降雨條件下含大孔隙土柱水-氣兩相流試驗(yàn)

丁輝，葉明，闕云

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 福州 350108)

0 引言

大孔隙普遍存在于天然土壤中，其形成原因主要有生物因素和自然氣候因素等[1-2].但目前對(duì)于土壤中的大孔隙，仍沒(méi)有嚴(yán)格的定義，Beven和Germann指出大孔隙能傳導(dǎo)非平衡水流情況下的土壤孔隙結(jié)構(gòu)[3].大孔隙流從20世紀(jì)70年代初就己引起關(guān)注，即土壤水分和溶質(zhì)能夠繞過(guò)密度大、滲透性較差的土壤基質(zhì)，而通過(guò)阻力較小的大孔隙路徑遷移，到達(dá)深層土壤甚至是地下水[4-5].相比較于非飽和滲流，大孔隙流存在以下特點(diǎn)：1) 大孔隙流的土壤水分滲流速度遠(yuǎn)大于非飽和滲流，不適宜采用單一達(dá)西定律描述非均勻流[6]；2) 雖然大孔隙體積只占整個(gè)土壤體積的很小部分(2.5%～20%)，但對(duì)水及溶質(zhì)在土壤中的非平衡運(yùn)移有著深刻影響[7].

針對(duì)土壤中的大孔隙及大孔隙流問(wèn)題，學(xué)者們進(jìn)行了各種試驗(yàn)研究.如Wang等[8]進(jìn)行了室外染色示蹤試驗(yàn)，通過(guò)直接在試驗(yàn)地噴灑染色劑，待其完全滲入土體時(shí)再對(duì)土體進(jìn)行開(kāi)挖，以觀察剖面大孔隙流的路徑.秦耀東等[9]研究了大孔隙對(duì)農(nóng)田耕作層飽和導(dǎo)水率的影響.Li等[10]對(duì)含有人工引導(dǎo)蚯蚓孔的填充土柱和均質(zhì)填充土柱進(jìn)行出流試驗(yàn)，研究蚯蚓孔對(duì)溶質(zhì)運(yùn)移的影響.由于大多數(shù)試驗(yàn)僅能夠進(jìn)行大孔隙及大孔隙流的定性描述和形態(tài)學(xué)特征研究，為了定量地對(duì)大孔隙分析，學(xué)者們針對(duì)不同大孔隙的情況提出了各種描述大孔隙優(yōu)先流的模型，如兩域模型、隨機(jī)模型、混合層模型、兩階段模型、多尺度平均模型以及混合模型等，為研究含大孔隙土中水及溶質(zhì)運(yùn)移做出了巨大貢獻(xiàn)[11].

但以上對(duì)大孔隙的研究絕大多數(shù)未考慮氣相的影響.事實(shí)上，土體的細(xì)觀結(jié)構(gòu)往往決定著其宏觀響應(yīng)的基本規(guī)律[12]，土是由固體顆粒、水、氣共同組成的三相體，因此對(duì)于含大孔隙土滲流問(wèn)題的研究不應(yīng)僅限于單相流，而應(yīng)綜合考慮水-氣的共同作用.鑒于此，本文從基本的土柱模型試驗(yàn)出發(fā)，通過(guò)自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置并借助各類試驗(yàn)設(shè)備，研究降雨條件下含大孔隙土柱水氣運(yùn)移規(guī)律.

1 大孔隙模擬方法與試驗(yàn)介質(zhì)特性

1.1 大孔隙模擬方法

實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)常采用原狀土柱來(lái)研究特定條件下的優(yōu)先流和溶質(zhì)運(yùn)移規(guī)律，但土壤結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性阻礙了對(duì)所研究過(guò)程的明確洞察.為了更好地理解優(yōu)先流過(guò)程，很多學(xué)者開(kāi)始構(gòu)建已知幾何結(jié)構(gòu)的土壤大孔隙系統(tǒng)，即人工大孔隙[13-16].因此，本文采用人工制造大孔隙的方式對(duì)降雨條件下含大孔隙土柱水氣兩相流進(jìn)行試驗(yàn)研究.具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖1所示.

