降雨條件下不同黏粒含量土體的非飽和入滲特性

陳 亮， 司朋舉， 張 賞

（1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098； 2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，南京 210098）

非飽和土體在自然界中大量存在，是飽和度大于0小于100的固、液、氣三相混合體系，具有特殊的物理力學(xué)性質(zhì)［1］，初始含水率較低，具有較高的基質(zhì)吸力，穩(wěn)定性好. 但是當(dāng)遇到降雨天氣時(shí)，雨水入滲非飽和土體后勢(shì)必會(huì)引起土體含水率的增加，土壤基質(zhì)吸力減小，從而引發(fā)相應(yīng)的自然地質(zhì)災(zāi)害，例如滑坡、泥石流等［2-3］. 大量工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，地基液化、邊坡流滑等災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)土體中都含有一定含量的黏粒，黏粒對(duì)砂土液化等工程特性影響較大. 且在土壤學(xué)中，有些農(nóng)作物在過(guò)砂或者過(guò)黏的土體中生長(zhǎng)較差，一般采用客土的方法進(jìn)行土壤改良，即砂摻黏. 據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)有耕地中，因耕層土壤質(zhì)地過(guò)砂或者過(guò)黏而需要改良的土壤各在一億畝以上［4］. 因此，研究降雨條件下不同黏粒含量土體非飽和入滲特性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

前人對(duì)土體的入滲過(guò)程及其變化規(guī)律做了大量室內(nèi)和室外的研究，也取得了頗為豐碩的研究成果. 王永義等［5］基于山西氣象站的實(shí)測(cè)資料，從雨強(qiáng)、潛水面深度、巖性等方面分析和總結(jié)了降雨入滲補(bǔ)給規(guī)律. 朱偉和山村和也［6］使用降雨入滲試驗(yàn)來(lái)測(cè)量土壤水分和濕潤(rùn)鋒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并用有限元方法進(jìn)行了飽和—不飽和入滲分析. 張士林［7］研究了強(qiáng)降雨條件下干土緩坡的入滲規(guī)律，并基于Green-Ampt入滲模型提出恒定雨強(qiáng)下的實(shí)際入滲關(guān)系式. 白盛元［8］在野外觀(guān)測(cè)了10 m深的土柱的土壤水分動(dòng)態(tài)變化，分析了自然降雨條件下土壤水分的入滲深度和補(bǔ)給量，水分入滲受到多種因素的影響，因而入滲過(guò)程持續(xù)時(shí)間不同. 陳洪松等［9］利用室內(nèi)人工降雨試驗(yàn)，研究了初始土壤含水量對(duì)坡面降雨入滲的影響，結(jié)果表明，初始含水率越高，產(chǎn)流越快，再分布過(guò)程中濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率越大，且土體水分有沿坡向下運(yùn)移趨勢(shì). 曾鈴等［10］設(shè)計(jì)了一種可以測(cè)量土體吸力和含水量的降雨入滲裝置，通過(guò)降雨試驗(yàn)研究了砂土和粉質(zhì)黏土在不同雨強(qiáng)以及底部排水條件下含水率和吸力隨時(shí)間的變化規(guī)律. 朱偉等［11］通過(guò)室內(nèi)降雨入滲土柱試驗(yàn)，探究了降雨入滲的過(guò)程和入滲規(guī)律，并研究了能夠準(zhǔn)確反映降雨入滲量的有限元計(jì)算方法. 鐘佩文等［12］在室內(nèi)進(jìn)行垂直一維降雨入滲過(guò)程，觀(guān)察了土體內(nèi)濕潤(rùn)鋒和含水率的遷移規(guī)律，采用FLAC3D并結(jié)合實(shí)際參數(shù)模擬了該降雨過(guò)程，并分析了邊坡的安全穩(wěn)定性. 張世斌等［13］開(kāi)發(fā)了一種可以測(cè)量土體電阻率和體積含水率的試驗(yàn)裝置，并進(jìn)行了降雨條件下重塑黃土水分遷移模型試驗(yàn)，研究結(jié)果表明，重塑黃土的水分遷移特征跟雨型有較大關(guān)系，小雨、大雨以及暴雨?duì)顟B(tài)下入滲線(xiàn)分別呈現(xiàn)出“Y”型、“D”型以及“Λ”型的特點(diǎn). 李達(dá)等［14］使用了土體瞬時(shí)滲透特性測(cè)試儀，對(duì)非飽和砂質(zhì)紫色土進(jìn)行了不同雨強(qiáng)條件下的一維垂直滲透試驗(yàn)，得到了砂質(zhì)紫色土的非飽和滲透系數(shù)與雨強(qiáng)無(wú)關(guān)的結(jié)論. 包含等［15］利用TDR采集水分?jǐn)?shù)據(jù)，通過(guò)室內(nèi)人工降雨試驗(yàn)，從土壤含水率和濕潤(rùn)鋒運(yùn)移探討了不同雨強(qiáng)對(duì)水分入滲以及土壤水分再分布情況. 孫媛等［16］采用了有限差分法，模擬了降雨及降雨停止后砂壤土水分運(yùn)動(dòng)的全過(guò)程，結(jié)果表明降雨強(qiáng)度對(duì)土壤水分再分布有較大影響，中層含水率變化較小，持水能力較強(qiáng)，有利于植物生長(zhǎng).

