曾磊 段磊 李萬鵬 喬曉英 李俊亭

摘要：為了研究溫度對飽和-非飽和土水力參數(shù)的影響，根據(jù)達西定律，研制了一種變溫下飽和-非飽和土水力參數(shù)測定裝置，該裝置包括實驗筒、供水與回水系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該裝置可以獲得不同溫度下飽和滲透系數(shù)、給水度和土壤水分特征曲線、非飽和滲透系數(shù)、比容水量和擴散率等參數(shù)，進一步可以獲得這些參數(shù)與溫度的數(shù)學(xué)表達式；該實驗裝置所用試樣大，減少了小試樣測試結(jié)果的隨機性，且測定參數(shù)多、自動化程度高，具有推廣應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：飽和-非飽和土；水力參數(shù)；溫度；達西定律

中圖分類號：TU411 文獻標志碼：A 文章編號：1672-1683（2016）04-0142-05

Abstract：In order to study the effect of temperature on the saturated-unsaturated hydraulic parameters，the measurement device for determining hydraulic parameters of saturated-unsaturated soils under variable temperature was developed based on Darcy′s law，which contained test column，water supply and return system，and data acquisition system.The device could obtain the saturated permeability coefficient，water and soil water characteristic curve，and unsaturated permeability coefficient parameters，the water capacity and the diffusion rate at different temperatures.Then，the mathematical expressions of temperature and these parameters could be further obtained.In addition，it was shown that the high automatic degree device had popularization and application value for large samples to reduce the randomness of the small sample and determined the parameters of saturated-unsaturated soils.

Key words：saturated and unsaturated soils；hydraulic parameters；temperature；Darcy′s law

西北黃土高原區(qū)是地質(zhì)災(zāi)害主要頻發(fā)區(qū)之一，黃土的特有性質(zhì)以及氣候影響是導(dǎo)致災(zāi)害形成的主要因素，其中凍融作用不容忽視[1-2]。在黃土地區(qū)，凍融作用不但改變了黃土的性質(zhì)，同時也影響著黃土區(qū)的水文地質(zhì)條件。凍融過程中，黃土受溫度的影響熱脹冷縮，使黃土的水文參數(shù)發(fā)生變化，地下水的補徑排條件發(fā)生改變[3]，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)地下水水位上下波動，引發(fā)黃土凍融滑坡。季節(jié)性凍土的水文特性研究開始于上世紀七十年代，主要研究有凍融過程中水-氣-熱的運移、黃土性質(zhì)與水文地質(zhì)參數(shù)關(guān)系等方面[4-8]。已有研究表明，飽和-非飽和土水力參數(shù)是研究黃土斜坡水文循環(huán)機理及評價斜坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)，且受溫度和密度變化的影響[9-10]。

關(guān)于不同溫度下飽和-非飽和土水力參數(shù)的測定，已有部分專家學(xué)者開展了卓有成效的研究。如高紅貝等在研究溫度對土壤水分運動參數(shù)的影響時，采用冷凍離心機、定水頭垂直土柱裝置和一維水平土柱裝置等3種實驗裝置分別測定了土壤水分特征曲線、導(dǎo)水率、擴散率和比水容量等參數(shù)[10]；張富倉等在可控溫度的恒溫箱內(nèi)，利用小型壓力室和水平土柱分別測定了土壤水分特征參數(shù)和土壤水分擴散率[11]；馮寶平研制了高、中、低溫度段的3個土柱入滲實驗裝置，獲得了不同溫度段下土壤水分運動參數(shù)，且土壤含水率采用烘干法進行測量[12]；盧靖等將土樣裝入環(huán)刀內(nèi)，利用高速離心機法獲得了不同溫度和密度下的非飽和黃土土壤水分特征曲線[13]。然而，上述飽和-非飽和土水力參數(shù)測定過程較繁瑣或者測定的參數(shù)指標少；針對多個土水力參數(shù)的測定，將會耗費較多的時間和經(jīng)費且可靠性不高。因此，本文開發(fā)了一種測定變溫下飽和-非飽和土水力參數(shù)的方法，實現(xiàn)了不同溫度下飽和-非飽和土水力參數(shù)的聯(lián)測，彌補現(xiàn)有測定方法的不足。

