自然条件下坡面降雨入渗测试研究

刘 创，童富果，刘 刚，刘 畅，钟佳思

(三峡大学水利与环境学院，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

降雨入渗是涉及土中水气两相流动的一个非饱和渗流过程，非饱和渗流的研究成果在边坡稳定分析、农业灌溉、海绵城市的建设等方面有着广泛的应用[1-3]。大量数值模拟研究表明，降雨入渗过程中土体孔隙气压力的影响不可忽略[4- 6]。降雨入渗的过程涉及诸多因素的耦合作用[7- 8]，不同耦合条件将会对入渗造成不同影响，试验作为研究非饱和渗流的有效手段具有不可代替的作用。一些学者通过自行设计的室内人工降雨土柱试验，探究影响降雨入渗的主要因素及水气耦合传输规律[9-10]，证明了孔隙气体对降雨入渗过程中雨水的下渗有着阻滞作用。不同于室内降雨入渗试验可控的边界条件及所采用的人工重塑土柱，野外环境下土体的含水率及密实度是自然分布的，且各种影响因素更加复杂。因此，部分学者开展野外试验对降雨入渗过程中土体含水率、孔隙水压力的变化规律进行了研究[11-12]。然而，以往的野外试验研究往往只注重土体中水分运移传输规律，忽略了对降雨入渗过程中土体孔隙气压力的研究[13-14]。

鉴于此，为探究自然条件下坡体内部水气传输及耦合作用机制，本文进行了自然条件下的野外坡体降雨入渗测试，通过解决传感器埋设产生的边壁漏气问题，监测了单次自然降雨过程中坡体含水率和孔隙气压力的变化情况，以及间歇降雨过程中孔隙气压力的变化过程，并根据监测结果对降雨入渗过程中水气传输机理进行了分析。

1 测试场地及仪器布设

1.1 测试场地选择

测试场地位于湖北省宜昌市西陵区沙河东路。该地区属于季风气候区，冬半年常处于来自北方的干冷气团控制之下，气层稳定，不利于降水天气系统的产生发展，降水甚少；夏半年受到来自热带的暖湿气流影响，炎热多雨。该地多年平均降水1 138 mm，12月降雨量最少，月平均17.6 mm，7月最多，月平均216.3 mm。一半的降水量集中于6月～8月，试验于降水适度的4月进行。选择长、宽分别为4.2、3.1 m矩形原始斜坡作为测试区域，坡体坡度约为1∶6。试验区域内表层至1.2 m深处为壤土层，1.2 m以下为砂壤土层，土体相对密度为2.71，天然重度为18.7 kN/m3，天然含水率为18.45%，坡体周围无明显断层及裂缝，适于作为降雨入渗测试场地。

1.2 测试仪器及布设

为开展野外降雨入渗测试，自主构建了一套试验系统，主要包括自然降雨监测系统和数据自动采集系统。

(1)自然降雨监测系统。为了能对自然降雨过程实时监测，构建了主要由集雨装置和压力传感器构成的降雨监测系统。其中，集雨装置通过顶部大漏斗来收集单位面积内的雨水，并将其储存于集水管内；而压力传感器则是通过测量集水管内水头压力，以反映自然降雨过程。

(2)数据自动采集系统。主要由压力传感器、温湿度传感器、采集模块及计算机组成。其中，压力传感器采用美控MIK-P3055型，其内置的扩散硅压力芯体可将压力变化转化为电流信号输出，监测结果以水头的形式体现；温湿度传感器为TDR-5温湿度一体传感器，其监测结果为体积含水率；采集模块采用16路通道的DAM-3055型，采集精度为±0.1%；计算机端采用C#、Fortran混合编程。通过采集模块将传感器的监测数据输入到客户端计算机中，实现了对降雨入渗过程中土体含水率、孔隙气压力及自然降雨过程的实时监测。

为尽可能全面反映测试场地内含水率及孔隙气压力的变化情况，尽可能减小传感器埋设对试验的影响，在传感器的布设方式上进行了相应的考虑，并解决了以下关键问题：

(1)从测试区域深度上，于深度0.1～0.8 m间埋设温湿度传感器和压力传感器各10支，用来监测土体含水率和气压力的变化过程。温湿度传感器编号为W1～W10，埋设深度分别为10、20、30、35、40、45、50、55、60 cm和70 cm；压力传感器编号为P1～P10，埋设深度分别为20、25、30、35、40、45、55、60、70 cm和80 cm。从测试区域平面上，压力传感器与温湿度传感器梅花桩形交错布置。试验现场见图1。

图1 试验现场布设

(2)由于传感器埋设会使土体与传感器间形成接触边界，易造成雨水沿接触面入渗或孔隙气沿接触面逸出。因此，采用不同粒径材料分层填充及灌注水泥浆的方式，使填充材料之间、填充物与土体间紧密固结，从而解决了传感器埋设过程中边壁渗流和边壁漏气问题。传感器埋设边壁处理见图2。

