重塑非飽和黃土中水-氣兩相運(yùn)移規(guī)律研究

余婭婷，王大浩，董 潔，王 瑋

(1.長安大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054; 2.長安大學(xué) 干旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054; 3.陜西工程勘察研究院有限公司，陜西 西安 710068)

1 研究背景

通常我國中西部黃土地區(qū)滑坡的主要誘因是非飽和土體含水率的變化，即水分入滲所致[1-2]。而非飽和黃土中的水分下滲與其空隙內(nèi)氣體的運(yùn)移存在緊密聯(lián)系[3]。然而，已有的研究大多僅考慮了非飽和黃土體中的水相流動[4-8]，只有少量研究關(guān)注于水-氣兩相運(yùn)移。滕繼東等[9]通過數(shù)值計算和模型驗(yàn)證，分析了非飽和土中水氣遷移過程中伴隨的蒸發(fā)、冷凝和凍結(jié)現(xiàn)象，為極端天氣下工程建設(shè)提供了參考；魏娟[10]著眼于非飽和黃土邊坡水氣交換現(xiàn)象，采用物理力學(xué)和室內(nèi)模型試驗(yàn)，來探究邊坡土體的體積含水率與孔隙水壓力的關(guān)系；王聰[11]基于非飽和土水-氣兩相入滲試驗(yàn)裝置，經(jīng)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)土壤顆粒級配、毛細(xì)水上升高度均對水-氣兩相運(yùn)移產(chǎn)生顯著影響；習(xí)念念等[12]借助有限元法，著重分析了三峽水庫大坪滑坡降雨入滲與水氣吸入量的關(guān)系。

上述研究成果為認(rèn)識非飽和黃土中水-氣兩相運(yùn)移規(guī)律奠定了良好基礎(chǔ)，但主要集中于非飽和土水-氣兩相入滲裝置的改進(jìn)、數(shù)學(xué)方程的推廣以及數(shù)值模擬的應(yīng)用[13-16]，缺乏對實(shí)際條件下水-氣兩相運(yùn)移機(jī)理的綜合分析。鑒于此，本文針對涇陽南塬離石黃土層，將黃土邊坡中水分下滲的實(shí)際情況劃分為開放和封閉兩種條件，對非飽和重塑土柱試驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)，并通過試驗(yàn)對不同條件下非飽和黃土中的水氣運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)分析，以期為邊坡治理和滑坡防治等方面提供借鑒。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

涇陽南塬地處陜西涇陽縣，隸屬于渭北黃土臺塬，是黃土滑坡的易發(fā)區(qū)[17]。截止2018年，共發(fā)育黃土滑坡11處，已造成1個村莊被埋，死亡和重傷人數(shù)超過40人，并帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失[18]。因此，分析研究非飽和黃土中水-氣兩相運(yùn)移規(guī)律對區(qū)內(nèi)滑坡災(zāi)害的預(yù)防等具有重要意義。本次試驗(yàn)黃土取樣點(diǎn)選擇涇陽南塬寨頭村東側(cè)黃土臺塬區(qū)，取自離石黃土層。土樣經(jīng)自然風(fēng)干，過2 mm細(xì)篩后統(tǒng)一放置。

2.2 試驗(yàn)裝置

圖1為試驗(yàn)裝置示意圖。試驗(yàn)裝置是根據(jù)試驗(yàn)需要，在多功能砂柱水氣滲流試驗(yàn)儀[19]的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成。供水裝置采用馬氏瓶和水箱，自動持續(xù)補(bǔ)水使得土柱上端的水位維持于8 cm，通過多次試驗(yàn)，土柱內(nèi)水位下降1 cm，馬氏瓶內(nèi)水位下降8.8 cm。土柱頂、底部各留有外徑1 cm、長2 cm的管嘴分別作為進(jìn)水與排氣口。土柱左側(cè)布置3個氣壓觀測孔，右側(cè)設(shè)置6個含水率觀測點(diǎn)，分別連接差壓計和土壤水分計探頭[20]，均與WTHHOT1數(shù)據(jù)采集器相連。此外，為排除外部大氣壓及濕度的影響，采用溫濕度氣壓監(jiān)測記錄儀來記錄室內(nèi)各要素。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

2.3 試驗(yàn)步驟

填土過程中，首先在土柱底部鋪5 cm厚碎石，其上鋪置一層細(xì)紗網(wǎng)，以防止土顆粒阻塞碎石間隙影響裝置的透氣性。其次，進(jìn)行分次填土，總填土180 cm，每次裝填土樣厚度控制在10 cm，均勻搗實(shí)并將其上表面打毛，以此減少人為誤差。最后于土柱上部鋪設(shè)5 cm厚碎石，避免供水過程中沖刷造成土顆粒的不均勻分布。將填充完成的土柱靜置壓實(shí)，土體的初始體積含水率為2.5%，干密度為1.5 g/cm3，孔隙率約為0.44。試驗(yàn)時，校準(zhǔn)好儀器，打開馬氏瓶進(jìn)行供水，定期觀測馬氏瓶中水位，同時用卷尺量取濕潤鋒高度，并及時對馬氏瓶進(jìn)行補(bǔ)水，濕潤鋒運(yùn)移至土柱底部時則試驗(yàn)結(jié)束。