1 工作原理

1.1 不同溫度下飽和滲透系數(shù)的測試原理

滲透系數(shù)的大小主要取決于孔隙的大小、形狀和連通性，也受到水的黏滯性和容重的影響[14]。根據(jù)滲流理論與地下水動力學(xué)的知識，可知土體滲透系數(shù)（K）的表達式為：

對于一個特定土體而言，滲透率是一個常數(shù)，僅僅與土體的孔隙大小與孔隙率有關(guān)，而與通過土體的流體無關(guān)。確定滲透率的困難在于d的不易確定，因此利用式（1）確定滲透系數(shù)K在實踐上是比較困難的。

由計算滲透系數(shù)的公式可見，假定某種溫度下的水通過某特定土體的滲透系數(shù)（K）已知，那么滲透率可由下式計算：

滲透系數(shù)（K）的測定可用傳統(tǒng)的達西實驗來做。由于水在不同溫度下的容重與動力粘滯系數(shù)是已知的。由公式（2）可以獲得滲透率[WTB1X]k，那么，對于某一特定土體在確定滲透率k[WTBZ]之后，就可以根據(jù)不同溫度下的容重與動力粘滯系數(shù)計算該溫度下的土體滲透系數(shù)。

1.2 給水度的測定原理

給水度μ是土壤釋水性的一個重要指標。當無蒸發(fā)時，地下水位自埋深H下降ΔH，土壤的釋水量W也即土壤的內(nèi)排水量，為相應(yīng)的兩種穩(wěn)定含水量剖面之差，可寫為[15]：

式中：θ（z）即地下水位以上的穩(wěn)定含水量剖面θ與z的關(guān)系；θs為飽和含水量。按給水度μ的定義，則可推導(dǎo)出μ=θs-θ（H）；當已知地下水位以上的穩(wěn)定含水量分布后，該地下水位埋深處的給水度μ等于飽和含水量θs與相應(yīng)地表處的含水量θ（H）之差。在現(xiàn)有實驗條件下，土柱由飽和狀態(tài)進行脫水時，由于實驗裝置處于密閉條件，蒸發(fā)對土柱脫水的影響忽略不計，可以利用上述理論基礎(chǔ)估算土壤給水度。

1.3 不同溫度下非飽和土水力參數(shù)的測試原理

對實測的含水率和負壓采用Van Genuchten公式[16]進行擬合，得到進氣α值和曲線形狀參數(shù)n等參數(shù)。

2 實驗裝置研制和實施過程

2.1 實驗裝置研制

依據(jù)上述理論，課題組研制了變溫下飽和-非飽和土水力參數(shù)測定裝置，該實驗裝置由三部分構(gòu)成：實驗筒、供水與回水系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實驗裝置見圖1。

（1）實驗筒。

實驗筒總高230 cm，內(nèi)直徑61.8 cm，由上下兩節(jié)組成。下節(jié)高為100 cm，上節(jié)高為130 cm，中間由法蘭盤連接。上下頂端為一橢球狀，長半軸（內(nèi)、水平方向）30.9 cm，短半軸（內(nèi)、垂向）20 cm。筒壁厚10 cm，由三層組成，內(nèi)、外層為夾帶保溫材料厚約1.2 cm的玻璃鋼，中間填充可保溫的環(huán)戊烷發(fā)泡劑厚7～8 cm。筒內(nèi)的空間高度為210 cm。實驗筒下部的濾板，為10 mm厚的玻璃鋼，下有支撐。連接實驗筒上、下兩部分的法蘭盤，盤厚1.5 cm，緣寬4 cm，由直徑10 mm的30個螺栓固定。圓形底座高為40 cmm，三面拱形鏤空和底部留有3個均勻的8 mm孔洞，便于采用膨脹螺絲固定于實驗臺。

