王念秦，王慶濤，薛 茜

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710061)

在黃土高原地區(qū)常常因?yàn)榻涤?、灌溉造成地下水位抬升，進(jìn)而引發(fā)滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，黃土中的水分遷移與地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生有著密不可分的關(guān)系，因此探索水—土作用過(guò)程和方式具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。國(guó)內(nèi)外關(guān)于非飽和滲流方面的研究已經(jīng)有很多，比如許建等[1]進(jìn)行了恒溫狀態(tài)重塑土開(kāi)放系統(tǒng)水分遷移試驗(yàn)，結(jié)果土柱的含水量基本表現(xiàn)出由底部向頂部逐漸減小的趨勢(shì)；Wastson[2]提出的原位瞬態(tài)剖面試驗(yàn)方法適用于地下水位較深和非均質(zhì)土的情況，可求取滲透系數(shù)與體積含水量的關(guān)系；于得芬等[3]根據(jù)資料仿制了適用于室內(nèi)的水頭法和降水頭法土壤飽和導(dǎo)水率測(cè)定裝置，但裝置比較復(fù)雜且占地面積大；吳勝軍等[4]研制的變水頭壓力滲透儀，可進(jìn)行不同荷載條件下黏性土滲透系數(shù)的測(cè)定；劉亞敏等[5]對(duì)滲透桶法進(jìn)行了改進(jìn)，可明顯減輕工作強(qiáng)度、提高試驗(yàn)精度；張志清[6]通過(guò)分析寧夏路基黃土顆粒組成和化學(xué)成分，對(duì)其水理特性進(jìn)行了深入研究，探討了路基黃土滲透和濕陷的發(fā)展規(guī)律；王輝等[7]研究了干密度對(duì)黃土滲透系數(shù)的影響，以及原狀黃土滲透系數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律。盡管國(guó)內(nèi)外在滲流試驗(yàn)儀器研制、土壤滲流機(jī)理研究等方面已經(jīng)積累了很多經(jīng)驗(yàn)，但對(duì)瞬態(tài)滲流場(chǎng)的研究，無(wú)論是在試驗(yàn)理論、試驗(yàn)過(guò)程，還是在研制理想的、有效的、結(jié)合實(shí)際的室內(nèi)、室外試驗(yàn)設(shè)備方面都存在不足，比如實(shí)驗(yàn)室多采用一維土柱和滲流槽，試驗(yàn)對(duì)象多采用重塑試樣，尤其是模擬地下水位抬升與黃土災(zāi)害關(guān)系的試驗(yàn)研究較少；此外，試驗(yàn)假設(shè)條件與實(shí)際出入較大、操作不便、測(cè)試結(jié)果可靠性差、自動(dòng)化程度不高等問(wèn)題也急需改進(jìn)。為了探索非飽土滲流模式及滲流規(guī)律，筆者嘗試針對(duì)地下水位抬升情況下的非飽和土—水作用模式進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)備研制。

1 試驗(yàn)原理

黃土是典型的非飽和土，具有極其特別的水敏性。針對(duì)地下水位抬升情況，考慮非飽和滲流和毛細(xì)力的貢獻(xiàn)，探索地下水位變化對(duì)黃土斜坡穩(wěn)定性的影響過(guò)程，這不僅是研究黃土災(zāi)害屬性的重要環(huán)節(jié)，而且是研究非飽和土—水作用過(guò)程與方式的理論基礎(chǔ)。1931年Richard研究指出非飽和土中水的流動(dòng)仍符合達(dá)西定律[7]，水呈非恒定流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，因水頭或水勢(shì)沿流程呈非線性變化，達(dá)西定律須以微分形式表示，即

(1)