2.4 試驗(yàn)情境

在發(fā)生大范圍、高強(qiáng)度的降水時，若入滲下界面為不透水層時，遠(yuǎn)離斜坡的土層接受持續(xù)降水入滲，氣體將會不斷壓縮，對潛水面產(chǎn)生壓力，使得水頭增大，可看作封閉條件。而靠近斜坡的土層由于臨空面的存在可看作開放條件。因此，本次試驗(yàn)設(shè)置了關(guān)閉和打開下端出氣口這兩種情境分別模擬封閉和開放條件。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 濕潤鋒運(yùn)移規(guī)律分析

濕潤鋒位置在時間上的變化可以表征非飽和黃土中水分的入滲速率，圖2為開放和封閉條件下濕潤鋒運(yùn)移曲線。

圖2 開放和封閉條件下濕潤鋒運(yùn)移曲線

由圖2可知，封閉條件下濕潤鋒運(yùn)移至土柱底部總用時45 660 min，平均運(yùn)移速度為0.003 9 cm/min，而開放條件下總用時為40 360 min，平均運(yùn)移速度為0.004 4 cm/min。入滲初期運(yùn)移速度較快，隨后不斷減少，其原因?yàn)闈駶欎h位置處體積含水率未飽和，存在一定的基質(zhì)勢，而近水處飽和，基質(zhì)勢為0，形成較大的水力梯度，之后水分持續(xù)入滲，濕潤鋒距近水處越遠(yuǎn)，水力梯度越小。封閉條件下相同時刻濕潤鋒的運(yùn)移深度始終滯后于開放條件，表明空氣對水分的阻力作用在封閉條件下更顯著。這是因?yàn)殚_放條件下，水分下滲將空隙中的空氣擠壓至下端排氣口排出，水分受到的空氣阻力越來越小；而封閉條件下，水分雖會將空氣向下壓縮，但無法從下端排出，壓強(qiáng)持續(xù)增大至釋壓強(qiáng)度后空氣向上運(yùn)移，由上部水面排出土體，但由于土柱上部密封，被排出的氣體仍留在土柱內(nèi)。

3.2 水分運(yùn)移規(guī)律分析

封閉條件下，各觀測點(diǎn)的體積含水率變化情況如圖3所示。

圖3 封閉條件下各觀測點(diǎn)體積含水率隨時間變化曲線

圖3表明，在濕潤鋒未運(yùn)移到各觀測點(diǎn)所處位置時，土體的體積含水率保持不變，維持在初始值2.5%左右。除6#傳感器外，土面下10、42、74、106和138 cm處含水率發(fā)生變化的時刻分別為第65、5 280、12 305、22 445、35 650 min，依次增大。變化趨勢均為先迅速增大至極大值，而后逐漸減小最終趨于穩(wěn)定。當(dāng)水分下滲至觀測位置時，土體含水率開始突增，當(dāng)含水率突破極大值，土體的持水能力小于基質(zhì)吸力時，水分才會運(yùn)移。當(dāng)上部水分滲流補(bǔ)給量與向下排泄量平衡時，觀測點(diǎn)的含水率將達(dá)到穩(wěn)定。

6#觀測點(diǎn)位于土柱底部，為增加氣密性，在試驗(yàn)開始前，向底部碎石層中注入了少量水，受毛細(xì)力驅(qū)動，水分上移，使得6#傳感器所測的體積含水率從17 070 min就開始變化并穩(wěn)定于16.1%，結(jié)合濕潤鋒運(yùn)移情況，濕潤鋒在44 185 min才運(yùn)移到6#傳感器位置，含水率也呈現(xiàn)出不斷增大的趨勢。

開放條件下，各觀測點(diǎn)測得的體積含水率變化情況如圖4所示。

圖4 開放條件下各觀測點(diǎn)體積含水率隨時間變化曲線

圖4表明，開放條件下，各觀測點(diǎn)所測的土體體積含水率開始變化的時刻分別為第45、2 430、7 055、13 730、22 120和36 220 min，含水率在短時間內(nèi)減小卻未達(dá)到穩(wěn)定。究其原因，開放條件下，氣阻作用小，水分在土體中下滲速度較快，水分補(bǔ)給量與排泄量在短時間內(nèi)還未達(dá)到平衡，故含水率在較長時間內(nèi)仍處于波動狀態(tài)。

結(jié)合圖3、4可得，除6#觀測點(diǎn)外，封閉條件下各觀測位置含水率達(dá)最大值的時刻較晚，這是由于封閉條件下，水分入滲驅(qū)使氣體向下壓縮，增大了入滲阻力，從而使入滲速率減小，延長了達(dá)到最大含水率的時間。兩種條件下，含水率的變化趨勢基本相同，即在濕潤鋒抵達(dá)時迅速達(dá)到峰值，在濕潤鋒過境后，又迅速下降至趨于穩(wěn)定，表明水分在重塑土柱中的入滲為非飽和入滲。

