土壤構造對毛細管水上升影響的研究

張 平，吳 昊，殷洪建，李寶剛，王海坤

(沈陽大學建筑工程學院，沈陽110044)

在土壤中未充滿水的毛細孔隙中，由于存在液體彎月面的表面張力，形成毛細管水，其形成過程通常用物理學中毛細管現象解釋。若這種力處于不平衡狀態，會使毛細管水運動;若這種力處于平衡狀態，則使毛細管水保持在土壤的孔隙中。分布在土壤內部相互貫通的孔隙，可以看成是許多形狀不一、直徑各異、彼此連通的毛細管[1]。

毛細管水的上升高度和上升速度與很多因素有關，其中土壤顆粒愈細，毛細管水上升高度愈大，另外也與土壤中孔隙的大小和形狀、土壤顆粒礦物成分以及水的性質有關[2]。有關毛細管水上升的高度以及上升規律的研究，對建筑工程防潮、防滲、土的強度、農業上降水入滲、土壤水的變化都有重要的意義。目前對毛細管水上升規律的研究較多，且不同夾層土壤對毛細管水上升速度的影響已經有了定論，但對毛細管水上升的最大高度問題還存在著較大的分歧[3]。本文是針對土壤構造對毛細管水上升的影響，以及毛細管水上升過程中不同時期上升速度的變化規律進行實測研究，以揭示土壤構造對毛細管水上升速度和高度的影響規律，為毛細管水的研究提供參考。

1 試樣制備和試驗方法

取樣地點位于沈陽大學校園內，距地表深度2-2.5 m的中砂層。土樣經自然風干后，測其含水量為1.65%。篩分分成粒徑為:0.5～0.25 mm、＜0.1 mm二組，然后再配置成各類試驗土樣。

設計3組不同構造毛細管水上升試驗。第一組由5件試樣組成，試樣1為粒徑0.5～0.25 mm均勻土樣;試樣2由下而上分別為粒徑小于0.1 mm的細粒和0.5～0.25 mm粗粒，厚度各為5 cm相間互層所組成的土樣;試樣3，4，5下部由粒徑小于0.1 mm的細粒組所組成，厚度分別為15，24，28 cm，上部為粒徑0.5～0.25 mm土層。第二組由3件試樣組成，試樣6，7，8下部土層粒徑為0.5～0.25 mm，厚度分別為10 cm、24 cm、28 cm，上部為粒徑小于 0.1 mm的細粒。第三組由二件試樣組成，試樣 9、10下部0.6 m由粒徑0.5～0.25 mm粗粒所組成，上部由含20%粒徑小于0.1 mm細粒和80%粒徑0.5～0.25 mm粗粒均勻混合組成的土樣，向試樣10上部注水，使之含水量接近飽和狀態。

毛細管試驗儀包括試驗架、玻璃試驗管、盛水杯及掛繩等。玻璃管內徑為 0.76 mm、外徑為1.26 mm。取具有不同粒徑代表性風干土樣，借漏斗分數次裝入玻璃管中，并用搗棒不斷振搗，使其密實度均勻[4]。試驗用水其化學成分、溫度保持一致。將三組試樣底端豎直浸入水中，觀測其毛細管水上升的速度和高度。觀測時間間隔按對數坐標取值進行。

2 結果分析與討論

2.1 下細上粗土壤層毛細管水上升的特征

從觀測資料和圖1曲線中可以看出:在開始階段，顆粒愈細毛細管水上升速度愈慢，隨著時間的推移，細顆粒與粗顆粒相比毛細管水上升速度加快，當毛細管水上升到兩層土壤界面處出現滯留現象。毛細管水透過試樣3最下部5 cm細顆粒上升到第一層粗粒時，毛細管水上升高度小于該粗粒土壤毛細管水上升的最大高度，毛細管水繼續上升，透過第二、三層細粒和第二層粗粒到達第三層粗粒土壤，毛細管水上升的高度已達到該粗粒土壤所能上升最大高度，毛細管水停止上升。5種試樣土壤構造不同，毛細管水上升速度各異，但最終上升高度基本相同。試驗結果證明:當下部土壤層厚度小于其毛細管水上升的最大高度，毛細管水透過下部土壤層上升到上部土壤層后，毛細管水上升的最終高度是由上層土壤性質所決定。試樣5毛細管水上升高度稍大的原因是其下部小于0.1 mm細粒厚度稍大。

圖1 下細上粗土壤層毛細管水上升的特征曲線

2.2 下粗上細土壤層毛細管水上升的特征

由圖2可以看出:下部粗粒層厚度會影響毛細管水上升速度，但只要下部粗粒層厚度小于其毛細管水上升的最大高度，毛細管水最終上升的高度還是取決于上部土壤層的性質。其中試樣8在225 h內毛細管水上升的最大高度為27.3 cm，沒有達到上部細粒層。