首先在相應(yīng)位置埋入長(zhǎng)度為45 cm直徑2 cm的空心不銹鋼管，并且填筑過(guò)程中全程封閉管口以防止填土過(guò)程堵塞管口；然后對(duì)土壤基質(zhì)進(jìn)行分層填筑并壓實(shí)；全部土層填土完畢；將直徑為2 mm的粗石英砂注入空心不銹鋼管中；緩慢朝同一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)拔出鋼管，從而形成人工大孔隙.

1.2 試驗(yàn)介質(zhì)特性

試驗(yàn)用土取自福建省漳州市廈蓉高速改擴(kuò)建工程一標(biāo)段路堤填土，通過(guò)篩分試驗(yàn)測(cè)得土樣中粒徑2 mm以上顆粒所占比重(質(zhì)量分?jǐn)?shù))達(dá)49.98%，屬于礫砂類土.剔除2 mm以上顆粒經(jīng)重新篩分配制成試驗(yàn)用土，其級(jí)配曲線如圖2所示.此外，底層反濾層采用1～3 cm卵石填鋪，大孔隙及上部防侵蝕層均采用2 mm石英砂填筑，如圖3所示.

圖2 試驗(yàn)用土級(jí)配曲線Fig.2 Gradation curve of test soil

圖3 石英砂與卵石Fig.3 Quartz sand and pebble

2 試驗(yàn)裝置與儀器

2.1 試驗(yàn)裝置

設(shè)計(jì)如圖4所示的試驗(yàn)裝置，其主要由模型箱主體、底座、降雨系統(tǒng)、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及拍攝裝置五部分組成.其中，模型箱為30 cm×10 cm×80 cm的長(zhǎng)方體，由8 mm厚有機(jī)透明玻璃制作，可保證模型箱的強(qiáng)度及氣密性，同時(shí)箱體的左側(cè)和背面分別開(kāi)有4個(gè)直徑5 cm(等于土壤水分傳感器(TDR)直徑，用于布置水分傳感器)的圓孔，箱底開(kāi)有3個(gè)直徑4 cm的圓孔(用于分析底部封閉與否對(duì)降雨條件下含大孔隙土中水氣運(yùn)移的影響)；底座用于放置模型箱，由角鋼和鋼板制作，尺寸與模型箱相匹配，并且頂部開(kāi)有25 cm×5 cm的長(zhǎng)方形槽，防止阻礙模型箱底部氣體的流通.

圖4 試驗(yàn)裝置Fig.4 Experimental facility

2.1.1 人工模擬降雨系統(tǒng)

采用南京南林電子科技有限公司研發(fā)生產(chǎn)的NLJY-10型號(hào)人工模擬降雨系統(tǒng).該降雨系統(tǒng)主要由供水箱、壓力控制系統(tǒng)、降雨控制系統(tǒng)、雨量器、水管支架及噴頭等部分組成，見(jiàn)圖4.其中，降雨裝置共有

6個(gè)噴水點(diǎn)，間距為2 m，每個(gè)噴水點(diǎn)處有3個(gè)不同型號(hào)的噴頭，噴口直徑分別為1.5 mm、3.2 mm和5.0 mm，以模擬不同降雨強(qiáng)度；噴頭高度距地面6 m，以提高降雨均勻度，具體布置如圖5所示.