上述研究對(duì)非飽和土體入滲規(guī)律的分析具有重要的現(xiàn)實(shí)意義. 但是，目前大多數(shù)研究是考慮雨強(qiáng)、雨型、分層土及初始含水率等因素對(duì)降雨入滲規(guī)律的影響，而對(duì)于含有不同黏粒含量的非飽和土柱在降雨條件下的垂直入滲規(guī)律的研究相對(duì)較少. 本文自主設(shè)計(jì)加工了一套一維垂直土柱入滲模型試驗(yàn)裝置，基于該試驗(yàn)裝置研究了不同黏粒含量非飽和土柱的入滲規(guī)律，對(duì)保護(hù)和改良土壤、防止土壤侵蝕、防止水土流失、預(yù)防邊坡失穩(wěn)等工程問(wèn)題具有十分重要的理論和實(shí)踐意義.

1 試驗(yàn)裝置及方案

1.1 試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

降雨入滲試驗(yàn)儀器的主體部分為一維垂直土柱，采用厚度為5 mm厚的透明有機(jī)玻璃管制造，豎直一維土柱試驗(yàn)儀器高度為1 m，內(nèi)徑為14 cm，外徑為15 cm，中間用一個(gè)法蘭結(jié)構(gòu)連接，便于土柱的安裝和拆卸，土柱下端設(shè)置有排水口，便于排水.降雨入滲試驗(yàn)裝置儀器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，圖中結(jié)構(gòu)示意圖代表了整個(gè)降雨入滲過(guò)程試驗(yàn)裝置的主要組成部分.

圖1 降雨入滲室內(nèi)試驗(yàn)儀器圖（單位：mm）Fig.1 Indoor test instrument diagram of rainfall infiltration

一維垂直土柱上方有降雨裝置，由降雨器和蠕動(dòng)泵組成，蠕動(dòng)泵可調(diào)節(jié)進(jìn)入降雨器的水量，通過(guò)旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)每分鐘的出水量，從而換算成相應(yīng)的雨強(qiáng)，降雨器可以用來(lái)形成均勻降雨，二者聯(lián)合共同構(gòu)成降雨系統(tǒng)，如圖2和圖3所示. 土柱的左右兩側(cè)分別插入5個(gè)土壤水分傳感器和5 個(gè)張力計(jì)，分別從土柱上端到底部依次編號(hào)為1#、2#、3#、4#、5#，用以監(jiān)測(cè)土壤的體積水分含率和基質(zhì)吸力. 每個(gè)水分傳感器和張力計(jì)的間距為15 cm，填土高度為90 cm，以供積水存留. 在土柱側(cè)邊貼上刻度尺以供讀取積水高度，從而可測(cè)得入滲量及入滲率的大小.

