于光涛 张 华 倪明孚 黄 亮

(1.三峡大学 湖北长江三峡滑坡国家野外科学观测研究站,湖北 宜昌 443002;2.广东金辉华集团有限公司,广东 江门 529300)

入渗是水分进入土体后在土体中运动和存储的过程,实际工程中大部分土体处于非饱和状态,监测水分在土体中的入渗过程,研究水分运移机理,对研究地下水及降雨诱发滑坡等问题有重要意义[1-2].由于技术手段的限制,以往的测量仪器通常布置在外部边界处监测水分运移过程,或布置在内部监测局部物理量的平均变化,但都难以及时准确捕捉土体内部湿润锋面前后湿度、吸力、含水量等物理量的突变.因此,探索一种高精度且可靠的水分传感器及其监测湿润锋的方法,对研究土壤入渗具有重要意义,将为解决实际工程降雨入渗问题提供可行监测方案.

国内外学者多通过室内土柱试验研究水分入渗过程,室内土柱试验的优点在于容易控制边界条件,且方便进行对照试验.王春颖等[3]研究了夹砂层对土柱入渗强度、湿润锋行进和沿程土壤含水率变化的影响.覃小华等[4]探究了不同降雨强度下垂直黄土土柱的入渗率时程曲线、浸润峰深度时程曲线及监测点体积含水率的变化规律.简文彬等[5]针对坡积土和残积土设计土柱试验,对其渗透特性提出了湿润锋入渗公式.不少学者也针对土柱入渗试验进行数值模拟,探究其水分运移过程.朱伟等[6-7]通过室内降雨入渗土柱试验,探讨了反映降雨入渗量的有限元计算方法,并对常见的非饱和渗流问题进行了论述.陈学冬等[8]针对浅层非饱和带研究了表层入渗量的主要影响因素.刘丽等[9]通过土柱试验对湿润锋前进法精度分析,提出使用湿润锋特征含水率计算湿润锋前进速率.李旭等[10]通过大型土柱模拟试验监测土壤湿润锋推进过程,提出土壤湿润过程可分为3个阶段:初始阶段、湿润阶段和饱和阶段.在湿润阶段,随着湿润锋的通过,测试段含水量急剧增加,达到较高的含水量,而这一过程由于测量仪器的精度不足,难以精确地监测到含水量的骤升过程.

以上研究监测了一维积水入渗情况下土柱的入渗率和湿润锋的行进过程,并结合数值模拟验证其准确性,但在非饱和入渗阶段的测量方面均存在测量间隔长和测量范围不准确等问题[11-13].上述试验中所用水分传感器多基于时域反射法,测量探针范围内的平均含水率,单次测量反应时间长,难以及时监测湿润锋经过土柱内部某一点时水分的突变.

本文在前人研究的基础上,对传统入渗试验装置进行了改进,选用SHT30型数字温湿度传感器对积水条件下均质土柱的湿润锋推进过程进行实时监测,然后结合室内常水头试验和非饱和渗流经验公式,采用SEEP/W模拟入渗过程,揭示了湿润锋推进前后土壤内部含水量、湿度等变化规律.

1 试验方案及设备

1.1 传感器及一维土柱试验装置

试验采用瑞士盛世瑞恩(Sensirion)生产的SHT30型数字温湿度传感器,湿度测量精度为±2%,单个传感器模块尺寸为12 mm×12 mm,如图1所示.通过并联方式将8个SHT30传感器模块焊接到一条柔性条带,除传感器感应孔以外的焊点及电路板均用环氧树脂进行防水和绝缘处理,以增强传感器的耐久性和稳定性.通过中国宏晶科技生产的STC89C52RC单片机进行数字信号读取,控制每1 s循环检测8个传感器读数,并通过UART串口发送到电脑端保存数据.

图1 SHT30温湿度传感器条带

一维积水入渗试验装置及传感器布置如图2所示.入渗装置为直径10 cm,高55 cm的有机玻璃管,底部封闭.从管口10 cm深处开始每隔5 cm开直径2.5 cm孔用于安装传感器条带,传感器RH1～RH8从上至下布置在土柱中心,通过橡皮塞与管壁进行密封.试验土柱高50 cm,顶部放置1 cm厚透水石避免水冲积土柱表面,通过马氏瓶控制土柱表面积水深度为4 cm,其中由于透水石本身具有良好的透水性,所以土柱表面的实际积水深度为5m.试验装置竖直安放在水平地面,外部粘贴标尺以便数码相机定时拍照记录湿润锋位置.

图2 一维积水入渗试验装置及传感器布置图

1.2 入渗试验方案

试验所用粗砂取自宜昌某工地,颗粒级配曲线如图3所示,按《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2011)中分类属于粗砂.主要粒组介于0.25～2 mm,级配不良,其相对密度为2.68,天然水分质量分数为5.5%,最大干密度1.85 g/cm3,最小干密度1.57 g/cm3.