圖5 噴頭布置圖(單位：m)Fig.5 Installation of sprayers (unit:m)

試驗(yàn)前需對(duì)降雨系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和降雨均勻度檢驗(yàn).在土柱模型降雨試驗(yàn)范圍內(nèi)均勻布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)，將8個(gè)已編號(hào)的量程為500 mL的量筒分別置于各測(cè)點(diǎn)，以不同雨強(qiáng)分別進(jìn)行試驗(yàn).記錄不同雨強(qiáng)下各測(cè)點(diǎn)處量筒內(nèi)搜集雨量，并計(jì)算降雨均勻度.其計(jì)算式為：

(1)

2.1.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由3大部分組成，分別為土壤水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、孔隙水壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和孔隙氣壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng).土壤水分采用PC-2SQ土壤水分監(jiān)測(cè)控制儀,通過(guò)連接TDR-3型土壤水分傳感器(量程0%～100%(體積分?jǐn)?shù))，精度±2%)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；孔隙水壓力采用UT7110型靜態(tài)應(yīng)變儀鏈接CYY2型應(yīng)變式孔隙水壓力計(jì)(量程0～30 kPa，精度<1% FS)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；孔隙氣壓力采用U型壓力計(jì)連接玻璃導(dǎo)管進(jìn)行人工監(jiān)測(cè)，模型箱底部包有防水透氣膜，防止水分進(jìn)入管內(nèi)影響測(cè)量精度.所有的設(shè)備均已提前校準(zhǔn).

2.2 儀器與布局

如圖6所示為模型箱詳細(xì)尺寸與傳感器布置圖.其中模型箱設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方體主要考慮到兩個(gè)因素：1) 為了實(shí)現(xiàn)同時(shí)分別監(jiān)測(cè)大孔隙和土壤基質(zhì)各參數(shù)隨著降雨的變化，TDR探針長(zhǎng)度為7 cm，采用矩形截面易于從背面和側(cè)面分別監(jiān)測(cè)到大孔隙和土壤基質(zhì)的含水率變化；2) 為了更直觀地觀察到大孔隙存在對(duì)降雨條件下濕潤(rùn)鋒變化的影響，采用矩形截面既不影響對(duì)大孔隙含水率的測(cè)量，又可清晰觀察到大孔隙存在時(shí)濕潤(rùn)鋒變化.

如圖6(b)，模型箱底部鋪有2 cm厚卵石墊層，防止直接填土堵塞底部孔洞；上部覆有2 cm厚2 mm石英砂，用于減小降雨對(duì)表層土的侵蝕作用.中間部分填筑試驗(yàn)用土，并每隔15 cm厚布置一層傳感器；每層傳感器布置分為緊鄰和遠(yuǎn)離大孔隙兩種，其中緊鄰大孔隙布置的傳感器，視其監(jiān)測(cè)的為大孔隙數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)離大孔隙布置的傳感器所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)則為土壤基質(zhì)數(shù)據(jù).各傳感器在截面上的布置及人工大孔隙埋設(shè)位置,如圖6(c)所示.

圖6 模型箱尺寸及傳感器布置圖(單位：cm)Fig.6 The size of model box and layout of sensors (unit:cm)

3 試驗(yàn)方案與流程

3.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)共分5個(gè)工況，通過(guò)不同工況分別研究大孔隙存在與否、底部邊界條件,以及降雨強(qiáng)度對(duì)土中水氣運(yùn)移的影響，試驗(yàn)工況如表1所示.

表1 試驗(yàn)工況Tab.1 Test conditions

3.2 試驗(yàn)流程

控制填土壓實(shí)度為80%，按5 cm每層進(jìn)行分層填筑，共計(jì)15層.通過(guò)計(jì)算即每層填土重量為2.36 kg，當(dāng)填土由下至上填至相應(yīng)位置埋設(shè)相應(yīng)傳感器.試驗(yàn)中大孔隙采用2 mm石英砂進(jìn)行模擬，具體有如下4個(gè)主要試驗(yàn)流程(見(jiàn)圖1).

1) 用馬克筆在模型箱表面標(biāo)記傳感器擬埋設(shè)位置及每層填土高度；依據(jù)試驗(yàn)工況考慮是否封閉模型箱底部孔洞；在模型箱內(nèi)壁涂抹凡士林以減小邊界效應(yīng)等.