圖2 蠕動(dòng)泵Fig.2 Peristaltic pump

圖3 降雨器Fig.3 Rainfall instrument

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)中使用EC-5土壤水分傳感器來(lái)測(cè)量土體含水率［17-18］，土體是由固、液和空氣組成的三相體系，土體介電常數(shù)受土體含水率影響很大. 該測(cè)試儀器使用Decagon公司開(kāi)發(fā)的EC-5土壤水分傳感器和配套數(shù)據(jù)記錄設(shè)備來(lái)測(cè)量土壤體積含水率，如圖4所示.

圖4 EC-5土壤水分傳感器Fig.4 EC-5 soil moisture sensor

試驗(yàn)所使用的張力計(jì)是一種新型的電子張力計(jì)［19-22］，目的是測(cè)量土壤的基質(zhì)吸力，量程范圍為0～100 kPa，該張力計(jì)的飽和程序簡(jiǎn)單，易操作，具有較高的靈敏度和可靠度，如圖5所示.

圖5 電子張力計(jì)Fig.5 Electronic tensiometer

1.3 EC-5土壤水分傳感器標(biāo)定

從EC-5土壤水分傳感器的原理可知，對(duì)同一土體，傳感器的輸出信號(hào)值與被測(cè)土壤的體積含水率之間具有一一對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系. 因此，試驗(yàn)前需要對(duì)所用的5 支傳感器分別編號(hào)為1#、2#、3#、4#、5#，然后配置7%、15%、23%、31%體積含水率的試樣，將不同編號(hào)的土壤水分傳感器分別插入到配置好的土樣當(dāng)中，測(cè)得土壤水分傳感器所顯示出的電壓值，最后對(duì)不同編號(hào)的土壤水分傳感器進(jìn)行標(biāo)定，得到含水率與輸出信號(hào)電壓值之間的關(guān)系. 5支傳感器的輸出信號(hào)值與體積含水率如圖6所示.

圖6 土壤水分傳感器標(biāo)定曲線(xiàn)Fig.6 Calibration curve of soil moisture sensor

由圖可知，1#、2#、3#、4#、5#傳感器的輸出信號(hào)值與體積含水率具有較好的線(xiàn)性關(guān)系，即隨著含水率的增大，電壓值也就越高. 通過(guò)線(xiàn)性擬合發(fā)現(xiàn)，R2基本都在0.95 以上. 通過(guò)擬合得到的電壓與體積含水率關(guān)系曲線(xiàn)，可求出不同電壓值所對(duì)應(yīng)的體積含水率θW.

1.4 試驗(yàn)土樣

為研究黏粒含量對(duì)非飽和土壤降雨入滲的影響，本試驗(yàn)選用砂土和高嶺土作為研究對(duì)象. 為排除土體非均質(zhì)性的影響，經(jīng)過(guò)振篩機(jī)篩選粒徑≤2 mm的砂樣. 為減少土樣中的雜質(zhì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的干擾，裝樣之前使用清水洗滌試樣土，經(jīng)過(guò)風(fēng)干再進(jìn)行試驗(yàn). 試驗(yàn)砂樣的級(jí)配曲線(xiàn)如圖7所示，從圖中級(jí)配曲線(xiàn)看出，粒徑大于0.25 mm的顆粒超過(guò)全重的50%，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中砂土的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)可知，該試驗(yàn)土樣為中砂. Cu=d60/d10=0.5/0.15=3.33＜5，顆粒均勻，為均勻中砂. 用此砂樣為試驗(yàn)土樣，土樣孔隙均勻，不管細(xì)觀(guān)上還是宏觀(guān)上均可看作為均質(zhì)土體. 黏土顆粒選用高嶺土材料，將所需的黏粒摻配到砂土中，然后擊實(shí)為干密度1.57 g/cm3的一維垂直土柱.

圖7 顆粒級(jí)配累積曲線(xiàn)Fig.7 Cumulative curve of particle gradation

1.5 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)為模擬不同黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)下一維土柱垂直非飽和入滲特性，分別設(shè)置了黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%、15%、20%、25%的5組模型試驗(yàn)，具體的試驗(yàn)方案如表1所示. 降雨強(qiáng)度為50 mm/h，土柱高度為100 cm，填土高度為90 cm，觀(guān)測(cè)點(diǎn)分別設(shè)置在距離填土表面15、30、45、60、75 cm處.

