自然條件下坡面降雨入滲測試研究

2018-03-25 02:58:40童富果鐘佳思

水力發電 2018年12期

劉創，童富果，劉剛，劉暢，鐘佳思

(三峽大學水利與環境學院，湖北宜昌 443002)

0 引言

降雨入滲是涉及土中水氣兩相流動的一個非飽和滲流過程，非飽和滲流的研究成果在邊坡穩定分析、農業灌溉、海綿城市的建設等方面有著廣泛的應用[1-3]。大量數值模擬研究表明，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]，不同耦合條件將會對入滲造成不同影響，試驗作為研究非飽和滲流的有效手段具有不可代替的作用。一些學者通過自行設計的室內人工降雨土柱試驗，探究影響降雨入滲的主要因素及水氣耦合傳輸規律[9-10]，證明了孔隙氣體對降雨入滲過程中雨水的下滲有著阻滯作用。不同于室內降雨入滲試驗可控的邊界條件及所采用的人工重塑土柱，野外環境下土體的含水率及密實度是自然分布的，且各種影響因素更加復雜。因此，部分學者開展野外試驗對降雨入滲過程中土體含水率、孔隙水壓力的變化規律進行了研究[11-12]。然而，以往的野外試驗研究往往只注重土體中水分運移傳輸規律，忽略了對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部水氣傳輸及耦合作用機制，本文進行了自然條件下的野外坡體降雨入滲測試，通過解決傳感器埋設產生的邊壁漏氣問題，監測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，并根據監測結果對降雨入滲過程中水氣傳輸機理進行了分析。

1 測試場地及儀器布設

1.1 測試場地選擇

測試場地位于湖北省宜昌市西陵區沙河東路。該地區屬于季風氣候區，冬半年常處于來自北方的干冷氣團控制之下，氣層穩定，不利于降水天氣系統的產生發展，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，試驗于降水適度的4月進行。選擇長、寬分別為4.2、3.1 m矩形原始斜坡作為測試區域，坡體坡度約為1∶6。試驗區域內表層至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試場地。

1.2 測試儀器及布設

為開展野外降雨入滲測試，自主構建了一套試驗系統，主要包括自然降雨監測系統和數據自動采集系統。

(1)自然降雨監測系統。為了能對自然降雨過程實時監測，構建了主要由集雨裝置和壓力傳感器構成的降雨監測系統。其中，集雨裝置通過頂部大漏斗來收集單位面積內的雨水，并將其儲存于集水管內；而壓力傳感器則是通過測量集水管內水頭壓力，以反映自然降雨過程。

(2)數據自動采集系統。主要由壓力傳感器、溫濕度傳感器、采集模塊及計算機組成。其中，壓力傳感器采用美控MIK-P3055型，其內置的擴散硅壓力芯體可將壓力變化轉化為電流信號輸出，監測結果以水頭的形式體現；溫濕度傳感器為TDR-5溫濕度一體傳感器，其監測結果為體積含水率；采集模塊采用16路通道的DAM-3055型，采集精度為±0.1%；計算機端采用C#、Fortran混合編程。通過采集模塊將傳感器的監測數據輸入到客戶端計算機中，實現了對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時監測。

為盡可能全面反映測試場地內含水率及孔隙氣壓力的變化情況，盡可能減小傳感器埋設對試驗的影響，在傳感器的布設方式上進行了相應的考慮，并解決了以下關鍵問題：

(1)從測試區域深度上，于深度0.1～0.8 m間埋設溫濕度傳感器和壓力傳感器各10支，用來監測土體含水率和氣壓力的變化過程。溫濕度傳感器編號為W1～W10，埋設深度分別為10、20、30、35、40、45、50、55、60 cm和70 cm；壓力傳感器編號為P1～P10，埋設深度分別為20、25、30、35、40、45、55、60、70 cm和80 cm。從測試區域平面上，壓力傳感器與溫濕度傳感器梅花樁形交錯布置。試驗現場見圖1。

圖1 試驗現場布設

(2)由于傳感器埋設會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，從而解決了傳感器埋設過程中邊壁滲流和邊壁漏氣問題。傳感器埋設邊壁處理見圖2。

圖2 傳感器埋設邊壁處理

2 降雨入滲測試結果及分析

本文主要監測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，最終對監測結果進行處理，并從中選出具有代表性的幾組數據進行分析。

2.1 降雨入滲過程對坡體含水率的影響

圖3為單次自然降雨量為23 mm時坡體含水率的變化過程，降雨歷時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作用影響較大；埋深35 cm處傳感器在降雨初期含水率短時緩慢上升，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在降雨前中期，坡體淺層區域含水率短時間內隨著雨水的入滲迅速增大并趨于穩定狀態，深層區域無明顯變化。分析表明，降雨初期水分在重力和基質吸力的驅動下迅速入滲，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定。降雨結束后，表層土體由于蒸發作用含水率有下降趨勢，而較深層土體由于雨水的繼續下滲產生上升趨勢。

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試結果

圖4為單次自然降雨量為23 mm時坡體孔隙氣壓力的變化過程。由于降雨過程中各傳感器監測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行分析，即降雨過程中埋深60 cm的傳感器。當孔隙壓力等于大氣壓時，設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到飽和狀態，孔隙氣體可由土體表層逸出，故土體內部孔隙氣壓力趨于0；隨著降雨的持續進行，坡體內部的孔隙氣壓力迅速增長并在降雨結束時達到峰值。從圖3已知，降雨持續進行并且強度增大時，土體表層含水率逐漸增大至飽和，此時表層土體的透氣性能逐漸減弱而形成密封性較好的條件，故孔隙氣壓力會因為雨水下滲擠壓而迅速增大。由于表層土體的飽和需要一定時間，因此孔隙氣壓力隨降雨過程的增長有明顯的滯后性。降雨結束后，土體逐漸恢復其透氣性，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，增強了入滲雨水對孔隙氣的擠壓作用，從而產生了“放大效應”。

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6 h，降雨量為23 mm；后次降雨持續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穩定狀態，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、調整，造成了其在最大孔壓附近的小幅度波動。從圖5b可知，隨著前次降雨的逐漸進行，孔隙氣壓力由0迅速增大，降雨間歇時孔隙氣壓緩慢消散；再次降雨時，孔隙氣壓力隨即上升并在降雨結束時達到最大。由于前次降雨引起的孔隙氣壓力來不及完全消散，導致后次降雨對孔隙壓力產生了“疊加效應”，因此最大孔隙氣壓力出現在后一次降雨過程中。