2) 在模型箱底部鋪設(shè)一張鋼絲網(wǎng)以防止卵石從底部漏出，并通過(guò)鋪設(shè)3 cm厚卵石層以保持空氣流通，再按照標(biāo)記進(jìn)行分層填土及埋設(shè)傳感器，填至頂部處鋪設(shè)2 cm厚石英砂以防止降雨對(duì)土體表面的侵蝕.

3) 將傳感器連接于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，架設(shè)相機(jī)并設(shè)置每5 min拍攝一次.

4) 開(kāi)始降雨試驗(yàn)并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù).

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 不同工況下含水率變化

土壤含水率變化規(guī)律可近似通過(guò)濕潤(rùn)鋒變化直觀地體現(xiàn)出來(lái).如圖7所示，分別為無(wú)大孔隙和有大孔隙在降雨強(qiáng)度35 mm·h-1情況下某一時(shí)刻濕潤(rùn)鋒的形態(tài).可見(jiàn)大孔隙的存在可明顯加快水分入滲速率，并且導(dǎo)致入滲速率的不均勻性，大孔隙附近水分入滲速率明顯較快，即產(chǎn)生優(yōu)先流.

圖7 濕潤(rùn)鋒形態(tài)對(duì)比Fig.7 Comparison of wetting front morphology

各工況下濕潤(rùn)鋒深度隨降雨時(shí)間變化曲線如圖8所示.對(duì)比工況1、2可知，在35 mm·h-1降雨強(qiáng)度下，前45 min大孔隙的存在與否對(duì)濕潤(rùn)鋒變化幾乎沒(méi)有影響，45 min開(kāi)始有大孔隙的情況下濕潤(rùn)鋒深度迅速增加，說(shuō)明該時(shí)刻開(kāi)始產(chǎn)生優(yōu)先流；對(duì)比工況2、3可知，同一時(shí)刻模型箱底部邊界開(kāi)通時(shí)濕潤(rùn)鋒深度均大于封閉狀態(tài)，并且在濕潤(rùn)鋒深度到達(dá)大孔隙底部之前兩者變化趨勢(shì)相同，但到達(dá)大孔隙底部之后底部封閉情況下濕潤(rùn)鋒深度增加緩慢，而底部開(kāi)通下濕潤(rùn)鋒深度仍繼續(xù)增大，增加速度與未產(chǎn)生優(yōu)先流時(shí)基本相同(曲線斜率與降雨初始時(shí)曲線斜率基本相同)，說(shuō)明模型箱底部邊界封閉會(huì)阻礙水分的入滲；對(duì)比工況2、4、5可知，降雨強(qiáng)度較小時(shí)，降雨需持續(xù)一段時(shí)間才會(huì)出現(xiàn)優(yōu)先流，而降雨強(qiáng)度較大時(shí)降雨初期就會(huì)形成優(yōu)先流，這是因?yàn)樗盅刂罂紫锻ǖ姥杆傧蛲馏w深處滲流.這與Hendrickx等[17]關(guān)于土壤大孔隙優(yōu)先流產(chǎn)生機(jī)理的描述相一致，即當(dāng)降雨總輸入水量大于土壤基質(zhì)的入滲能力時(shí)，將產(chǎn)生短距離、短歷時(shí)的地表水流，當(dāng)水平地表水流流經(jīng)大孔隙入口時(shí)，將沿著大孔隙路徑以大孔隙流的形式迅速向土層深處滲流，即產(chǎn)生大孔隙優(yōu)先流.