表1 不同黏粒含量下降雨入滲試驗(yàn)方案Tab.1 Rainfall infiltration test schemes under different clay contents

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)下土柱的入滲率和累積入滲量分析

圖8為不同黏粒含量一維垂直土柱入滲時(shí)的入滲率時(shí)程曲線(xiàn)，表2 為不同黏粒含量一維垂直土柱入滲時(shí)積水點(diǎn)和飽和點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間.

表2 積水點(diǎn)與飽和點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間Tab.2 Occurrence time of water accumulation point and saturation point

圖8 同一雨強(qiáng)、不同黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)下入滲率隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.8 The relationship of infiltration rate with time under the same rain intensity and different clay contents

分析可知，當(dāng)降雨強(qiáng)度相同時(shí)，不同黏粒含量對(duì)土柱入滲率的影響具有如下特點(diǎn)：

1）由入滲率時(shí)程曲線(xiàn)可知，降雨強(qiáng)度相同時(shí)，對(duì)于不同黏粒含量的土體，其入滲率有較大差異. 當(dāng)黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%和10%時(shí)，入滲率均為一條直線(xiàn)，且近似重合，土壤表面沒(méi)有積水產(chǎn)生，說(shuō)明當(dāng)黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%和10%時(shí)，雨強(qiáng)均小于土壤最小入滲能力，入滲率為降雨強(qiáng)度等于0.083 cm/min.

2）當(dāng)土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%、20%、25%時(shí)，此時(shí)的雨強(qiáng)超過(guò)土壤最小入滲能力，試驗(yàn)過(guò)程當(dāng)中發(fā)現(xiàn)會(huì)有積水產(chǎn)生. 由圖8和表2 可知，當(dāng)黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，在前71 min 時(shí)間內(nèi)，降雨水分入滲過(guò)程中無(wú)積水產(chǎn)生，此時(shí)土壤水分入滲率等于雨強(qiáng)，土體表面在71 min時(shí)刻出現(xiàn)積水，此時(shí)入滲率開(kāi)始逐漸減小，在142 min 時(shí)刻，入滲率便減小到一穩(wěn)定值，此后土體入滲率一直穩(wěn)定保持不變；當(dāng)黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，在前21 min 內(nèi)，降雨入滲過(guò)程中無(wú)積水產(chǎn)生，此時(shí)入滲率等于雨強(qiáng)，土體表面在21 min時(shí)刻出現(xiàn)積水，此時(shí)入滲率逐漸減小，在83 min時(shí)刻，入滲率減小到一穩(wěn)定值；當(dāng)黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時(shí)，在前11 min時(shí)間內(nèi)，降雨入滲過(guò)程中無(wú)積水產(chǎn)生，此時(shí)入滲率等于雨強(qiáng)，土體表面在第11 min 時(shí)刻出現(xiàn)積水，此時(shí)入滲率開(kāi)始逐漸減小，在42 min時(shí)刻之后，入滲率便減小至一穩(wěn)定值.

3）根據(jù)之前所述，有積水的降雨入滲過(guò)程分為3 個(gè)階段，由圖8 和表2 可知，當(dāng)土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)處于15%～25%范圍時(shí)，在第一階段，黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，同一雨強(qiáng)下處于第一階段的時(shí)間也就越短，積水點(diǎn)依次從71 min減為21 min再減為11 min，且此時(shí)土壤水分入滲率均為定值且相同，均等于降雨強(qiáng)度0.083 cm/min.在第二階段非飽和入滲階段，隨著黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，入滲率減小的速度也就越快，當(dāng)黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%、20%、25%時(shí)，土壤水分入滲率減小至穩(wěn)定含水率的時(shí)間間隔依次為71、62、31 min. 在第三階段，隨著黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次增加，飽和點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間依次減小，且穩(wěn)定入滲率的值隨著黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而減小. 這是由于隨著黏粒含量增加，黏粒填充了較大土體顆粒之間的孔隙，導(dǎo)致土體顆粒之間孔隙減小，土體滲透性變差，土壤飽和滲透系數(shù)越來(lái)越低，而穩(wěn)定入滲率為飽和入滲階段，所以隨著黏粒含量增大，其穩(wěn)定入滲率越來(lái)越低.

