于光濤 張 華 倪明孚 黃 亮

(1.三峽大學(xué) 湖北長江三峽滑坡國家野外科學(xué)觀測研究站,湖北 宜昌 443002;2.廣東金輝華集團(tuán)有限公司,廣東 江門 529300)

入滲是水分進(jìn)入土體后在土體中運(yùn)動(dòng)和存儲(chǔ)的過程,實(shí)際工程中大部分土體處于非飽和狀態(tài),監(jiān)測水分在土體中的入滲過程,研究水分運(yùn)移機(jī)理,對研究地下水及降雨誘發(fā)滑坡等問題有重要意義[1-2].由于技術(shù)手段的限制,以往的測量儀器通常布置在外部邊界處監(jiān)測水分運(yùn)移過程,或布置在內(nèi)部監(jiān)測局部物理量的平均變化,但都難以及時(shí)準(zhǔn)確捕捉土體內(nèi)部濕潤鋒面前后濕度、吸力、含水量等物理量的突變.因此,探索一種高精度且可靠的水分傳感器及其監(jiān)測濕潤鋒的方法,對研究土壤入滲具有重要意義,將為解決實(shí)際工程降雨入滲問題提供可行監(jiān)測方案.

國內(nèi)外學(xué)者多通過室內(nèi)土柱試驗(yàn)研究水分入滲過程,室內(nèi)土柱試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)在于容易控制邊界條件,且方便進(jìn)行對照試驗(yàn).王春穎等[3]研究了夾砂層對土柱入滲強(qiáng)度、濕潤鋒行進(jìn)和沿程土壤含水率變化的影響.覃小華等[4]探究了不同降雨強(qiáng)度下垂直黃土土柱的入滲率時(shí)程曲線、浸潤峰深度時(shí)程曲線及監(jiān)測點(diǎn)體積含水率的變化規(guī)律.簡文彬等[5]針對坡積土和殘積土設(shè)計(jì)土柱試驗(yàn),對其滲透特性提出了濕潤鋒入滲公式.不少學(xué)者也針對土柱入滲試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬,探究其水分運(yùn)移過程.朱偉等[6-7]通過室內(nèi)降雨入滲土柱試驗(yàn),探討了反映降雨入滲量的有限元計(jì)算方法,并對常見的非飽和滲流問題進(jìn)行了論述.陳學(xué)冬等[8]針對淺層非飽和帶研究了表層入滲量的主要影響因素.劉麗等[9]通過土柱試驗(yàn)對濕潤鋒前進(jìn)法精度分析,提出使用濕潤鋒特征含水率計(jì)算濕潤鋒前進(jìn)速率.李旭等[10]通過大型土柱模擬試驗(yàn)監(jiān)測土壤濕潤鋒推進(jìn)過程,提出土壤濕潤過程可分為3個(gè)階段:初始階段、濕潤階段和飽和階段.在濕潤階段,隨著濕潤鋒的通過,測試段含水量急劇增加,達(dá)到較高的含水量,而這一過程由于測量儀器的精度不足,難以精確地監(jiān)測到含水量的驟升過程.

以上研究監(jiān)測了一維積水入滲情況下土柱的入滲率和濕潤鋒的行進(jìn)過程,并結(jié)合數(shù)值模擬驗(yàn)證其準(zhǔn)確性,但在非飽和入滲階段的測量方面均存在測量間隔長和測量范圍不準(zhǔn)確等問題[11-13].上述試驗(yàn)中所用水分傳感器多基于時(shí)域反射法,測量探針范圍內(nèi)的平均含水率,單次測量反應(yīng)時(shí)間長,難以及時(shí)監(jiān)測濕潤鋒經(jīng)過土柱內(nèi)部某一點(diǎn)時(shí)水分的突變.

本文在前人研究的基礎(chǔ)上,對傳統(tǒng)入滲試驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn),選用SHT30型數(shù)字溫濕度傳感器對積水條件下均質(zhì)土柱的濕潤鋒推進(jìn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,然后結(jié)合室內(nèi)常水頭試驗(yàn)和非飽和滲流經(jīng)驗(yàn)公式,采用SEEP/W模擬入滲過程,揭示了濕潤鋒推進(jìn)前后土壤內(nèi)部含水量、濕度等變化規(guī)律.