式中：q為滲流速度，m/s；K為滲透系數(shù)，m/s；H為總水頭或總水勢(shì)，m；L為滲流路徑的直線長(zhǎng)度，m。

黃土的毛細(xì)孔隙系統(tǒng)實(shí)際上是形狀和大小復(fù)雜多變的管道體系，可近似將其視為一束圓管系統(tǒng)，圓管直徑等于孔隙的平均直徑D。土壤孔隙中的彎液面可近似看作圓管彎液面，在土、水、氣三相交界處形成彎液面，產(chǎn)生毛細(xì)現(xiàn)象。試驗(yàn)側(cè)重研究非飽和土垂向毛細(xì)作用規(guī)律，毛細(xì)水彎液面上升至某一高度，在此瞬間彎液面的上升速度為

(2)

式中：u為彎液面瞬間上升速度，m/s；K為滲透系數(shù)，m/s；n為孔隙度；Pc為毛細(xì)水上升最大高度，m；l為某時(shí)刻水柱高度，m；I為結(jié)合水阻力，N。

2 設(shè)備研制

2.1 設(shè)備組成

基于對(duì)前述土—水作用過(guò)程的認(rèn)識(shí)，設(shè)計(jì)非飽和土調(diào)壓吸水實(shí)驗(yàn)儀如圖1所示。實(shí)驗(yàn)儀主要由補(bǔ)水裝置和滲流(取樣)裝置兩部分組成。補(bǔ)水裝置為改進(jìn)的馬氏瓶，為便于觀測(cè)，滲流(取樣)裝置采用透明的有機(jī)玻璃筒。

(注：實(shí)線框內(nèi)為補(bǔ)水裝置，虛線框內(nèi)為滲流(取樣)裝置，其中①、③為玻璃導(dǎo)管，②為有機(jī)玻璃筒，④為硅膠漏斗，⑤為鐵絲網(wǎng)，⑥為鐵箍，⑦為紗布，⑧為取樣筒及試樣筒，⑨為透水板)

(1)基于馬氏瓶定水頭供水原理，在設(shè)計(jì)補(bǔ)水裝置時(shí)對(duì)馬氏瓶進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的補(bǔ)水裝置主要由閥門、玻璃導(dǎo)管、有機(jī)玻璃筒組成。有機(jī)玻璃筒兩端封閉，在底部直徑兩端各打一小孔，在頂部中心打一圓孔插入玻璃導(dǎo)管。

(2)滲流裝置主要由有機(jī)玻璃筒、鐵箍、硅膠漏斗、鐵絲網(wǎng)、透水板、紗布、玻璃導(dǎo)管組成。滲流(取樣)裝置采用圓柱形的有機(jī)玻璃筒，底部由上至下依次放置紗布、透水板、鐵絲網(wǎng)及硅膠漏斗口，并用鐵箍將硅膠漏斗和鐵絲網(wǎng)與試樣筒底部箍緊。有機(jī)玻璃是一種綜合性能優(yōu)良的合成材料，其透明性好、機(jī)械強(qiáng)度高、密度小、易于加工的特性可以滿足試驗(yàn)需求。取樣時(shí)，剖開(kāi)黃土新鮮面，整平工作面，在取樣筒及試樣筒內(nèi)部均勻涂抹一層凡士林并垂直放于工作面，邊削邊壓，不擾動(dòng)試樣，直到試樣高度達(dá)到設(shè)計(jì)尺寸，用保鮮膜密封，放入保濕器。

