基于降雨染色示踪试验的大孔隙流特性研究

吕 捷，樊秀峰, 2，吴振祥, 2

(1.福州大学 环境与资源学院，福州 350108; 2.福州大学 地质工程福建省高校工程研究中心，福州 350108)

1 研究背景

降雨是边坡产生破坏的主要外因之一，有关降雨条件下边坡内水分的入渗运移规律一直是研究的焦点。目前大部分研究[1-3]中均将土体视为均匀的多孔介质，运用饱和非饱和渗流理论分析其内部水分运移规律。然而，实际边坡内部随机分布着由差异性风化、干湿交替、虫蚁洞穴及植物根系等自然条件下形成的各类型大孔隙[4-5]。在降雨作用下，水分绕过大部分基质区域，主要通过大孔隙等优势通道快速入渗至显著深度[6]，形成大孔隙流，即优势流。降雨条件下边坡稳定性与坡体内部不同发育形态的大孔隙及其造成的渗流分布不均现象密切相关，坡体内的水分运动常表现出优势流特性，并可在短时间内到达坡体深处，对边坡的渗流稳定更为不利。而先前的均匀渗流理论对于含有优势通道的边坡渗流分析结果与实际情况相比具有较大差异，已无法对边坡在短时强降雨条件下出现的中深层失稳现象进行合理的解释，因此开展土体内部大孔隙的发育特征及优势流的空间响应规律的研究则显得至关重要。

近年来，国外土壤学领域的学者对优势流研究较多，Forrer等[7]利用亮蓝染色剂研究土壤优势流并提出了染色照片的校正方法。Mooney等[8]及Piuela等[9]根据土壤染色浓度分析优势渗流模式并定量评估优势流发育程度。同时国内也有部分学者注意到了优势流对边坡稳定性的影响，王康等[10]、盛丰等[11]、何凡等[12]基于染色试验就优势流类型、影响因素、发生条件等相关方面展开研究，发现空间尺度、土体含水量及降雨因子等均对优势流发育有着不同程度的影响。此外，郭会荣[13]和阙云等[14]通过人造孔隙定量研究优势流对土体水分入渗的影响。但以上研究结果中均定性指出优势通道的形成是造成土体中渗流差异的主要原因，较少通过染色信息分析并对比优势通道的特性差异对渗流的影响。

综上所述，目前追踪土体内部水分渗流路径的方法中最直接且最广泛采用的是染色示踪法[15-19]，该方法优点在于能够实现优势流现象的可视化。国内外对优势流开展的研究主要集中于优势流的激发机制、影响因素以及人造孔隙形成的优势流等方面，已有的研究成果中较少涉及如何通过提取染色信息来评价在同种土体基质区域内，不同天然大孔隙发育模式、形态、大小和方向等特性对优势流发展路径及与基质区交换能力的影响。上述大孔隙的发育特征均会造成降雨在坡体内的渗流路径、入渗速率及入渗量等产生差异，使得边坡稳定性难以准确预测。此外，已有的原状土柱试验大都在边坡中随机取样，以选取的其中某一点代表整个边坡性质。事实上，同一坡体内大孔隙的形态与分布存在明显的空间变异性，某一点的试验研究成果与实际工程情况可能产生较大偏差。

鉴于此，本文针对实际含有大孔隙的边坡工程在降雨作用下发生的渗流分布不均现象，选择在天然大孔隙较为发育的边坡内获取3个大孔隙发育形态各异的原状土柱，对土柱开展降雨染色示踪试验，根据原状土柱的竖直向与水平向剖面染色信息标定的水分浸润面积比综合评价土柱内部不同大孔隙的发育特性，并分析其对优势渗流发展及与基质域水分交换能力的影响；揭示大孔隙流发育的典型空间分布特征，同时利用土柱的底部出流量等实测数据对染色示踪评价结果进行验证。该研究将进一步丰富边坡非饱和带大孔隙流的特性研究，为边坡的渗流分析提供理论依据。