圖9為同一降雨強(qiáng)度下不同黏粒含量土柱的累積入滲量與時(shí)間的變化關(guān)系曲線(xiàn)，由圖可知：

1）當(dāng)土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%和10%時(shí)，雨強(qiáng)小于土壤的最小入滲能力，降雨過(guò)程中所有水分均滲入到土體內(nèi)部，累積入滲量為一條過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)，直線(xiàn)的斜率為降雨強(qiáng)度，二者累積入滲量曲線(xiàn)近似重合，但是兩者達(dá)到土柱底端的累積入滲量不一樣. 當(dāng)黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，水分入滲到土柱底端所需要的時(shí)間為202 min. 當(dāng)黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，水分入滲到土柱底端所需要的時(shí)間為284 min. 即隨著黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，雖然此時(shí)無(wú)積水產(chǎn)生，但是水分運(yùn)移的速度會(huì)減慢，水分到達(dá)土柱底端所需時(shí)間會(huì)變長(zhǎng)，相應(yīng)的水分運(yùn)移到土柱底端時(shí)，累積入滲量也會(huì)增大.

2）當(dāng)土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%、20%、25%時(shí)，此時(shí)的雨強(qiáng)大于土柱的最小入滲能力，累積入滲量變成了一條上凸的曲線(xiàn)，而不再是一條直線(xiàn). 這表明隨著黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，水分入滲速率增速逐漸減慢. 由圖9 可知，在50 min 時(shí)刻內(nèi)，五組不同黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的累積入滲量曲線(xiàn)接近重合，說(shuō)明在前50 min 之內(nèi)，其入滲速率接近一致，而在50 min 之后不同黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)土體的累積入滲量差距逐漸增大，在同一時(shí)刻下，隨著黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，相應(yīng)的累積入滲量逐漸降低，但降低的幅度存在差異. 當(dāng)黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%、15%時(shí)，相同的時(shí)間內(nèi)累積入滲量降低的幅度比較??；但隨著黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加，當(dāng)黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、25%時(shí)，累積入滲量減小幅度較大，其中黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)在15%～20%之間時(shí)，土體累積入滲量減小幅度最大.

圖9 不同黏粒含量土柱的累積入滲量與時(shí)間的變化關(guān)系Fig.9 Relationship between cumulative infiltration volume of soil columns with different clay contents and time

圖10為土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)與累積入滲量之間的關(guān)系圖，由圖可知，當(dāng)降雨入滲到土柱底端時(shí)，總累積入滲量隨著黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大，但其增長(zhǎng)幅度并不一致，當(dāng)黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%以下時(shí)，累積入滲量隨著黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而大幅提高，而當(dāng)黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)在15%以上時(shí)，累積入滲量隨著黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加變化不大，原因在于當(dāng)黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于15%時(shí)，在降雨入滲的過(guò)程中并無(wú)積水出現(xiàn)，整個(gè)土柱的入滲均為非飽和入滲狀態(tài)，此時(shí)土壤的峰值體積含水率比較低，因此累積入滲量較小，且隨著黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大. 而當(dāng)黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于15%時(shí)，降雨入滲過(guò)程中出現(xiàn)了積水入滲，土壤的峰值體積含水率接近于土壤飽和含水率，而在黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%以上時(shí)土壤飽和含水率隨著黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加增幅不是很大，因此總的累積入滲量并不會(huì)隨著黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)而有大幅度提高.

圖10 黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)與累積入滲量之間的關(guān)系Fig.10 The relationship between clay mass fraction and cumulative infiltration volume

2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的土壤體積含水率分析

由圖11同一降雨強(qiáng)度下的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的含水率時(shí)程曲線(xiàn)可知，不同黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的峰值含水率存在差異，當(dāng)黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、5%、10%、15%、20%、25%時(shí)，土體的峰值含水率分別為20%、28%、35%、37%、38%、40%，由此可知土體的峰值穩(wěn)定體積含水率隨黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而逐漸增大. 由圖12可知，土體黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)以10%為分界點(diǎn)，當(dāng)黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%以下時(shí)，此時(shí)土體峰值體積含水率較低；隨著黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，峰值體積含水率增量較大；當(dāng)黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)位于10%以上時(shí)，峰值體積含水率也隨著黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，但其增量較小.