1 試驗(yàn)方案及設(shè)備

1.1 傳感器及一維土柱試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用瑞士盛世瑞恩(Sensirion)生產(chǎn)的SHT30型數(shù)字溫濕度傳感器,濕度測量精度為±2%,單個(gè)傳感器模塊尺寸為12 mm×12 mm,如圖1所示.通過并聯(lián)方式將8個(gè)SHT30傳感器模塊焊接到一條柔性條帶,除傳感器感應(yīng)孔以外的焊點(diǎn)及電路板均用環(huán)氧樹脂進(jìn)行防水和絕緣處理,以增強(qiáng)傳感器的耐久性和穩(wěn)定性.通過中國宏晶科技生產(chǎn)的STC89C52RC單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號讀取,控制每1 s循環(huán)檢測8個(gè)傳感器讀數(shù),并通過UART串口發(fā)送到電腦端保存數(shù)據(jù).

圖1 SHT30溫濕度傳感器條帶

一維積水入滲試驗(yàn)裝置及傳感器布置如圖2所示.入滲裝置為直徑10 cm,高55 cm的有機(jī)玻璃管,底部封閉.從管口10 cm深處開始每隔5 cm開直徑2.5 cm孔用于安裝傳感器條帶,傳感器RH1～RH8從上至下布置在土柱中心,通過橡皮塞與管壁進(jìn)行密封.試驗(yàn)土柱高50 cm,頂部放置1 cm厚透水石避免水沖積土柱表面,通過馬氏瓶控制土柱表面積水深度為4 cm,其中由于透水石本身具有良好的透水性,所以土柱表面的實(shí)際積水深度為5m.試驗(yàn)裝置豎直安放在水平地面,外部粘貼標(biāo)尺以便數(shù)碼相機(jī)定時(shí)拍照記錄濕潤鋒位置.

圖2 一維積水入滲試驗(yàn)裝置及傳感器布置圖

1.2 入滲試驗(yàn)方案

試驗(yàn)所用粗砂取自宜昌某工地,顆粒級配曲線如圖3所示,按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007—2011)中分類屬于粗砂.主要粒組介于0.25～2 mm,級配不良,其相對密度為2.68,天然水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.5%,最大干密度1.85 g/cm3,最小干密度1.57 g/cm3.

圖3 粗砂顆粒級配曲線

取烘干后土樣制作3種干密度分別為1.6 g/cm3、1.7 g/cm3和1.8 g/cm3的試樣,土樣分3層擊實(shí)在有機(jī)玻璃筒中,每次裝填總高度的1/3,然后在土柱上表面放置濾紙和透水石.放置馬氏瓶供水,控制表面積水深度穩(wěn)定在透水石上4 cm.在1.5 m距離處安置Canon 6D Mark II數(shù)碼相機(jī),設(shè)置間隔10 s自動(dòng)連續(xù)拍攝濕潤鋒的位置,待RH8傳感器濕度達(dá)到頂峰時(shí)結(jié)束濕潤鋒觀測.其中依據(jù)Coleman和Bodman提出的積水入滲條件下土體剖面含水量的分布,濕潤鋒是指濕潤區(qū)前緣,而不是實(shí)際水分入滲的最低點(diǎn)[14],通常通過傳感器獲取最低點(diǎn)的數(shù)據(jù)比較困難.本文試驗(yàn)監(jiān)測到濕潤鋒處濕度變化劇烈,為便于分析和比較,取濕度反應(yīng)點(diǎn)為50%,即傳感器監(jiān)測濕度達(dá)到50%時(shí),視為濕潤鋒達(dá)到該監(jiān)測點(diǎn).試驗(yàn)結(jié)束后在各傳感器位置取樣,并用烘干法測其水分質(zhì)量分?jǐn)?shù).