图3 粗砂颗粒级配曲线

取烘干后土样制作3种干密度分别为1.6 g/cm3、1.7 g/cm3和1.8 g/cm3的试样,土样分3层击实在有机玻璃筒中,每次装填总高度的1/3,然后在土柱上表面放置滤纸和透水石.放置马氏瓶供水,控制表面积水深度稳定在透水石上4 cm.在1.5 m距离处安置Canon 6D Mark II数码相机,设置间隔10 s自动连续拍摄湿润锋的位置,待RH8传感器湿度达到顶峰时结束湿润锋观测.其中依据Coleman和Bodman提出的积水入渗条件下土体剖面含水量的分布,湿润锋是指湿润区前缘,而不是实际水分入渗的最低点[14],通常通过传感器获取最低点的数据比较困难.本文试验监测到湿润锋处湿度变化剧烈,为便于分析和比较,取湿度反应点为50%,即传感器监测湿度达到50%时,视为湿润锋达到该监测点.试验结束后在各传感器位置取样,并用烘干法测其水分质量分数.

2 试验结果与分析

2.1 不同干密度土柱入渗过程

按上述试验方案,得到在不同干密度下土柱积水入渗过程中湿度剖面变化曲线如图4所示.

图4 传感器实测湿度随时间变化曲线

由图4(a)可见,在干密度1.6 g/cm3的土柱入渗过程中,试验开始时RH1到RH8初湿度均在35%左右,说明土柱在锤击后孔隙分布均匀.5 min时湿润锋到达距离土柱顶部5 cm的RH1,湿度骤升到89%,然后趋于稳定.15 min时在RH1下方5 cm处的RH2处湿度也骤升到90%,之后随着湿润锋的行进,RH3到RH8监测到的湿度逐个骤升到90%左右,到达RH8的时间在49 min.说明水分入渗到湿度传感器位置时,传感器灵敏捕捉到湿度变化,总吸力大幅度降低,传感器所在土体趋于饱和.一维土柱不同时刻湿度剖面呈现明显活塞推进形式,与外部数码相机拍摄的边壁干湿界面保持一致.

图4(b)和图4(c)干密度分别增大到1.7 g/cm3和1.8 g/cm3,随着土体逐渐密实,土体与室内空气平衡后,内部初始湿度也逐步增加,1.7 g/cm3时增大到37%左右,1.8 g/cm3时则增大到47%左右.图4(b)显示湿润锋到达RH1至RH8的时间略晚于图4(a),达到RH8的时间是57 min.图4(c)显示湿润锋达到RH1至RH8的时间大幅度晚于前面两种情况,达到RH8耗时115 min.对比图4(b)和4(c)发现,随着干密度增大,各个传感器监测到湿度开始出现变化的时间逐渐变晚,湿度开始骤升的间隔时间也略微变长.这说明干密度越大,土柱孔隙越小,土颗粒排列越紧密,单位时间内积水入渗量越低,入渗速率越小.3组试验数据显示,1Hz湿度监测频率已经能够捕捉粗砂中湿润锋突变过程,如果土的渗透性更强,则可以提高单片机采样频率,SHT30快速读数模式最大支持10 Hz采样频率.

图5为试验结束一段时间后不同取样深度质量含水率剖面图,可以看出干密度为1.6 g/cm3时,土柱底部与上部含水率差异较大,曲线在中间有一明显过渡段.干密度为1.8 g/cm3时,上下含水率差异明显缩小,且从上到下分布较均匀.主要原因是干密度较小时,水分运移通畅,在重力作用下,大多数水分积聚到下部形成积水,上部为重力疏干后残留水分.干密度较大时,孔隙变小,毛细作用更明显,孔隙吸持和保持水分能力更强,上部重力疏干后残留含水量较高.将图5中含水率剖面转换为相应饱和度剖面,如图6所示:可以看出不同干密度土柱试验结束后,湿润锋到达土柱底部,并在底部10 cm范围出现地下水面.3种干密度土柱在该范围的饱和度基本相同,均接近80%,说明粗砂积水入渗在土体孔隙中封闭了部分气泡,自然状态下通过水头和毛细作用无法使砂土达到完全饱和状态.土柱上部的饱和度差异明显,干密度越大的土体孔隙持水能力越强,饱和度越高.

图5 试验终止后实测土柱水分质量分数剖面

图6 试验终止后实测土柱饱和度剖面

2.2 湿润锋及湿度反应点

不同干密度下,湿度传感器监测的内部湿润锋面和外部数码相机拍摄的边界湿润锋面对比结果如图7所示.总体来看,内外部监测的湿润锋面位置及推进过程具有良好的一致性,内部湿度传感器监测结果略早于外部拍摄结果,说明高灵敏度的湿度传感器对于土壤吸湿过程十分敏感,记录湿润锋推进过程准确有效.具体来看,3种干密度下的湿润锋在27 min内变化趋势基本保持一致.在27 min后3条曲线开始分散,但土柱干密度为1.6 g/cm3和1.7 g/cm3的湿润锋推进过程差异性相对较小,干密度为1.8 g/cm3的湿润锋线与前两者相比差异明显.干密度为1.8 g/cm3时,湿度反应点与湿润锋在60 min后差异较小,趋势基本重合.3组试验前27 min监测到的外面边界湿润锋基本一致,这一方面与粗砂和有机玻璃管边壁效应有关,另外一方面也与封闭边界积水入渗产生气阻有关,试验过程中观察到封闭气泡从积水表面冒出的现象,上述影响因素另文讨论.

