一種可測定變溫下飽和—非飽和土水力學參數的實驗裝置

曾磊 段磊 李萬鵬 喬曉英 李俊亭

摘要：為了研究溫度對飽和-非飽和土水力參數的影響，根據達西定律，研制了一種變溫下飽和-非飽和土水力參數測定裝置，該裝置包括實驗筒、供水與回水系統和數據采集系統。該裝置可以獲得不同溫度下飽和滲透系數、給水度和土壤水分特征曲線、非飽和滲透系數、比容水量和擴散率等參數，進一步可以獲得這些參數與溫度的數學表達式；該實驗裝置所用試樣大，減少了小試樣測試結果的隨機性，且測定參數多、自動化程度高，具有推廣應用價值。

關鍵詞：飽和-非飽和土；水力參數；溫度；達西定律

中圖分類號：TU411 文獻標志碼：A 文章編號：1672-1683（2016）04-0142-05

Abstract：In order to study the effect of temperature on the saturated-unsaturated hydraulic parameters，the measurement device for determining hydraulic parameters of saturated-unsaturated soils under variable temperature was developed based on Darcy′s law，which contained test column，water supply and return system，and data acquisition system.The device could obtain the saturated permeability coefficient，water and soil water characteristic curve，and unsaturated permeability coefficient parameters，the water capacity and the diffusion rate at different temperatures.Then，the mathematical expressions of temperature and these parameters could be further obtained.In addition，it was shown that the high automatic degree device had popularization and application value for large samples to reduce the randomness of the small sample and determined the parameters of saturated-unsaturated soils.

Key words：saturated and unsaturated soils；hydraulic parameters；temperature；Darcy′s law

西北黃土高原區是地質災害主要頻發區之一，黃土的特有性質以及氣候影響是導致災害形成的主要因素，其中凍融作用不容忽視[1-2]。在黃土地區，凍融作用不但改變了黃土的性質，同時也影響著黃土區的水文地質條件。凍融過程中，黃土受溫度的影響熱脹冷縮，使黃土的水文參數發生變化，地下水的補徑排條件發生改變[3]，導致區內地下水水位上下波動，引發黃土凍融滑坡。季節性凍土的水文特性研究開始于上世紀七十年代，主要研究有凍融過程中水-氣-熱的運移、黃土性質與水文地質參數關系等方面[4-8]。已有研究表明，飽和-非飽和土水力參數是研究黃土斜坡水文循環機理及評價斜坡穩定性的關鍵參數，且受溫度和密度變化的影響[9-10]。

關于不同溫度下飽和-非飽和土水力參數的測定，已有部分專家學者開展了卓有成效的研究。如高紅貝等在研究溫度對土壤水分運動參數的影響時，采用冷凍離心機、定水頭垂直土柱裝置和一維水平土柱裝置等3種實驗裝置分別測定了土壤水分特征曲線、導水率、擴散率和比水容量等參數[10]；張富倉等在可控溫度的恒溫箱內，利用小型壓力室和水平土柱分別測定了土壤水分特征參數和土壤水分擴散率[11]；馮寶平研制了高、中、低溫度段的3個土柱入滲實驗裝置，獲得了不同溫度段下土壤水分運動參數，且土壤含水率采用烘干法進行測量[12]；盧靖等將土樣裝入環刀內，利用高速離心機法獲得了不同溫度和密度下的非飽和黃土土壤水分特征曲線[13]。然而，上述飽和-非飽和土水力參數測定過程較繁瑣或者測定的參數指標少；針對多個土水力參數的測定，將會耗費較多的時間和經費且可靠性不高。因此，本文開發了一種測定變溫下飽和-非飽和土水力參數的方法，實現了不同溫度下飽和-非飽和土水力參數的聯測，彌補現有測定方法的不足。

1 工作原理

1.1 不同溫度下飽和滲透系數的測試原理

滲透系數的大小主要取決于孔隙的大小、形狀和連通性，也受到水的黏滯性和容重的影響[14]。根據滲流理論與地下水動力學的知識，可知土體滲透系數（K）的表達式為：

對于一個特定土體而言，滲透率是一個常數，僅僅與土體的孔隙大小與孔隙率有關，而與通過土體的流體無關。確定滲透率的困難在于d的不易確定，因此利用式（1）確定滲透系數K在實踐上是比較困難的。