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同干密度土柱入滲過程

按上述試驗(yàn)方案,得到在不同干密度下土柱積水入滲過程中濕度剖面變化曲線如圖4所示.

圖4 傳感器實(shí)測濕度隨時(shí)間變化曲線

由圖4(a)可見,在干密度1.6 g/cm3的土柱入滲過程中,試驗(yàn)開始時(shí)RH1到RH8初濕度均在35%左右,說明土柱在錘擊后孔隙分布均勻.5 min時(shí)濕潤鋒到達(dá)距離土柱頂部5 cm的RH1,濕度驟升到89%,然后趨于穩(wěn)定.15 min時(shí)在RH1下方5 cm處的RH2處濕度也驟升到90%,之后隨著濕潤鋒的行進(jìn),RH3到RH8監(jiān)測到的濕度逐個(gè)驟升到90%左右,到達(dá)RH8的時(shí)間在49 min.說明水分入滲到濕度傳感器位置時(shí),傳感器靈敏捕捉到濕度變化,總吸力大幅度降低,傳感器所在土體趨于飽和.一維土柱不同時(shí)刻濕度剖面呈現(xiàn)明顯活塞推進(jìn)形式,與外部數(shù)碼相機(jī)拍攝的邊壁干濕界面保持一致.

圖4(b)和圖4(c)干密度分別增大到1.7 g/cm3和1.8 g/cm3,隨著土體逐漸密實(shí),土體與室內(nèi)空氣平衡后,內(nèi)部初始濕度也逐步增加,1.7 g/cm3時(shí)增大到37%左右,1.8 g/cm3時(shí)則增大到47%左右.圖4(b)顯示濕潤鋒到達(dá)RH1至RH8的時(shí)間略晚于圖4(a),達(dá)到RH8的時(shí)間是57 min.圖4(c)顯示濕潤鋒達(dá)到RH1至RH8的時(shí)間大幅度晚于前面兩種情況,達(dá)到RH8耗時(shí)115 min.對比圖4(b)和4(c)發(fā)現(xiàn),隨著干密度增大,各個(gè)傳感器監(jiān)測到濕度開始出現(xiàn)變化的時(shí)間逐漸變晚,濕度開始驟升的間隔時(shí)間也略微變長.這說明干密度越大,土柱孔隙越小,土顆粒排列越緊密,單位時(shí)間內(nèi)積水入滲量越低,入滲速率越小.3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,1Hz濕度監(jiān)測頻率已經(jīng)能夠捕捉粗砂中濕潤鋒突變過程,如果土的滲透性更強(qiáng),則可以提高單片機(jī)采樣頻率,SHT30快速讀數(shù)模式最大支持10 Hz采樣頻率.

圖5為試驗(yàn)結(jié)束一段時(shí)間后不同取樣深度質(zhì)量含水率剖面圖,可以看出干密度為1.6 g/cm3時(shí),土柱底部與上部含水率差異較大,曲線在中間有一明顯過渡段.干密度為1.8 g/cm3時(shí),上下含水率差異明顯縮小,且從上到下分布較均勻.主要原因是干密度較小時(shí),水分運(yùn)移通暢,在重力作用下,大多數(shù)水分積聚到下部形成積水,上部為重力疏干后殘留水分.干密度較大時(shí),孔隙變小,毛細(xì)作用更明顯,孔隙吸持和保持水分能力更強(qiáng),上部重力疏干后殘留含水量較高.將圖5中含水率剖面轉(zhuǎn)換為相應(yīng)飽和度剖面,如圖6所示:可以看出不同干密度土柱試驗(yàn)結(jié)束后,濕潤鋒到達(dá)土柱底部,并在底部10 cm范圍出現(xiàn)地下水面.3種干密度土柱在該范圍的飽和度基本相同,均接近80%,說明粗砂積水入滲在土體孔隙中封閉了部分氣泡,自然狀態(tài)下通過水頭和毛細(xì)作用無法使砂土達(dá)到完全飽和狀態(tài).土柱上部的飽和度差異明顯,干密度越大的土體孔隙持水能力越強(qiáng),飽和度越高.