图7 湿度传感器和相机监测的湿润锋推进对比

3 数值模拟

3.1 饱和渗透系数

采用SEEP/W模拟入渗过程,需得提供试验土柱的土水特征曲线和渗透性函数,本文比较了室内常水头渗透试验实测饱和渗透系数与经验公式预测饱和渗透系数的差别.土水特征曲线是基于Arya&Paris方法通过图3颗粒级配曲线预测得到,渗透性函数是上述土水特征曲线和如下两种方法获得的饱和渗透系数预测得到.

常水头渗透试验实测饱和渗透系数是依据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)进行,得到不同干密度下粗砂的渗透系数见表1中K1组.

表1 实测与预测和渗透系数对比表

另外根据Shahabi[15]提出的公式(1)对饱和渗透系数进行预测:

式中:A为经验系数;e为试验土柱的孔隙比,Cu为不均匀系数.本试验进行过程中水温为10℃,所以经验系数A取值为0.923,结果见表1中K2组.

最后比较了Carrier[16]改良的Kozeny-Carman公式(2)预测的饱和渗透系数:

式中:fi为某粒径范围土的质量分数;Dli和Dsi分别为该范围的最大粒径和最小粒径;e为试验土柱的孔隙比;fSF为形状系数,本试验所用砂颗粒大体较圆滑,所以fSF取值为6.2,结果见表1中K3组.

对比发现,公式(2)的计算结果与试验土样的平均相对误差为1450%,而公式(1)的平均相对误差为30%,公式(1)与常水头试验的结果相吻合,故选择K1和K2组作为土柱的饱和渗透系数进行数值模拟,将得到的结果与实际情况进行对比.

3.2 数值模拟

将试验数据结合SEEP/W有限元计算软件进行数值模拟,拟合入渗过程,再与拍照和传感器监测的入渗过程对比,进一步探究入渗规律.

SEEP/W模拟采用一维模型,模型高度为0.5 m.初始条件和边界条件为:①干密度为1.6,1.7,1.8 g/cm3的饱和土中所含水分质量分数分别为25%,21.35%,18.06%,初始体积所含水分质量分数均为5%;②土柱竖立放置,水流在竖直方向一维渗流下渗;③左右边界和下边界为隔水边界;④顶部为常水头入渗边界,水头高度为5 cm.有限单元格为1 cm×1 cm四边形单元,在模型中间位置设置监测面.选取砂土为研究对象,分别根据预测的土水特征曲线和K1、K2组预测渗透系数函数,进行瞬态分析,其模拟结果与监测结果对比如图8所示.

图8 试验实测值与拟合入渗曲线湿润锋推进对比

选取某时刻SEEP/W计算孔隙水压力垂直剖面中初始孔压与水分入渗后近饱和状态孔压的平均值作为数值计算湿润锋位置.图8可见模拟结果与实测过程具有良好的一致,干密度1.6 g/cm3和1.7 g/cm3的模拟结果与拍照和传感器实测结果吻合,干密度1.8 g/cm3模拟结果相对滞后于测试结果.K1、K2组饱和渗透系数相差较小,数值模拟结果也相差微小.相比预测公式得到的饱和渗透系数,由常水头试验实测饱和渗透系数拟合参数进行渗流计算的结果在3种干密度下都更接近外部拍照得到的湿润锋推进曲线.

4 结 论

本文通过室内均质土柱的一维积水入渗试验,对不同高度处传感器监测到的湿度变化、不同干密度下土柱水分变化规律和湿润锋行进过程进行了试验研究、分析和数值模拟,得出了以下结论:

1)在干土吸湿路径下,SHT30湿度传感器能够灵敏捕捉湿润锋到达时刻,水分刚到达传感器位置时,传感器监测的湿度能在1 s内骤升,随着水分浸润传感器附近土体,传感器湿度升至90%以上.土柱的干密度越大,湿度骤升的时刻越晚,表明传感器位置处的入渗速率越慢.

2)取湿度为50%的时间点为湿度反应点,发现边壁拍照监测的湿润锋与内部湿度传感器监测的湿润锋略有差距,多数情况下内部湿润锋早于外部湿润锋到达同一深度,随着干密度变大,两者之间的差距变小.

3)通过对比经验公式和常水头渗透试验得到的饱和渗透系数,发现Shahabi提出的渗透系数经验公式比Kozeny-Carman公式更适用于粗粒土.根据试验数据和SEEP/W模拟入渗过程,发现模拟结果与传感器监测结果基本一致,且常水头试验得到的饱和渗透系数拟合结果更接近拍摄得到的湿润锋推进曲线.