圖8 濕潤(rùn)鋒深度隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.8 Variation of wetting front depth with time

圖9則詳細(xì)描述了30 cm深度處大孔隙和土壤基質(zhì)含水率隨降雨時(shí)間變化規(guī)律(圖中m表示土壤基質(zhì)，f表示大孔隙).由于濕潤(rùn)鋒深度的變化體現(xiàn)的主要是大孔隙含水率變化，因此大孔隙含水率變化與濕潤(rùn)鋒變化規(guī)律基本一致.對(duì)于土壤基質(zhì)域，其含水率變化響應(yīng)時(shí)間均慢于大孔隙，而各工況之間變化規(guī)律與大孔隙域相似，這是因?yàn)榇罂紫洞嬖谇闆r下水分以優(yōu)先流的形式更快地到達(dá)土壤深處，同時(shí)沿著大孔隙壁以相對(duì)較慢的速度向土壤基質(zhì)周圍滲流.土壤基質(zhì)域含水率變化受兩種因素影響，一方面受其本身在豎直方向上滲流速度的影響，另一方面受大孔隙中水分在水平方向上向其滲透速度的影響，這也解釋了為什么大孔隙的存在會(huì)使土柱濕潤(rùn)鋒呈現(xiàn)漏斗狀.

圖9 30 cm深度處含水率隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.9 Variation of water content with time at the depth of 30 cm

4.2 不同工況下孔隙水壓力變化

圖10、圖11分別為15 cm和45 cm處孔隙水壓力隨降雨時(shí)間變化曲線.由圖10、11可見(jiàn)，各工況下孔隙水壓力在15 cm深度處僅在大孔隙域相差較大，在基質(zhì)域幾乎沒(méi)有變化，但在45 cm深度處兩者孔隙水壓力變化均較大.

基于前文分析，土壤基質(zhì)域含水率變化受兩方面因素綜合影響.對(duì)于淺層土的基質(zhì)域(圖10(a)，15 cm深度)，由于其基本僅受自身豎直向滲流的影響，因此在各工況下其孔隙水壓力變化不大;而對(duì)于較深層土的基質(zhì)域(圖11(a)，45 cm深度)，主要受來(lái)自大孔隙中水分在水平方向滲流的影響，故各工況下孔隙水壓力變化明顯.參照工況1，如沒(méi)有大孔隙存在時(shí)，降雨持時(shí)240 min時(shí)仍未監(jiān)測(cè)到其孔隙水壓力的變化，其他各工況下孔隙水壓力變化也基本與含水率變化規(guī)律一致.

對(duì)于大孔隙域，由圖10(b)可知，工況1、2、3孔隙水壓力變化基本相同，因?yàn)樵诮涤陱?qiáng)度較小的情況下，水分入滲至較淺層位置時(shí)，未產(chǎn)生優(yōu)先流，并且模型箱底部邊界封閉與否對(duì)其孔隙水壓力變化也基本沒(méi)有影響；對(duì)比工況4、5可知，增大降雨強(qiáng)度可明顯加快孔隙水壓力響應(yīng)時(shí)間，并且孔隙水壓力最大值也略有增加.因?yàn)樵谳^大雨強(qiáng)下優(yōu)先流形成時(shí)間更早，水分以更快的速度到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn).由圖11(b)，由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置較深，對(duì)比工況1、2可知，大孔隙的存在可明顯加快孔隙水壓力響應(yīng)時(shí)間；對(duì)比工況2、3可知，模型箱底部邊界封閉與否對(duì)大孔隙孔隙水壓力變化基本沒(méi)有影響；比對(duì)工況2、4、5可知，增大降雨強(qiáng)度可加快孔隙水壓力變化響應(yīng)時(shí)間.

圖10 15 cm深處監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力變化Fig.10 Variation of pore water pressure at the depth of 15 cm

圖11 45 cm深處監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力變化Fig.11 Variation of pore water pressure at the depth of 45 cm

4.3 不同工況下孔隙氣壓力變化

如圖12、圖13分別為15和45 cm處孔隙氣壓力(相對(duì)氣壓)隨著降雨時(shí)間變化的曲線.可見(jiàn),各工況下除大孔隙域孔隙氣壓力值小于基質(zhì)域,以及響應(yīng)時(shí)間快于基質(zhì)域外，其變化趨勢(shì)與基質(zhì)域基本相同.因?yàn)榻涤耆霛B過(guò)程中，若忽略水和空氣之間的互溶，可看作是水驅(qū)替氣的過(guò)程.對(duì)于大孔隙域，降雨入滲過(guò)程中氣體更容易通過(guò)較大孔隙逃逸，因此相同條件下大孔隙域孔隙氣壓力小于基質(zhì)域孔隙氣壓力，因?yàn)檩^大的孔隙氣壓力對(duì)水分入滲有一定的阻滯作用[18]，恰好解釋了為什么大孔隙域滲流速度快于基質(zhì)域.