圖5 試驗(yàn)終止后實(shí)測土柱水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)剖面

圖6 試驗(yàn)終止后實(shí)測土柱飽和度剖面

2.2 濕潤鋒及濕度反應(yīng)點(diǎn)

不同干密度下,濕度傳感器監(jiān)測的內(nèi)部濕潤鋒面和外部數(shù)碼相機(jī)拍攝的邊界濕潤鋒面對比結(jié)果如圖7所示.總體來看,內(nèi)外部監(jiān)測的濕潤鋒面位置及推進(jìn)過程具有良好的一致性,內(nèi)部濕度傳感器監(jiān)測結(jié)果略早于外部拍攝結(jié)果,說明高靈敏度的濕度傳感器對于土壤吸濕過程十分敏感,記錄濕潤鋒推進(jìn)過程準(zhǔn)確有效.具體來看,3種干密度下的濕潤鋒在27 min內(nèi)變化趨勢基本保持一致.在27 min后3條曲線開始分散,但土柱干密度為1.6 g/cm3和1.7 g/cm3的濕潤鋒推進(jìn)過程差異性相對較小,干密度為1.8 g/cm3的濕潤鋒線與前兩者相比差異明顯.干密度為1.8 g/cm3時(shí),濕度反應(yīng)點(diǎn)與濕潤鋒在60 min后差異較小,趨勢基本重合.3組試驗(yàn)前27 min監(jiān)測到的外面邊界濕潤鋒基本一致,這一方面與粗砂和有機(jī)玻璃管邊壁效應(yīng)有關(guān),另外一方面也與封閉邊界積水入滲產(chǎn)生氣阻有關(guān),試驗(yàn)過程中觀察到封閉氣泡從積水表面冒出的現(xiàn)象,上述影響因素另文討論.

圖7 濕度傳感器和相機(jī)監(jiān)測的濕潤鋒推進(jìn)對比

3 數(shù)值模擬

3.1 飽和滲透系數(shù)

采用SEEP/W模擬入滲過程,需得提供試驗(yàn)土柱的土水特征曲線和滲透性函數(shù),本文比較了室內(nèi)常水頭滲透試驗(yàn)實(shí)測飽和滲透系數(shù)與經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測飽和滲透系數(shù)的差別.土水特征曲線是基于Arya&Paris方法通過圖3顆粒級配曲線預(yù)測得到,滲透性函數(shù)是上述土水特征曲線和如下兩種方法獲得的飽和滲透系數(shù)預(yù)測得到.

常水頭滲透試驗(yàn)實(shí)測飽和滲透系數(shù)是依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)進(jìn)行,得到不同干密度下粗砂的滲透系數(shù)見表1中K1組.

表1 實(shí)測與預(yù)測和滲透系數(shù)對比表

另外根據(jù)Shahabi[15]提出的公式(1)對飽和滲透系數(shù)進(jìn)行預(yù)測:

式中:A為經(jīng)驗(yàn)系數(shù);e為試驗(yàn)土柱的孔隙比,Cu為不均勻系數(shù).本試驗(yàn)進(jìn)行過程中水溫為10℃,所以經(jīng)驗(yàn)系數(shù)A取值為0.923,結(jié)果見表1中K2組.

最后比較了Carrier[16]改良的Kozeny-Carman公式(2)預(yù)測的飽和滲透系數(shù):

式中:fi為某粒徑范圍土的質(zhì)量分?jǐn)?shù);Dli和Dsi分別為該范圍的最大粒徑和最小粒徑;e為試驗(yàn)土柱的孔隙比;fSF為形狀系數(shù),本試驗(yàn)所用砂顆粒大體較圓滑,所以fSF取值為6.2,結(jié)果見表1中K3組.

對比發(fā)現(xiàn),公式(2)的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)土樣的平均相對誤差為1450%,而公式(1)的平均相對誤差為30%,公式(1)與常水頭試驗(yàn)的結(jié)果相吻合,故選擇K1和K2組作為土柱的飽和滲透系數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬,將得到的結(jié)果與實(shí)際情況進(jìn)行對比.