2 试验材料与方法

2.1 土柱试样采集

本次试验选择在福州大学生活区后山的小型残积土边坡露头(高度约3～4 m)取样，土坡表层无草坪，且倾角较缓，对坡面表层以下30 cm深度范围内含大孔隙发育带的土体优势流现象展开研究。试验区域在我国东南沿海地带，属亚热带季风气候，具有四季分明、雨量充沛等特点，年降雨量为900～2 100 mm，集中于春夏季节。取样区表层以下土体中大孔隙通道的形成主要有2种成因：一是由虫蚁洞穴、植物根系等生物因素造成形状多为圆形的大孔隙；二是受季节性降雨影响的物理因素，在干湿循环过程中，土体随水分增减发生膨胀或收缩，在湿润季节，土体膨胀，孔隙相对紧密闭合，干燥时土体收缩会产生裂缝或裂隙状的大孔隙。

由于大孔隙发育的空间变异性较强，因此在取样区间隔5 m依次采取土样，共采集3组含不同大孔隙发育特征的原状土柱。原状取样过程中，先将边坡浅表裸露的土体去除，再用锄头与铁铲挖去土柱附近大量的土体，逐步靠近土柱尺寸范围(直径为13 cm、高度为30 cm)后，用削土刀将土柱表面整平，并缓慢套入圆柱状模型箱中，土柱与筒壁之间注入填缝剂，防止形成壁流，待填缝剂固化后，开始试验。土柱试样参数如表1所示。此外，为对比含大孔隙的原状土与均质重塑土二者入渗规律与渗流现象的差异，在相同地点取扰动土样，在室外自然风干并将植物根系进行过筛处理。扰动土柱按照原状土柱天然密度(ρ=1.924 g/cm3)进行重塑，每隔1 cm进行一次均匀压实，保证重塑土柱具有和原状土柱具有一样的密实度。

表1 土柱试样参数

2.2 试验装置

土柱模型装置如图1所示，土柱模型箱的材料为有机玻璃，其具有强度高、韧性大、可视度好等特点。上部圆柱状有机玻璃筒的内径为13 cm，壁厚为1 cm，高度40 cm。在土柱下方设置圆锥状反滤层(高度10 cm)并观测出流量。

图1 土柱模型箱

2.3 试验方案

为定量评估不同原状土柱的大孔隙发育特征，以30 mm/h的雨强对3个原状土柱与重塑土柱进行历时为1 h的降雨染色示踪试验。即采用小型压力喷雾器以6.63 mL/min的强度持续60 min向土柱表面均匀喷洒亮蓝染色溶液(质量浓度为4 g/L)。同时动态监测土柱底部出流数据。

试验结束，拆卸模型上下部连接装置，将上部土柱装置经20 h自然风干后，用削土刀在圆柱状模型箱内部将土柱沿直径从上至下逐渐纵向切开，注意不破坏另一半土柱结构。选择室内光线均匀处，在模型箱外拍摄土柱竖直向染色剖面，并保持每次拍摄光线基本一致。固定相机与土柱剖面距离为50 cm，焦距固定为28 mm，拍摄分辨率设定为72 dpi，像素3 024×4 032，存储为jpg格式。在竖直向上仅对每个土柱进行1次拍摄，在土柱周围固定刻度尺，用于照片后期校正处理。竖直向剖面拍摄完成后，在水平方向上依次按照对应土柱深度为0、5、15、25、30 cm处横向切开半圆柱状的土柱进行5次水平向染色剖面拍摄。

2.4 图像处理

后期通过校正软件消除拍摄过程中产生的倾斜偏差、模型箱反光、曝光不均匀及边缘变形等问题。图像经校正处理后，在Photoshop软件中将染色区域的颜色替换为黑色，再将图像进行灰度化与二值化处理，未染色区域即转化为白色。通过调整“阈值”使黑色区域与实际染色情况一致，最后将图像输出为黑白二元位图(.bmp)格式，如图2所示。

图2 竖直向染色剖面二元位图

2.5 水分浸润面积比的计算与含义

竖直向染色剖面的水分浸润面积比可揭示沿入渗方向的优势通道特征(分布、连通性、开启程度)；而水平向的浸润比则弥补竖直向剖面在水平方向的不足，反映水分侧向运移特性，即反映在水平方向上大孔隙域与基质域之间的水分交换作用。