圖2 下粗上細土壤層毛細管水上升的特征曲線

2.3 上層土壤含水量對下層毛細管水上升的影響

實驗表明:當上部土壤層含水量增大時，會減緩初期毛細管水上升速度，但對最終上升高度影響不大。毛細管水最終上升高度還是取決于上部含20%粒徑小于0.1 mm細粒和80%粒徑0.5～0.25 mm粗細混合土壤的性質。當上部土壤層與大氣隔絕，毛細管水幾乎不上升(圖3)。

圖3 上層土壤含水量對毛細管水上升速度影響特征曲線

2.4 討論

本試驗所用土樣經測定含水量為1.65%，含水量相對較低，但大于最大吸濕量，土樣礦物成分均為石英、長石和云母，顆粒形狀基本相似，所用水化學成分、水溫保持一致，因此毛細現象主要是由毛管力引起的。土壤顆粒愈小，形成的孔隙愈細，毛管力愈大，毛細管水上升高度愈大。

毛細管水上升可認為是非飽和滲透，非飽和流動中，Darcy定律仍適用，滲透速度v對各向同性介質有[5]:

式中:v——滲透速度;K ——滲透系數;θ——含水量;φ——土壤總土水勢;h——基模勢;z——毛細管水上升階段的濕潤鋒高度。

滲透系數K是含水量θ或基模勢h的函數。目前非飽和土壤的滲透系數K與含水量的關系常用的經驗公式為:

式中:α，m——經驗系數。

在毛細管水上升高度的范圍內，其含水量是隨高度的增加而減小，因此，非飽和土壤的滲透系數K隨毛細管水上升高度的增大而減小。由式(1)和式(3)可知，在毛細管水上升初期，z值較小，▽φ與K 值較大，所以毛細管水上升速度快;隨著高度的增加，▽φ與K值逐漸減小，所以毛細管水上升速度變慢;當毛細管水上升達到最大高度時，▽φ=0，上升速度v=0，即毛細管水運動達到平衡狀態[6]。

本試驗發現當毛細管水由粒徑小于0.1 mm細粒土壤層進入粒徑0.5～0.25 mm粗粒土壤層的界面時，發生毛細管水滯留現象。非飽和土壤的總勢是由重力勢和基模勢組成的，細粒土壤基模勢大于粗粒，但基模勢總是一個負值[5]。當毛細管水由細粒土壤進入粗粒土壤層界面時，界面下的總勢大于界面上總勢，毛細管水停止上升，隨著細粒土壤中含水量的增加，基模勢逐漸減小，當界面下基模勢小于界面上基模勢時，毛細管水進入粗粒土壤層，此時濕潤鋒面處的基模勢取決于界面上粗粒土壤的性質[7];反之，當毛細管水由粗粒進入細粒后，基模勢的大小取決于細粒土壤。這就是為什么毛細管水透過下部土壤層到達上部后，毛細管水上升高度取決于上部土壤層的性質。

對于成層土壤，當上部土壤層含水量增大，基模勢減小，降低了上下層勢差，同時也會影響毛細管水上升過程中空氣的排出。所以試樣10在開始階段毛細管水上升速度低于試樣9，但毛細管水最終上升高度還是由上部土壤層性質決定。如果上部土壤層處于完全隔水狀態，其毛細管水上升會停止。

3 結論

土壤構造、顆粒大小、含水量對毛細管水上升高度有著明顯的影響[8]。本文通過室內觀測毛細管水上升試驗，對層狀土壤毛細管水運動特征進行了研究。研究表明:(1)成層性構造土壤，當下部土壤層厚度小于毛細管水上升的最大高度，毛細管水最終上升高度是由上部土壤層的性質所決定的;(2)上部土壤層顆粒愈細，含水量愈大，會減緩毛細管水上升的速度，如果上部絕對隔水，毛細管水不上升。

土壤中的水分可以通過毛管作用供給土壤蒸發。由本文試驗所得規律可以對層狀土壤毛細管水運動特性進行預測，從而為研究土壤改良和灌溉排水提供重要參考。

[1] 高大釗.土質學與土力學[M].北京:人民交通出版社，2003:23-25.

[2] 孔憲立，石振明.工程地質學[M].北京:中國建筑工業出版社，2001:65-75.

[3] 李廣信.高等土力學[M].北京:清華大學出版社，2004:190-199.

[4] 中華人民共和國交通部.公路土工試驗規程(JTG E40-2007[S].北京:中國建筑工業出版社，2007.

[5] 芮孝芳.水文學原理[M].北京:中國水利水電出版社，2008:66-73.

[6] 史文娟，汪志榮，沈冰，等.夾砂層土體構型毛管水上升的實驗研究[J].水土保持學報，2004，18(6):167-170.

[7] 何克瑾，費良軍，尹娟.均質土壤上升毛管水運動特性試驗[J].沈陽農業大學學報，2007，38(4):581-585.

[8] 王丁，費良軍.層狀土壤上升毛管水運移特性實驗研究[J].地下水，2009，31(1):35-37.