一維積水入滲水分運移動態(tài)監(jiān)測新技術(shù)

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.廣東金輝華集團有限公司,廣東 江門 529300)

入滲是水分進入土體后在土體中運動和存儲的過程,實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,研究水分運移機理,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,但都難以及時準確捕捉土體內(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)土柱試驗研究水分入滲過程,室內(nèi)土柱試驗的優(yōu)點在于容易控制邊界條件,且方便進行對照試驗.王春穎等[3]研究了夾砂層對土柱入滲強度、濕潤鋒行進和沿程土壤含水率變化的影響.覃小華等[4]探究了不同降雨強度下垂直黃土土柱的入滲率時程曲線、浸潤峰深度時程曲線及監(jiān)測點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)計土柱試驗,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進行數(shù)值模擬,探究其水分運移過程.朱偉等[6-7]通過室內(nèi)降雨入滲土柱試驗,探討了反映降雨入滲量的有限元計算方法,并對常見的非飽和滲流問題進行了論述.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]通過土柱試驗對濕潤鋒前進法精度分析,提出使用濕潤鋒特征含水率計算濕潤鋒前進速率.李旭等[10]通過大型土柱模擬試驗監(jiān)測土壤濕潤鋒推進過程,提出土壤濕潤過程可分為3個階段: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過程,并結(jié)合數(shù)值模擬驗證其準確性,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確等問題[11-13].上述試驗中所用水分傳感器多基于時域反射法,測量探針范圍內(nèi)的平均含水率,單次測量反應(yīng)時間長,難以及時監(jiān)測濕潤鋒經(jīng)過土柱內(nèi)部某一點時水分的突變.

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

1 試驗方案及設(shè)備

1.1 傳感器及一維土柱試驗裝置

試驗采用瑞士盛世瑞恩(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)孔以外的焊點及電路板均用環(huán)氧樹脂進行防水和絕緣處理,以增強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單片機進行數(shù)字信號讀取,控制每1 s循環(huán)檢測8個傳感器讀數(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行密封.試驗土柱高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,所以土柱表面的實際積水深度為5m.試驗裝置豎直安放在水平地面,外部粘貼標尺以便數(shù)碼相機定時拍照記錄濕潤鋒位置.

圖2 一維積水入滲試驗裝置及傳感器布置圖

1.2 入滲試驗方案

試驗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)量分數(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層擊實在有機玻璃筒中,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,設(shè)置間隔10 s自動連續(xù)拍攝濕潤鋒的位置,待RH8傳感器濕度達到頂峰時結(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,而不是實際水分入滲的最低點[14],通常通過傳感器獲取最低點的數(shù)據(jù)比較困難.本文試驗監(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)點為50%,即傳感器監(jiān)測濕度達到50%時,視為濕潤鋒達到該監(jiān)測點.試驗結(jié)束后在各傳感器位置取樣,并用烘干法測其水分質(zhì)量分數(shù).

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同干密度土柱入滲過程

按上述試驗方案,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 傳感器實測濕度隨時間變化曲線

由圖4(a)可見,在干密度1.6 g/cm3的土柱入滲過程中,試驗開始時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時濕潤鋒到達距離土柱頂部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,RH3到RH8監(jiān)測到的濕度逐個驟升到90%左右,到達RH8的時間在49 min.說明水分入滲到濕度傳感器位置時,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.一維土柱不同時刻濕度剖面呈現(xiàn)明顯活塞推進形式,與外部數(shù)碼相機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,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時增大到37%左右,1.8 g/cm3時則增大到47%左右.圖4(b)顯示濕潤鋒到達RH1至RH8的時間略晚于圖4(a),達到RH8的時間是57 min.圖4(c)顯示濕潤鋒達到RH1至RH8的時間大幅度晚于前面兩種情況,達到RH8耗時115 min.對比圖4(b)和4(c)發(fā)現(xiàn),隨著干密度增大,各個傳感器監(jiān)測到濕度開始出現(xiàn)變化的時間逐漸變晚,濕度開始驟升的間隔時間也略微變長.這說明干密度越大,土柱孔隙越小,土顆粒排列越緊密,單位時間內(nèi)積水入滲量越低,入滲速率越小.3組試驗數(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,則可以提高單片機采樣頻率,SHT30快速讀數(shù)模式最大支持10 Hz采樣頻率.

圖5為試驗結(jié)束一段時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,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,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,水分運移通暢,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,孔隙變小,毛細作用更明顯,孔隙吸持和保持水分能力更強,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結(jié)束后,濕潤鋒到達土柱底部,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)下通過水頭和毛細作用無法使砂土達到完全飽和狀態(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,飽和度越高.

圖5 試驗終止后實測土柱水分質(zhì)量分數(shù)剖面

圖6 試驗終止后實測土柱飽和度剖面

2.2 濕潤鋒及濕度反應(yīng)點

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,記錄濕潤鋒推進過程準確有效.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,濕度反應(yīng)點與濕潤鋒在60 min后差異較小,趨勢基本重合.3組試驗前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 濕度傳感器和相機監(jiān)測的濕潤鋒推進對比

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)常水頭滲透試驗實測飽和滲透系數(shù)與經(jīng)驗公式預(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.

常水頭滲透試驗實測飽和滲透系數(shù)是依據(jù)《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)進行,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)進行預(yù)測:

式中:A為經(jīng)驗系數(shù);e為試驗土柱的孔隙比,Cu為不均勻系數(shù).本試驗進行過程中水溫為10℃,所以經(jīng)驗系數(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)量分數(shù);Dli和Dsi分別為該范圍的最大粒徑和最小粒徑;e為試驗土柱的孔隙比;fSF為形狀系數(shù),本試驗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)的計算結(jié)果與試驗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)進行數(shù)值模擬,將得到的結(jié)果與實際情況進行對比.

3.2 數(shù)值模擬

將試驗數(shù)據(jù)結(jié)合SEEP/W有限元計算軟件進行數(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)量分數(shù)分別為25%,21.35%,18.06%,初始體積所含水分質(zhì)量分數(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 試驗實測值與擬合入滲曲線濕潤鋒推進對比

選取某時刻SEEP/W計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)值計算濕潤鋒位置.圖8可見模擬結(jié)果與實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),由常水頭試驗實測飽和滲透系數(shù)擬合參數(shù)進行滲流計算的結(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,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)律和濕潤鋒行進過程進行了試驗研究、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時刻,水分剛到達傳感器位置時,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%的時間點為濕度反應(yīng)點,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)驗公式和常水頭滲透試驗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)驗公式比Kozeny-Carman公式更適用于粗粒土.根據(jù)試驗數(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曲線.