由計算滲透系數的公式可見，假定某種溫度下的水通過某特定土體的滲透系數（K）已知，那么滲透率可由下式計算：

滲透系數（K）的測定可用傳統的達西實驗來做。由于水在不同溫度下的容重與動力粘滯系數是已知的。由公式（2）可以獲得滲透率[WTB1X]k，那么，對于某一特定土體在確定滲透率k[WTBZ]之后，就可以根據不同溫度下的容重與動力粘滯系數計算該溫度下的土體滲透系數。

1.2 給水度的測定原理

給水度μ是土壤釋水性的一個重要指標。當無蒸發時，地下水位自埋深H下降ΔH，土壤的釋水量W也即土壤的內排水量，為相應的兩種穩定含水量剖面之差，可寫為[15]：

式中：θ（z）即地下水位以上的穩定含水量剖面θ與z的關系；θs為飽和含水量。按給水度μ的定義，則可推導出μ=θs-θ（H）；當已知地下水位以上的穩定含水量分布后，該地下水位埋深處的給水度μ等于飽和含水量θs與相應地表處的含水量θ（H）之差。在現有實驗條件下，土柱由飽和狀態進行脫水時，由于實驗裝置處于密閉條件，蒸發對土柱脫水的影響忽略不計，可以利用上述理論基礎估算土壤給水度。

1.3 不同溫度下非飽和土水力參數的測試原理

對實測的含水率和負壓采用Van Genuchten公式[16]進行擬合，得到進氣α值和曲線形狀參數n等參數。

2 實驗裝置研制和實施過程

2.1 實驗裝置研制

依據上述理論，課題組研制了變溫下飽和-非飽和土水力參數測定裝置，該實驗裝置由三部分構成：實驗筒、供水與回水系統和數據采集系統。實驗裝置見圖1。

（1）實驗筒。

實驗筒總高230 cm，內直徑61.8 cm，由上下兩節組成。下節高為100 cm，上節高為130 cm，中間由法蘭盤連接。上下頂端為一橢球狀，長半軸（內、水平方向）30.9 cm，短半軸（內、垂向）20 cm。筒壁厚10 cm，由三層組成，內、外層為夾帶保溫材料厚約1.2 cm的玻璃鋼，中間填充可保溫的環戊烷發泡劑厚7～8 cm。筒內的空間高度為210 cm。實驗筒下部的濾板，為10 mm厚的玻璃鋼，下有支撐。連接實驗筒上、下兩部分的法蘭盤，盤厚1.5 cm，緣寬4 cm，由直徑10 mm的30個螺栓固定。圓形底座高為40 cmm，三面拱形鏤空和底部留有3個均勻的8 mm孔洞，便于采用膨脹螺絲固定于實驗臺。

實驗柱下部距底部10 cm上方設置排水管口，排水管正上方20 cm以上設置了7個壓力傳感器位置，壓力傳感器正對面布設7個含水率和溫度傳感器位置。法蘭盤20 cm上方設置4個排水管口，排水管間距為20 cm且與壓力傳感器在同一個方向，排水管可以設置4個壓力水頭實驗情景，分別為160 cm、180 cm、200 cm和220 cm；又設置有4個溫度傳感器位置且與實驗柱下部溫度傳感器在同一個方向，間距為20 cm。上述傳感器位置的間距均為10 cm。實驗柱上部頂端設置一個排氣孔，口徑為16 mm。

（2）供水與回水系統。

供水與回水系統包括可調溫保溫箱、管道泵、流量計和加熱裝置。可調溫度的恒溫箱，溫度范圍0 ℃～50 ℃，能使實驗介質和水分保持相同的溫度；內置加工的水箱，水箱設置溢流口，它的作用是：供水箱排氣；當供水超過警戒線時排水。流量計測量范圍為0～1 m³/h，精確度為±0.5%。增壓泵揚程最大為18 m，功率為260 w。實驗用水回收系統：由實驗筒控制閥排出的水可能含有一定量的泥時，可通過控制閥排至實驗系統外；當回水不含泥時就可直接排至變溫水箱，再經調整加溫后流入供水箱。

（3）數據采集系統。

數據采集系統包括數據采集傳感器、數據采集箱、計算機和采集軟件。數據采集傳感器包含正負壓傳感器、溫度傳感器和含水率傳感器。數據采集箱擁有數據26組采集端，將壓力、溫度、含水率和流量實時傳輸到計算機，自動記錄并存儲溫度、壓力、溫度和流量數據。

2.2 實驗實施過程

（1）在濾板上墊80～120目濾網，濾網上依次鋪設粗砂、中砂和細砂，厚度約為5 cm，防止細顆粒土壤隨水流散失。

（2）根據野外確定的土壤干容重，每鋪一層約10 cm厚，便用木錘壓實，使土壤密實度接近干容重。在實驗筒中裝填土壤距實驗柱頂部5 cm時，依次鋪設細砂、中砂和粗砂。