圖11 50 mm/h雨強(qiáng)及不同黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)下監(jiān)測(cè)點(diǎn)體積含水率隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.11 The relationship between the volumetric water content of monitoring points and time under the conditions of 50 mm/h rain intensity and different clay contents

圖12 黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)與峰值體積含水率的關(guān)系Fig.12 The relationship between the mass fraction of clay particles and the peak volumetric water content

不同黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)沙土在相同雨強(qiáng)條件下，濕潤(rùn)鋒深度隨時(shí)間的變化關(guān)系趨勢(shì)如圖13所示，在相同降雨條件下，黏粒含量越高，在同一時(shí)刻，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移的距離也就越短，以黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%為分界點(diǎn)，當(dāng)黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于15%時(shí)，濕潤(rùn)鋒深度隨時(shí)間的變化增幅較?。欢?dāng)黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于15%時(shí)，濕潤(rùn)鋒深度隨時(shí)間變化幅度相對(duì)較大.

圖13 濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.13 The relationship between wetting front and time

圖14給出了降雨入滲到土柱底端時(shí)，水分入滲到土柱底端所需時(shí)間與黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系，由圖可知，隨著黏粒含量增加，水分入滲土柱底端的時(shí)間相對(duì)就越長(zhǎng)，以黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%為分界點(diǎn)，當(dāng)黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于15%時(shí)，水分入滲到土柱底端的時(shí)間增幅較小，而當(dāng)黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于15%時(shí)（即20%、25%），此時(shí)水分入滲到土柱底端所需的時(shí)間增幅較大.

圖14 水分運(yùn)移到土柱底端時(shí)間與黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系Fig.14 The relationship between the time of water migration to the bottom of the soil column and the content of clay particles

2.3 不同黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)下土壤水分特征曲線(xiàn)分析

通過(guò)與所測(cè)得的土壤水分體積含水率和土壤基質(zhì)吸力進(jìn)行對(duì)應(yīng)，便得到了土壤體積含水率與基質(zhì)吸力的關(guān)系，將體積含水量與其對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力繪制到一張圖，便可得不同黏粒含量下砂土的土水特征曲線(xiàn).

由圖15可知，土壤體積含水率與基質(zhì)吸力整體呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系，土壤體積含水率隨著基質(zhì)吸力增加而逐漸減小，且隨著土壤黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，體積含水率降低的速率也就越遲緩. 當(dāng)土壤基質(zhì)吸力較小時(shí)，其土水特征曲線(xiàn)近似重合，說(shuō)明此時(shí)黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)基質(zhì)吸力影響較小. 而隨著基質(zhì)吸力增大，其土水特征曲線(xiàn)差異性明顯增大，當(dāng)基質(zhì)吸力為80 kPa 時(shí)，10%、15%、20%、25%黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)的體積含水率分別為7%、10%、13%、16%，說(shuō)明體積含水率隨著黏粒含量增加而逐漸增大，這也表明提高土壤黏粒含量可以增大土壤基質(zhì)吸力.

圖15 不同黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的土水特征曲線(xiàn)Fig.15 Soil-water characteristic curves under different clay contents

為得到不同黏粒含量下沙土體積含水率與基質(zhì)吸力之間的關(guān)系，采用VG模型進(jìn)行擬合，土體殘余含水率為7%，飽和含水率按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)容重1.57 g/cm3，將試驗(yàn)用的砂土和黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)烘干，利用環(huán)刀法測(cè)量土體飽和含水量. 結(jié)果在容重1.57 g/cm3下，黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、5%、10%、15%、20%、25%的飽和含水率θs為36.3%、37.0%、37.5%、37.9%、38.4%、38.9%.

由圖16可知，土壤的飽和含水率與黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)關(guān)系，黏粒含量越大，飽和含水率也就越大，即土壤的持水能力隨著黏粒含量的增大而增大，通過(guò)進(jìn)行線(xiàn)性擬合，得到擬合公式：

圖16 不同黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的飽和含水率Fig.16 Saturated water content under different clay contents

其中：y為土壤飽和體積含水率；x為土壤黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù).