(3)試驗(yàn)臺(tái)主要由試驗(yàn)桌、鐵架臺(tái)組成，鐵架臺(tái)用于固定和支撐補(bǔ)水裝置和滲流裝置，使其固定在適宜高度。

2.2 設(shè)備功能

利用根據(jù)馬氏瓶原理制作而成的補(bǔ)水裝置模擬地下水并控制補(bǔ)水的水頭高度，可提供多個(gè)地下水力梯度。在玻璃筒內(nèi)裝入適量水后，將玻璃導(dǎo)管下口深入到液面以下，筒內(nèi)靜水壓力即為恒定，玻璃筒內(nèi)液體流出后筒頂形成真空，空氣只能從玻璃導(dǎo)管進(jìn)入，玻璃導(dǎo)管下口即為接觸空氣點(diǎn)，因此只要液面不低于玻璃導(dǎo)管下口，玻璃導(dǎo)管口以上液面高度的增減將不影響靜水壓力，從而自動(dòng)保持了流速的恒定，保證了試驗(yàn)的真實(shí)性。同時(shí)，可調(diào)整玻璃導(dǎo)管下口的高度以提供多種恒定靜水壓力，通過(guò)玻璃導(dǎo)管從底部對(duì)被測(cè)土樣進(jìn)行均勻補(bǔ)水，可以有效地模擬地下水位的升降，測(cè)試結(jié)果直觀、準(zhǔn)確、穩(wěn)定，受外界測(cè)試環(huán)境因素影響較小。滲流裝置采用取樣設(shè)備與滲流容器一體化概念，將從取樣筒取回的試樣直接用于試驗(yàn)中，有效防止了水沿容器壁上升，避免了取樣和試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)原狀土樣的擾動(dòng)，使試驗(yàn)數(shù)據(jù)更接近真實(shí)情況。滲流容器的透明性為直接觀察滲流鋒面的上升過(guò)程、滲流鋒面位移—時(shí)間對(duì)應(yīng)參數(shù)創(chuàng)造了條件。試樣與透水板之間的紗布能有效防止土顆粒進(jìn)入透水板，避免影響試樣吸水的均勻性。鐵絲網(wǎng)可將透水板有效固定在試樣底部，硅膠漏斗口與玻璃筒底部由鐵箍鎖緊不僅保證了氣密性，還可使水頭壓力均勻作用于試樣底部。

總之，非飽和土調(diào)壓吸水實(shí)驗(yàn)儀具有精確控制地下水壓力水頭、提供多種恒定靜水壓力、直觀觀察滲流鋒面、獲得一系列水—土作用過(guò)程試驗(yàn)數(shù)據(jù)等功能，試驗(yàn)設(shè)備輕便、靈活，試驗(yàn)過(guò)程直觀，試驗(yàn)條件接近于真實(shí)情況，試驗(yàn)方案多元化，能夠很好地與工程實(shí)際相結(jié)合，且測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確穩(wěn)定，受外界測(cè)試環(huán)境因素的影響較小，能真實(shí)再現(xiàn)土體滲流過(guò)程。

2.3 試驗(yàn)過(guò)程

在野外取樣及試驗(yàn)準(zhǔn)備工作就緒后開(kāi)始試驗(yàn)，流程如下：①將補(bǔ)水裝置及滲流裝置分別固定于鐵架臺(tái)上，在試樣底部依次放置紗布、透水板、鐵絲網(wǎng)、硅膠漏斗，并用鐵箍將鐵絲網(wǎng)、硅膠漏斗口與試樣筒底部鎖緊，玻璃導(dǎo)管一端與供水口連接，另一端與硅膠漏斗尖嘴連接，試驗(yàn)裝置安裝完成。②將補(bǔ)水裝置進(jìn)水口打開(kāi)，關(guān)掉供水口和排氣口，由進(jìn)水口向筒內(nèi)供水，并添加石蕊指示劑。供水至合適位置時(shí)關(guān)閉進(jìn)水口，玻璃導(dǎo)管上口用橡皮塞密封，打開(kāi)排氣口排氣至排氣口不再有水流出，關(guān)閉排氣口。③調(diào)整玻璃導(dǎo)管下口的高度，使其到試樣底部的垂直距離達(dá)到試驗(yàn)預(yù)設(shè)定水頭高度值，去除玻璃導(dǎo)管上口的橡皮塞，開(kāi)始試驗(yàn)。④隨著時(shí)間的推移，觀察濕潤(rùn)鋒面由底部逐漸向上遷移的過(guò)程，填寫(xiě)“滲流過(guò)程”記錄表格。濕潤(rùn)鋒面上升到試樣頂部時(shí)，即為試驗(yàn)終態(tài)時(shí)刻，進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和分析。⑤更換另一組原狀試樣，調(diào)整玻璃導(dǎo)管下口的高度，使其到試樣底部的垂直距離達(dá)到其他預(yù)設(shè)定水頭高度值，重復(fù)步驟②③④，試驗(yàn)結(jié)束。