图2 传感器埋设边壁处理

2 降雨入渗测试结果及分析

本文主要监测了单次自然降雨过程中坡体含水率和孔隙气压力的变化情况，以及间歇降雨过程中孔隙气压力的变化过程，最终对监测结果进行处理，并从中选出具有代表性的几组数据进行分析。

2.1 降雨入渗过程对坡体含水率的影响

图3为单次自然降雨量为23 mm时坡体含水率的变化过程，降雨历时6 h。从图3可知，10 cm和20 cm处温湿度传感器在自然降雨之前土体表层含水率缓慢下降，说明表层土体受蒸发作用影响较大；埋深35 cm处传感器在降雨初期含水率短时缓慢上升，表明水分已下渗至35 cm处；而70 cm处传感器从始至终保持不变，说明了入渗雨水主要集中在坡体表层区域，并未下渗至坡体深处。因此，降雨入渗引起的土体含水率的变化主要出现在降雨前中期，坡体浅层区域含水率短时间内随着雨水的入渗迅速增大并趋于稳定状态，深层区域无明显变化。分析表明，降雨初期水分在重力和基质吸力的驱动下迅速入渗，随着坡表土体含水率增大逐渐饱和，表层土体含水率最终趋于稳定。降雨结束后，表层土体由于蒸发作用含水率有下降趋势，而较深层土体由于雨水的继续下渗产生上升趋势。

图3 坡体含水率变化

2.2 单次及间歇降雨过程中坡体孔隙气压力测试结果

图4为单次自然降雨量为23 mm时坡体孔隙气压力的变化过程。由于降雨过程中各传感器监测到的气压力变化过程大致相同，因此选取具有代表性的一只进行分析，即降雨过程中埋深60 cm的传感器。当孔隙压力等于大气压时，设定压力传感器的值为0。从图4可知，在降雨前期土体表层没有达到饱和状态，孔隙气体可由土体表层逸出，故土体内部孔隙气压力趋于0；随着降雨的持续进行，坡体内部的孔隙气压力迅速增长并在降雨结束时达到峰值。从图3已知，降雨持续进行并且强度增大时，土体表层含水率逐渐增大至饱和，此时表层土体的透气性能逐渐减弱而形成密封性较好的条件，故孔隙气压力会因为雨水下渗挤压而迅速增大。由于表层土体的饱和需要一定时间，因此孔隙气压力随降雨过程的增长有明显的滞后性。降雨结束后，土体逐渐恢复其透气性，孔隙气压力随之消散。

图4 坡体孔隙气压力的变化

从本次自然降雨过程中孔隙气压力的变化过程可知，降雨入渗引起的孔隙气压力水头最大值大于累积降雨量。分析原因，由于野外天然土体的不均匀性及连通性造成局部汇流，增强了入渗雨水对孔隙气的挤压作用，从而产生了“放大效应”。

图5为间歇自然降雨过程中坡体不同深度处孔隙气压力的变化情况。本次间歇降雨前次降雨持续6 h，降雨量为23 mm；后次降雨持续9 h，降雨量为18 mm，2次降雨间隔为13 h。从图5a可知，降雨过程中最大孔隙压力维持在相对稳定状态，原因是由于此处距离坡体表面较近，降雨过程中孔隙气体受到挤压后不断突破、调整，造成了其在最大孔压附近的小幅度波动。从图5b可知，随着前次降雨的逐渐进行，孔隙气压力由0迅速增大，降雨间歇时孔隙气压缓慢消散；再次降雨时，孔隙气压力随即上升并在降雨结束时达到最大。由于前次降雨引起的孔隙气压力来不及完全消散，导致后次降雨对孔隙压力产生了“叠加效应”，因此最大孔隙气压力出现在后一次降雨过程中。

图5 坡体孔隙气压力的变化

3 结 语

本文在野外自然条件下开展了坡体降雨入渗测试研究，探讨了坡体不同深度处含水率及孔隙气压力的变化机理，得出以下几点认识：

(1)在埋设传感器过程中，采用不同粒径材料分层填充及灌注水泥浆对边壁进行处理，可有效解决边壁漏气问题。

(2)在自然降雨条件下成功监测到坡体孔隙气压力变化过程，雨水下渗过程中不断挤压孔隙气体从而产生了孔隙气压力增长的现象，证实了天然坡体良好的气封性。降雨结束后，孔隙气压力随着土体透气性的恢复而逐渐消散。

(3)间歇降雨过程中，由于前次降雨入渗的雨水在坡体形成的良好气封条件，水气驱动作用随时间过程产生累积。

(4)天然土体孔隙的不均匀性及连通的复杂性造成的局部汇流，增强了入渗雨水对孔隙气的挤压作用，降雨入渗引起的孔隙气压力水头最大值大于降雨水深。