實驗柱下部距底部10 cm上方設(shè)置排水管口，排水管正上方20 cm以上設(shè)置了7個壓力傳感器位置，壓力傳感器正對面布設(shè)7個含水率和溫度傳感器位置。法蘭盤20 cm上方設(shè)置4個排水管口，排水管間距為20 cm且與壓力傳感器在同一個方向，排水管可以設(shè)置4個壓力水頭實驗情景，分別為160 cm、180 cm、200 cm和220 cm；又設(shè)置有4個溫度傳感器位置且與實驗柱下部溫度傳感器在同一個方向，間距為20 cm。上述傳感器位置的間距均為10 cm。實驗柱上部頂端設(shè)置一個排氣孔，口徑為16 mm。

（2）供水與回水系統(tǒng)。

供水與回水系統(tǒng)包括可調(diào)溫保溫箱、管道泵、流量計和加熱裝置?？烧{(diào)溫度的恒溫箱，溫度范圍0 ℃～50 ℃，能使實驗介質(zhì)和水分保持相同的溫度；內(nèi)置加工的水箱，水箱設(shè)置溢流口，它的作用是：供水箱排氣；當供水超過警戒線時排水。流量計測量范圍為0～1 m³/h，精確度為±0.5%。增壓泵揚程最大為18 m，功率為260 w。實驗用水回收系統(tǒng)：由實驗筒控制閥排出的水可能含有一定量的泥時，可通過控制閥排至實驗系統(tǒng)外；當回水不含泥時就可直接排至變溫水箱，再經(jīng)調(diào)整加溫后流入供水箱。

（3）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集傳感器、數(shù)據(jù)采集箱、計算機和采集軟件。數(shù)據(jù)采集傳感器包含正負壓傳感器、溫度傳感器和含水率傳感器。數(shù)據(jù)采集箱擁有數(shù)據(jù)26組采集端，將壓力、溫度、含水率和流量實時傳輸?shù)接嬎銠C，自動記錄并存儲溫度、壓力、溫度和流量數(shù)據(jù)。

2.2 實驗實施過程

（1）在濾板上墊80～120目濾網(wǎng)，濾網(wǎng)上依次鋪設(shè)粗砂、中砂和細砂，厚度約為5 cm，防止細顆粒土壤隨水流散失。

（2）根據(jù)野外確定的土壤干容重，每鋪一層約10 cm厚，便用木錘壓實，使土壤密實度接近干容重。在實驗筒中裝填土壤距實驗柱頂部5 cm時，依次鋪設(shè)細砂、中砂和粗砂。

（3）由供水管向?qū)嶒炌猜┧粮?00 cm，停止5～6 h，再從排水管向外排水。反復(fù)4～5次，確認土壤密實，結(jié)束供、排水過程。

（4）采用專用工具在實驗筒中安裝標定后的壓力傳感器、溫度傳感器與含水率測量儀的測量探頭，將壓力傳感器、溫度傳感器、含水率測量儀和流量計的數(shù)據(jù)傳輸電纜連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與計算機連接，在計算機中安裝變溫度土壤水力參數(shù)采集軟件。

（5）打開進水口，開啟變溫度供水箱，將變溫度供水箱設(shè)置為某一特定溫度，依次開啟增壓泵和流量計，緩慢供水，使水頭達到實驗筒上部最上端排水管處，使試樣完全飽和，數(shù)據(jù)記錄頻率可根據(jù)研究的需要自行設(shè)定；流量穩(wěn)定20～30 min時，該條件下實驗結(jié)束。

（6）依次降低排水管高度，重復(fù)步驟5的操作，直到降低到排水管的最低處為止。此時，實驗介質(zhì)飽和狀態(tài)下參數(shù)測定結(jié)束。

（7）緩慢打開實驗筒下端排水管，實驗筒自行排水，開始進行非飽和土水力參數(shù)測定實驗，獲取特定溫度非飽和狀態(tài)下負壓和含水率等參數(shù)；當含水率達到殘留含水率時，非飽和參數(shù)測定實驗停止。