圖12 15 cm深處監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔隙氣壓力變化Fig.12 Variation of poreair pressure at the depth of 15 cm

圖13 45 cm深處監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔隙氣壓力變化Fig.13 Variation of pore air pressure at the depth of 45 cm

同時(shí)，由圖12、13可以發(fā)現(xiàn)，除模型箱底部邊界開(kāi)通外，其他各曲線整體變化趨勢(shì)基本相同.因?yàn)楫?dāng)模型箱底部邊界封閉時(shí)，氣體只能由模型箱上部排出，當(dāng)某點(diǎn)處氣壓大于其上部水壓時(shí)，便以氣泡的形式由模型箱上部溢出.因此，試驗(yàn)前期孔隙氣壓力會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象，直至試驗(yàn)后期氣體無(wú)法突破水壓而逸出，水也基本無(wú)法繼續(xù)入滲.這與圖8中后期濕潤(rùn)鋒深度增加緩慢相對(duì)應(yīng)，最終氣壓與水壓基本處于相對(duì)平衡的狀態(tài).當(dāng)模型箱底部邊界開(kāi)通時(shí)，氣體既可以沿著模型箱上部排出，也可以沿著模型箱底部排出，因此其孔隙氣壓力曲線一直呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)，且其濕潤(rùn)鋒深度一直不斷增大.

此外，通過(guò)對(duì)比工況2、4、5可知，隨著降雨強(qiáng)度的增大，無(wú)論是基質(zhì)域還是大孔隙域的孔隙氣壓力響應(yīng)時(shí)間均有所縮短，并且最終的穩(wěn)定值也有所提高，尤其對(duì)于基質(zhì)域.以45 cm深度處為例，降雨強(qiáng)度35 mm·h-1時(shí)氣壓穩(wěn)定值約為0.85 kPa，而當(dāng)降雨強(qiáng)度增加至135 mm·h-1時(shí)氣壓為定值,增加至1.02 kPa，增加了20%.這是因?yàn)榻涤陱?qiáng)度越大形成優(yōu)先流時(shí)間越早，水分入滲速度越快，所以孔隙氣壓力響應(yīng)時(shí)間也越快，并且在大雨強(qiáng)下由于來(lái)水速度大于土壤入滲速度，土體表面會(huì)形成積水現(xiàn)象，因此孔隙氣壓力最終的穩(wěn)定值也會(huì)有所提高.

5 結(jié)語(yǔ)

1) 大孔隙的存在明顯加快降雨水分入滲速率，且導(dǎo)致入滲速率不均勻，土柱濕潤(rùn)鋒呈現(xiàn)漏斗狀，大孔隙附近水分入滲速率明顯較快(即產(chǎn)生優(yōu)先流).同時(shí)降雨需持續(xù)一定時(shí)間才會(huì)產(chǎn)生優(yōu)先流.

2) 模型箱底部邊界開(kāi)通與否，主要影響孔隙氣壓力變化.底部開(kāi)通有利于氣體排出，總體上降低孔隙氣壓力，使孔隙氣壓力處于波動(dòng)狀態(tài)，更有利于水分入滲.

3) 大孔隙存在情況下，增加降雨強(qiáng)度可加快優(yōu)先流產(chǎn)生，使水分沿大孔隙快速入滲至土壤深層，同時(shí)沿大孔隙壁向周圍基質(zhì)擴(kuò)散.當(dāng)降雨強(qiáng)度大于水分入滲速度時(shí)，將在土體表面形成積水，一定程度上增加孔隙氣壓力.