兩種條件下觀測點(diǎn)處含水率達(dá)到最大值的時間間隔見圖5。

圖5 各觀測點(diǎn)處含水率達(dá)到最大值時間間隔對比圖

由圖5可看出，相鄰兩個傳感器含水率達(dá)到最大值的時間間隔不斷增大，這是因?yàn)殡S著觀測點(diǎn)埋深的增加，水分下滲補(bǔ)給通道逐漸加長，水頭梯度逐漸減小，使得水分下滲速度減慢，時間間隔不斷增加。封閉條件下相鄰兩個傳感器之間的時間間隔為1 315～15 685 min，而開放條件下的時間間隔較小，為220～14 650 min，這是因?yàn)榉忾]條件下受到氣阻作用較開放條件下大，水分運(yùn)移速度較慢，達(dá)到最大含水率時間間隔始終比開放條件下的長。由此可見，土體中空氣在水分運(yùn)移的過程中極大地限制了水分的運(yùn)移。

3.3 氣壓變化規(guī)律

封閉和開放條件下各觀測孔處氣壓變化如圖6、7所示。

注：圖中氣壓差指試驗(yàn)過程中各點(diǎn)氣壓差與初始值之差

由圖6可知，封閉條件下，2#、3#觀測孔變化趨勢基本相同，0～17 000 min時，氣壓差在0～500 Pa間波動；17 000～45 660 min時，氣壓差逐漸減小，最終在0附近振蕩。在水分下滲過程中，水分占據(jù)了原本氣體的空間，在上層形成相對封閉層，使得空氣不斷向下壓縮，氣壓差不斷增大。當(dāng)空氣壓縮到一定程度，即氣壓差達(dá)到極值時，空氣會在達(dá)到釋壓強(qiáng)度之后從水面逸出，氣壓差會迅速減小。之后隨著水分的繼續(xù)下滲，空氣繼續(xù)向下壓縮到一定程度就會突破上層水柱釋壓。因此，在整個氣體壓縮和釋壓的動態(tài)過程中，氣壓差不斷振蕩。1#氣壓差整體呈波動上升態(tài)勢，其原因?yàn)?#觀測孔埋深較淺，土柱內(nèi)所有空氣在釋放后存留在水面以上不能及時排出，隨著向上運(yùn)移空氣的增多，土柱上部受到的壓強(qiáng)逐漸增大。

由圖7可知，開放條件下，3個觀測孔氣壓的變化規(guī)律基本相同，均為迅速減小至0附近波動。當(dāng)空氣被擠壓至土柱底部還未排出時，氣體壓縮程度最大，氣壓差達(dá)到最大；當(dāng)空氣開始從下端排氣口不斷排出時，氣體壓縮程度隨之減少，相應(yīng)的氣壓差也在不斷減小。

注：圖中氣壓差指試驗(yàn)過程中各點(diǎn)氣壓差與初始值之差

當(dāng)濕潤鋒抵達(dá)土柱底部時，水分已將土柱中的大部分空氣排出，隨后殘留在土體空隙中的空氣也將陸續(xù)被排出。

對比圖6、7可知，封閉條件下的整體氣壓差值比開放條件下大3～10倍，但氣壓變化呈現(xiàn)的規(guī)律大致相同。由此可見，兩種條件下土柱中空氣的運(yùn)移均是在水分下滲的驅(qū)動作用下完成的，只是由于空氣排出方式不同而造成土柱內(nèi)各點(diǎn)氣壓變化規(guī)律的不同。

4 結(jié) 論

(1)在開放與封閉條件下，水分初始運(yùn)移時，濕潤鋒位置距近水處的距離最近，滲透速率最大。在相同時刻，封閉條件的濕潤鋒位置總是高于開放條件，濕潤峰抵達(dá)底部總用時比開放條件久，氣阻作用也明顯大于開放條件。

(2)開放與封閉條件下體積含水率均是先增大后減小，但封閉條件下含水率會減小到一個穩(wěn)定值，而開放條件下含水率在短時間內(nèi)并未達(dá)到穩(wěn)定。

(3)開放條件下，氣壓差均先增大后逐漸減小，最后在0附近振蕩。封閉條件下，深層氣壓差先振蕩后不斷減小，最后在0附近上下波動；而淺層氣壓差先振蕩后波動上升。

(4)非飽和黃土中的水分運(yùn)移是一個水驅(qū)氣、氣阻水相互影響的復(fù)雜物理過程。結(jié)合實(shí)際可知，大面積強(qiáng)降水情況下，遠(yuǎn)離斜坡的黃土區(qū)會形成底部邊界封閉的區(qū)域，隨著降雨入滲，地層中空氣不斷壓縮，氣阻作用增強(qiáng)，使得局部地下水水頭增加，地下水會向水頭低的邊坡流動，從而抬升邊坡水位；靠近邊坡的黃土區(qū)在水分入滲時，空隙中的氣體會向臨空面釋放，加快了水分入滲。上述因素均潛在地加速了滑坡的發(fā)生。