3 實(shí)例應(yīng)用

對(duì)非飽和土調(diào)壓吸水實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行無(wú)水頭壓力及定水頭壓力兩種給水條件下吸水(向上滲透)規(guī)律試驗(yàn)的檢驗(yàn)。取某地原狀馬蘭黃土試樣2組，共6件，分無(wú)水頭壓力(3件)及壓力水頭高度分別為2、5、8 cm等情況進(jìn)行試驗(yàn)，獲得滲流鋒面位移(H)與時(shí)間(T)的對(duì)應(yīng)參數(shù)。通過(guò)滲流試驗(yàn)，獲得某地馬蘭黃土在不同水頭壓力條件下滲流鋒面上升位移與時(shí)間的對(duì)應(yīng)參數(shù)，以及距試樣底部5、10及15 cm處的土壤質(zhì)量含水率(表1)。

表1 某地馬蘭黃土試樣試驗(yàn)前后含水率變化

基于一系列水—土作用過(guò)程中滲流過(guò)程的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制某地馬蘭黃土無(wú)水頭壓力條件下吸水滲流鋒面H-T關(guān)系曲線(圖2)以及定水頭壓力作用下向上滲流鋒面H-T關(guān)系曲線(圖3)。由圖2可知，隨著吸水滲流鋒面高度的增加，吸水滲流速率呈減小趨勢(shì)。圖2、3中試樣的滲流特點(diǎn)(規(guī)律)相似，均存在快速滲流和趨穩(wěn)滲流兩個(gè)階段，但兩階段間拐點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間略有差異。無(wú)水頭壓力和2、5、8 cm定水頭壓力條件下出現(xiàn)拐點(diǎn)的時(shí)間分別是30、26、22、15 min，拐點(diǎn)高度分別是10、13、15、16 cm，拐點(diǎn)高度以下平均吸水速率分別為0.46、0.58、0.65、1.31 cm/min。由表1可知，土柱吸水后含水率接近或超過(guò)液限且由下至上呈減小趨勢(shì)，3個(gè)試樣在同一高度處的含水率基本相同，這說(shuō)明水頭壓力能夠改變滲流速率和快速滲流階段向上滲流的高度，對(duì)同一深度土樣的土壤含水率沒(méi)有影響。

圖2 無(wú)水頭壓力下滲流鋒面高度與時(shí)間的關(guān)系曲線

圖3 定水頭壓力下滲流鋒面高度與時(shí)間的關(guān)系曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明：滲流曲線分為快速滲流和趨穩(wěn)滲流兩個(gè)階段，快速滲流階段隨著地下水壓力水頭的增加滲流速率逐漸增大，趨穩(wěn)滲流階段地下水壓力水頭的變化對(duì)滲流速率基本無(wú)影響，滲流鋒面僅在毛細(xì)作用下繼續(xù)上升，符合自然滲流規(guī)律，驗(yàn)證了試驗(yàn)設(shè)備具有可操作性和可行性。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1) 研制的非飽和土調(diào)壓吸水實(shí)驗(yàn)儀可有效控制水頭壓力。取樣器與試驗(yàn)容器一體化可避免試驗(yàn)過(guò)程中的試樣擾動(dòng)，同時(shí)解決了滲流試驗(yàn)過(guò)程中水沿筒壁上升的問(wèn)題。

(2) 無(wú)水頭或定水頭壓力條件下，向上滲流鋒面全滲程呈上凸形態(tài)。滲流過(guò)程存在快速滲流和趨穩(wěn)滲流兩個(gè)階段。

(3)水頭壓力變化僅對(duì)快速滲流階段有影響，隨水頭壓力的增加滲流速率增大，趨穩(wěn)滲流階段地下水壓力水頭的變化對(duì)滲流速率基本無(wú)影響，滲流鋒面僅在毛細(xì)作用下繼續(xù)上升。

(4)土柱含水率從下至上呈減小趨勢(shì)，且壓力水頭的變化對(duì)同一深度土樣的含水率沒(méi)有影響。

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