同，因此選取具有代表性的一只進(jìn)行分析，即降雨過程中埋深60 cm的傳感器。當(dāng)孔隙壓力等于大氣壓時(shí)，設(shè)定壓力傳感器的值為0。從圖4可知，在降雨前期土體表層沒有達(dá)到飽和狀態(tài)，孔隙氣體可由土體表層逸出，故土體內(nèi)部孔隙氣壓力趨于0；隨著降雨的持續(xù)進(jìn)行，坡體內(nèi)部的孔隙氣壓力迅速增長(zhǎng)并在降雨結(jié)束時(shí)達(dá)到峰值。從圖3已知，降雨持續(xù)進(jìn)行并且強(qiáng)度增大時(shí)，土體表層含水率逐漸增大至飽和，此時(shí)表層土體的透氣性能逐漸減弱而形成密封性較好的條件，故孔隙氣壓力會(huì)因?yàn)橛晁聺B擠壓而迅速增大。由于表層土體的飽和需要一定時(shí)間，因此孔隙氣壓力隨降雨過程的增長(zhǎng)有明顯的滯后性。降雨結(jié)束后，土體逐漸恢復(fù)其透氣性，孔隙氣壓力隨之消散。

圖4 坡體孔隙氣壓力的變化

從本次自然降雨過程中孔隙氣壓力的變化過程可知，降雨入滲引起的孔隙氣壓力水頭最大值大于累積降雨量。分析原因，由于野外天然土體的不均勻性及連通性造成局部匯流，增強(qiáng)了入滲雨水對(duì)孔隙氣的擠壓作用，從而產(chǎn)生了“放大效應(yīng)”。

圖5為間歇自然降雨過程中坡體不同深度處孔隙氣壓力的變化情況。本次間歇降雨前次降雨持續(xù)6 h，降雨量為23 mm；后次降雨持續(xù)9 h，降雨量為18 mm，2次降雨間隔為13 h。從圖5a可知，降雨過程中最大孔隙壓力維持在相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，原因是由于此處距離坡體表面較近，降雨過程中孔隙氣體受到擠壓后不斷突破、調(diào)整，造成了其在最大孔壓附近的小幅度波動(dòng)。從圖5b可知，隨著前次降雨的逐漸進(jìn)行，孔隙氣壓力由0迅速增大，降雨間歇時(shí)孔隙氣壓緩慢消散；再次降雨時(shí)，孔隙氣壓力隨即上升并在降雨結(jié)束時(shí)達(dá)到最大。由于前次降雨引起的孔隙氣壓力來不及完全消散，導(dǎo)致后次降雨對(duì)孔隙壓力產(chǎn)生了“疊加效應(yīng)”，因此最大孔隙氣壓力出現(xiàn)在后一次降雨過程中。

圖5 坡體孔隙氣壓力的變化

3 結(jié) 語

本文在野外自然條件下開展了坡體降雨入滲測(cè)試研究，探討了坡體不同深度處含水率及孔隙氣壓力的變化機(jī)理，得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

(1)在埋設(shè)傳感器過程中，采用不同粒徑材料分層填充及灌注水泥漿對(duì)邊壁進(jìn)行處理，可有效解決邊壁漏氣問題。

(2)在自然降雨條件下成功監(jiān)測(cè)到坡體孔隙氣壓力變化過程，雨水下滲過程中不斷擠壓孔隙氣體從而產(chǎn)生了孔隙氣壓力增長(zhǎng)的現(xiàn)象，證實(shí)了天然坡體良好的氣封性。降雨結(jié)束后，孔隙氣壓力隨著土體透氣性的恢復(fù)而逐漸消散。

(3)間歇降雨過程中，由于前次降雨入滲的雨水在坡體形成的良好氣封條件，水氣驅(qū)動(dòng)作用隨時(shí)間過程產(chǎn)生累積。

(4)天然土體孔隙的不均勻性及連通的復(fù)雜性造成的局部匯流，增強(qiáng)了入滲雨水對(duì)孔隙氣的擠壓作用，降雨入滲引起的孔隙氣壓力水頭最大值大于降雨水深。