（8）重新設(shè)置實驗溫度，依次重復(fù)步驟5、步驟6和步驟7的操作，直至滿足土樣不同溫度下飽和-非飽和水力參數(shù)測定的需要。

2.3 實驗裝置的特點

（1）采用環(huán)戊烷發(fā)泡劑填充實驗柱壁空腔，隔絕實驗柱土壤與外部環(huán)境熱交換，起到保溫效果。

（2）增加了變溫度供水裝置，通過改變實驗用水溫度來達到調(diào)節(jié)溫度，以適應(yīng)不同溫度條件下土壤水力參數(shù)測定的需求。

（3）在實驗柱上部安裝了排氣孔，解決了已有包氣帶參數(shù)測定過程中的排氣難題。

（4）在實驗柱上部安裝了4個不同高度的排水管，實現(xiàn)了不同水頭條件下飽和試樣參數(shù)的測定以及飽和-非飽和條件下水力參數(shù)的連續(xù)測定，彌補了已有技術(shù)只能測定飽和或者非飽和單一狀態(tài)下土壤參數(shù)測定的不足。

因此，本文研制的測試裝置可以直接或間接獲得飽和-非飽和土水力參數(shù)11種，與溫度有關(guān)的水力參數(shù)數(shù)學(xué)表達式4個。關(guān)于土壤水力參數(shù)與溫度和含水率的關(guān)系研究，將是進一步研究的主要內(nèi)容，本文不再詳細探討。

3.2 該測試方法的優(yōu)缺點

針對變溫度下飽和-非飽和土水力參數(shù)的測定，已有專家學(xué)者對傳統(tǒng)的測試方法進行了改進，根據(jù)已有恒溫箱的容積，采用小型壓力室和土柱測試土水特征曲線和土壤水分擴散率[11]；依據(jù)研究目的，劃分高、中和低溫度等3個溫度段，研制了不同溫度段的土壤水分運動參數(shù)測定裝置[12]。然而，上述測試方法需要多個實驗裝置，那么就會耗費經(jīng)費和時間，土樣的大小也受到了限制，增加了實驗結(jié)果的不確定性。由于土壤水分運動參數(shù)較多，陳輝等開發(fā)了非飽和土土-水力參數(shù)聯(lián)合測試系統(tǒng)，能夠同時測定非飽和土土-水特征曲線和非飽和滲透系數(shù)[18]，但該方法所用試樣小，且僅能在測試室溫下非飽和土-水力參數(shù)。

本文開發(fā)的變溫度下飽和-非飽和土水力參數(shù)測定方法與已有方法相比具有以下優(yōu)點：（1）可以設(shè)置不同的實驗溫度；試樣比較大，減少了小試樣實驗結(jié)果的隨機性。（2）實現(xiàn)了不同水頭條件下飽和土水力參數(shù)的測定以及飽和-非飽和條件下參數(shù)的連續(xù)測定，彌補了已有技術(shù)只能測定飽和或者非飽和單一狀態(tài)下土壤水力參數(shù)測定的不足。（3）本方法操作方便，能夠測定的參數(shù)多，自動化程度高，節(jié)省了人力。不足之處是非飽和狀態(tài)自然排水需要時間較長。

4 結(jié)論

本文研制了不同溫度下非飽和-飽和水力參數(shù)測定裝置，可以實時測定流量、正負壓力、含水率和溫度；通過達西定律和Van Genuchten公式等可獲得飽和滲透系數(shù)、給水度和非飽和土壤水分特征曲線、滲透系數(shù)、比水容量和擴散率等參數(shù)，并以黃土為例進行了驗證。該實驗方法所用試樣大，減少了小試樣測試結(jié)果的隨機性，且測定參數(shù)多、自動化程度高，具有推廣應(yīng)用價值。

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