3.2 數(shù)值模擬

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合SEEP/W有限元計(jì)算軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,擬合入滲過程,再與拍照和傳感器監(jiān)測的入滲過程對比,進(jìn)一步探究入滲規(guī)律.

SEEP/W模擬采用一維模型,模型高度為0.5 m.初始條件和邊界條件為:①干密度為1.6,1.7,1.8 g/cm3的飽和土中所含水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為25%,21.35%,18.06%,初始體積所含水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為5%;②土柱豎立放置,水流在豎直方向一維滲流下滲;③左右邊界和下邊界為隔水邊界;④頂部為常水頭入滲邊界,水頭高度為5 cm.有限單元格為1 cm×1 cm四邊形單元,在模型中間位置設(shè)置監(jiān)測面.選取砂土為研究對象,分別根據(jù)預(yù)測的土水特征曲線和K1、K2組預(yù)測滲透系數(shù)函數(shù),進(jìn)行瞬態(tài)分析,其模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果對比如圖8所示.

圖8 試驗(yàn)實(shí)測值與擬合入滲曲線濕潤鋒推進(jìn)對比

選取某時(shí)刻SEEP/W計(jì)算孔隙水壓力垂直剖面中初始孔壓與水分入滲后近飽和狀態(tài)孔壓的平均值作為數(shù)值計(jì)算濕潤鋒位置.圖8可見模擬結(jié)果與實(shí)測過程具有良好的一致,干密度1.6 g/cm3和1.7 g/cm3的模擬結(jié)果與拍照和傳感器實(shí)測結(jié)果吻合,干密度1.8 g/cm3模擬結(jié)果相對滯后于測試結(jié)果.K1、K2組飽和滲透系數(shù)相差較小,數(shù)值模擬結(jié)果也相差微小.相比預(yù)測公式得到的飽和滲透系數(shù),由常水頭試驗(yàn)實(shí)測飽和滲透系數(shù)擬合參數(shù)進(jìn)行滲流計(jì)算的結(jié)果在3種干密度下都更接近外部拍照得到的濕潤鋒推進(jìn)曲線.

4 結(jié) 論

本文通過室內(nèi)均質(zhì)土柱的一維積水入滲試驗(yàn),對不同高度處傳感器監(jiān)測到的濕度變化、不同干密度下土柱水分變化規(guī)律和濕潤鋒行進(jìn)過程進(jìn)行了試驗(yàn)研究、分析和數(shù)值模擬,得出了以下結(jié)論:

1)在干土吸濕路徑下,SHT30濕度傳感器能夠靈敏捕捉濕潤鋒到達(dá)時(shí)刻,水分剛到達(dá)傳感器位置時(shí),傳感器監(jiān)測的濕度能在1 s內(nèi)驟升,隨著水分浸潤傳感器附近土體,傳感器濕度升至90%以上.土柱的干密度越大,濕度驟升的時(shí)刻越晚,表明傳感器位置處的入滲速率越慢.

2)取濕度為50%的時(shí)間點(diǎn)為濕度反應(yīng)點(diǎn),發(fā)現(xiàn)邊壁拍照監(jiān)測的濕潤鋒與內(nèi)部濕度傳感器監(jiān)測的濕潤鋒略有差距,多數(shù)情況下內(nèi)部濕潤鋒早于外部濕潤鋒到達(dá)同一深度,隨著干密度變大,兩者之間的差距變小.

3)通過對比經(jīng)驗(yàn)公式和常水頭滲透試驗(yàn)得到的飽和滲透系數(shù),發(fā)現(xiàn)Shahabi提出的滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式比Kozeny-Carman公式更適用于粗粒土.根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和SEEP/W模擬入滲過程,發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與傳感器監(jiān)測結(jié)果基本一致,且常水頭試驗(yàn)得到的飽和滲透系數(shù)擬合結(jié)果更接近拍攝得到的濕潤鋒推進(jìn)曲線.