（3）由供水管向實驗筒慢慢供水至高100 cm，停止5～6 h，再從排水管向外排水。反復4～5次，確認土壤密實，結束供、排水過程。

（4）采用專用工具在實驗筒中安裝標定后的壓力傳感器、溫度傳感器與含水率測量儀的測量探頭，將壓力傳感器、溫度傳感器、含水率測量儀和流量計的數據傳輸電纜連接到數據采集系統，數據采集系統與計算機連接，在計算機中安裝變溫度土壤水力參數采集軟件。

（5）打開進水口，開啟變溫度供水箱，將變溫度供水箱設置為某一特定溫度，依次開啟增壓泵和流量計，緩慢供水，使水頭達到實驗筒上部最上端排水管處，使試樣完全飽和，數據記錄頻率可根據研究的需要自行設定；流量穩定20～30 min時，該條件下實驗結束。

（6）依次降低排水管高度，重復步驟5的操作，直到降低到排水管的最低處為止。此時，實驗介質飽和狀態下參數測定結束。

（7）緩慢打開實驗筒下端排水管，實驗筒自行排水，開始進行非飽和土水力參數測定實驗，獲取特定溫度非飽和狀態下負壓和含水率等參數；當含水率達到殘留含水率時，非飽和參數測定實驗停止。

（8）重新設置實驗溫度，依次重復步驟5、步驟6和步驟7的操作，直至滿足土樣不同溫度下飽和-非飽和水力參數測定的需要。

2.3 實驗裝置的特點

（1）采用環戊烷發泡劑填充實驗柱壁空腔，隔絕實驗柱土壤與外部環境熱交換，起到保溫效果。

（2）增加了變溫度供水裝置，通過改變實驗用水溫度來達到調節溫度，以適應不同溫度條件下土壤水力參數測定的需求。

（3）在實驗柱上部安裝了排氣孔，解決了已有包氣帶參數測定過程中的排氣難題。

（4）在實驗柱上部安裝了4個不同高度的排水管，實現了不同水頭條件下飽和試樣參數的測定以及飽和-非飽和條件下水力參數的連續測定，彌補了已有技術只能測定飽和或者非飽和單一狀態下土壤參數測定的不足。

因此，本文研制的測試裝置可以直接或間接獲得飽和-非飽和土水力參數11種，與溫度有關的水力參數數學表達式4個。關于土壤水力參數與溫度和含水率的關系研究，將是進一步研究的主要內容，本文不再詳細探討。

3.2 該測試方法的優缺點

針對變溫度下飽和-非飽和土水力參數的測定，已有專家學者對傳統的測試方法進行了改進，根據已有恒溫箱的容積，采用小型壓力室和土柱測試土水特征曲線和土壤水分擴散率[11]；依據研究目的，劃分高、中和低溫度等3個溫度段，研制了不同溫度段的土壤水分運動參數測定裝置[12]。然而，上述測試方法需要多個實驗裝置，那么就會耗費經費和時間，土樣的大小也受到了限制，增加了實驗結果的不確定性。由于土壤水分運動參數較多，陳輝等開發了非飽和土土-水力參數聯合測試系統，能夠同時測定非飽和土土-水特征曲線和非飽和滲透系數[18]，但該方法所用試樣小，且僅能在測試室溫下非飽和土-水力參數。

本文開發的變溫度下飽和-非飽和土水力參數測定方法與已有方法相比具有以下優點：（1）可以設置不同的實驗溫度；試樣比較大，減少了小試樣實驗結果的隨機性。（2）實現了不同水頭條件下飽和土水力參數的測定以及飽和-非飽和條件下參數的連續測定，彌補了已有技術只能測定飽和或者非飽和單一狀態下土壤水力參數測定的不足。（3）本方法操作方便，能夠測定的參數多，自動化程度高，節省了人力。不足之處是非飽和狀態自然排水需要時間較長。

4 結論

本文研制了不同溫度下非飽和-飽和水力參數測定裝置，可以實時測定流量、正負壓力、含水率和溫度；通過達西定律和Van Genuchten公式等可獲得飽和滲透系數、給水度和非飽和土壤水分特征曲線、滲透系數、比水容量和擴散率等參數，并以黃土為例進行了驗證。該實驗方法所用試樣大，減少了小試樣測試結果的隨機性，且測定參數多、自動化程度高，具有推廣應用價值。

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