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(xiàn)象解釋。若這種力處于不平衡狀態(tài)，會使毛細管水運動;若這種力處于平衡狀態(tài)，則使毛細管水保持在土壤的孔隙中。分布在土壤內(nèi)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(guān)，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(zhì)有關(guān)[2]。有關(guān)毛細管水上升的高度以及上升規(guī)律的研究，對建筑工程防潮、防滲、土的強度、農(nóng)業(yè)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(guī)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(jīng)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(gòu)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(guī)律進行實測研究，以揭示土壤構(gòu)造對毛細管水上升速度和高度的影響規(guī)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(nèi)，距地表深度2-2.5 m的中砂層。土樣經(jīng)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(shè)計3組不同構(gòu)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(tài)。

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(nèi)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(shù)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(shù)坐標取值進行。

2 結(jié)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(xiàn)滯留現(xiàn)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(xù)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(gòu)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(jié)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(zhì)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(zhì)。其中試樣8在225 h內(nèi)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(zhì)。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(jīng)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(xiàn)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(zhì)有[5]:

式中:v——滲透速度;K ——滲透系數(shù);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(shù)K是含水量θ或基模勢h的函數(shù)。目前非飽和土壤的滲透系數(shù)K與含水量的關(guān)系常用的經(jīng)驗公式為:

式中:α，m——經(jīng)驗系數(shù)。

在毛細管水上升高度的范圍內(nèi)，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(shù)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(tài)[6]。

本試驗發(fā)現(xiàn)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(fā)生毛細管水滯留現(xiàn)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(zhì)[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(zhì)。

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(zhì)決定。如果上部土壤層處于完全隔水狀態(tài)，其毛細管水上升會停止。

3 結(jié)論

土壤構(gòu)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(nèi)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(gòu)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(zhì)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(fā)。由本文試驗所得規(guī)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。

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