采用VG模型［1］（見(jiàn)公式（2））對(duì)不同黏粒含量下的土水特征曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，VG模型里面共有4個(gè)參數(shù)，已知θr，θs前面已經(jīng)給出，因此擬合未知量為α.

其中：θs為飽和含水量；θr為殘余含水量；α是與進(jìn)氣吸力相關(guān)的參數(shù)；φ是基質(zhì)吸力；n和m是形狀系數(shù)，并且m=1-1/n.

利用公式（2），對(duì)所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，曲線(xiàn)擬合所得的α值、n值、m值結(jié)果如表3所示.

表3 不同黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)下土壤水分特征參數(shù)擬合值Tab.3 Fitting values of soil moisture characteristic parameters under different clay contents

在VG模型當(dāng)中，土壤水分特征曲線(xiàn)的擬合參數(shù)有m、n、α，其中m是與曲線(xiàn)斜率有關(guān)的參數(shù)，n是與土體孔隙均勻性有關(guān)的參數(shù)，α是與土體進(jìn)氣狀態(tài)有關(guān)的參數(shù). 由表5可知，α值、n值、m值均隨著黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減小. 這是由于當(dāng)砂土含有黏粒時(shí)，隨著黏粒含量增大，以及隨著土壤吸力增加時(shí)，含水量的減少較為緩慢，因此曲線(xiàn)的斜率坡度越來(lái)越緩和. 通過(guò)對(duì)α進(jìn)行線(xiàn)性擬合，對(duì)n進(jìn)行二次函數(shù)擬合，結(jié)果如下：α=-0.005 61CC+0.32，R2=0.96；n=4.947-0.313CC+0.007CC2，R2=0.99，其中CC代表黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù).

由此可以得到不同黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下的土水特征曲線(xiàn)公式，知道砂土中黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)即可以得到其體積含水率與基質(zhì)吸力之間的關(guān)系：

3 結(jié)論

降雨入滲過(guò)程是土壤水循環(huán)的重要過(guò)程，也是土質(zhì)邊坡誘發(fā)滑坡、泥石流等自然災(zāi)害的重要因素. 本實(shí)驗(yàn)通過(guò)自行設(shè)計(jì)加工的試驗(yàn)裝置對(duì)初始體積含水率為7%，土體容重為1.57 g/cm3的一維垂直土柱進(jìn)行了5組不同黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的入滲試驗(yàn)研究，得到了如下主要結(jié)論：

1）黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)垂直土柱的入滲影響較大，當(dāng)黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于10%時(shí)，降雨強(qiáng)度小于土體的最小入滲能力，垂直土柱的入滲率時(shí)程曲線(xiàn)為一平行于橫軸的直線(xiàn)，入滲率等于降雨強(qiáng)度且恒等于0.083 cm/min；當(dāng)黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于15%時(shí)，降雨強(qiáng)度大于土體的最小入滲能力，垂直土柱的入滲率時(shí)程曲線(xiàn)呈現(xiàn)無(wú)壓入滲、有壓入滲和飽和入滲三階段變化.

2）從不同黏粒含量下積水點(diǎn)和飽和點(diǎn)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)可知，積水點(diǎn)和飽和點(diǎn)隨著黏粒含量的增大而減小.

3）累積入滲量和土壤穩(wěn)定含水率分別以黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%和10%為拐點(diǎn)，兩側(cè)增幅并不一致，左邊增幅較大，右邊增幅較小.

4）從監(jiān)測(cè)點(diǎn)體積含水率的分布可知，垂直土柱上表面的體積含水率并不是迅速達(dá)到飽和，而是經(jīng)過(guò)由非飽和到暫態(tài)飽和再到飽和的一個(gè)過(guò)程，體積含水率隨著黏粒含量的增加而線(xiàn)性增加.

5）研究中運(yùn)用VG模型擬合分析了不同黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的土水特征曲線(xiàn)，結(jié)果顯示黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，α值、n值和m值都減小，α值與黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)是線(xiàn)性關(guān)系，n值與黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)是二次函數(shù)關(guān)系.