根据竖直向与水平向水分浸润面积比的含义分别统计不同剖面的染色信息。对于竖直向染色二元图像，将其导入MatLab软件中，输出图像二元(0,255)信息矩阵，数字0代表黑色(染色区域)，数字255代表白色(未染色区域)。土柱高度30 cm，直径13 cm，矩阵共3 000行、1 300列，即矩阵的每行每列均代表土柱中的0.1 mm。统计矩阵每行0的个数除以1 300，即统计土柱竖直向剖面上每隔0.1 mm深度范围内的水分浸润面积比，则可计算得到沿土柱0～30 cm不同深度处的水分浸润面积比分布。竖向剖面水分浸润面积比r竖为

(1)

式中：n为每行染色元素个数；n行为每行图像像素个数，取1 300。

对于水平向染色二元图像，则是直接统计黑色区域(即染色面积)所占半圆形剖面面积的比例。将土柱水平剖面染色面积比按不同深度绘制水分浸润面积分布曲线图。水平剖面水分浸润面积比r横为

(2)

式中：s为半圆形剖面中的染色面积;st为半圆形剖面总面积。

3 试验结果与分析

通过对竖直向与水平向染色结果分析并相互验证，可获得土柱优势渗流特性。

3.1 竖直向染色数据分析

将染色剖面等分离散，分别统计不同深度处的水分浸润面积比(即每隔0.1 mm深度范围内染色元素的个数)，处理后的各竖直向剖面优势流入渗路径及水分浸润面积比随深度变化曲线如图3所示。

图3 原状土柱与扰动土柱竖直向染色剖面处理结果

由图3可知：

(1)原状土柱表层(0～3 cm)染色程度高达 80%以上，这是由于表层土较为均匀，水分以均质流的形式下渗，因此水分浸润面积比在80%～100%区间为基质流主要发生区域。高染色区域以下为优势流主要发生区域，优势流发育显著且均穿透整个土柱。计算每个剖面的平均浸润比，统计剖面中浸润比0至平均浸润比值的区间占比以评价各土柱优势流发育的相对程度，该区间越大则表明优势流发育越显著。

(2)重塑土柱表层0～3 cm范围内的水分浸润面积比几乎接近100%，并没有再向下继续渗流，其水流模式为活塞流。在整个土柱剖面范围内，重塑土柱剖面的水分浸润占比约为10%～20%。

原状土柱竖直向染色数据统计结果如表2所示。

表2 原状土柱竖直向染色数据统计结果

由表2可知：原状土1深度范围内发生优势流的比例较大；而原状土3在发生优势渗流的同时，由大孔隙向周围基质域扩散的水分量较多，仅产生优势流的区间相对较少。

原状土1具有较长且方向竖直的大孔隙，通道宽度大于其余土柱，连通性与开启程度较好，水分经优势通道垂直快速入渗，几乎未与周围基质发生作用。

原状土2的土柱剖面刚好切到大孔隙的纵向，因此其染色空间分布与其他原状土柱不同，剖面中清晰可见夹有黑色充填物的大孔隙切面。此大孔隙在规模上比其他2个试样大很多，但是它在一定区域内发展，没有完全向下贯通，属于底端大部分封闭的死端孔隙，影响水分向下传递的速率，但提供了较大空间可滞留大量水分在相对长的时间内向周围基质区域扩散，所以与基质区域的水分交换能力较强。

原状土3的整个剖面中优势通道分布不规律且方向各异，水分沿优势通道呈水平、垂直、倾斜方向入渗。大孔隙宽度较小，开启程度与连通性较差，导致了水分无法快速渗流而是向周围基质缓慢扩散，即优势流与基质域之间发生了充分的相互作用。

3.2 水平向染色数据分析

分别在土柱深度为0、5、15、25、30 cm处获取半圆状水平向染色剖面以观察到不同深度水平方向水分浸润的情况，绘制各土柱水平剖面水分浸润面积比随深度变化曲线，如图4所示。

图4 原状土柱水平向剖面浸润面积比随深度变化规律

3个原状土柱在15 cm深度处的水平染色剖面如图5所示。每个分图上部为染色剖面的照片，下部为对应的二元位图。

图5 原状土柱15 cm深度水平向染色剖面

重塑土柱在浅部整个染色深度范围内，水平剖面均全部染色，其水流模式为活塞流。

3个原状土柱在 0～2 cm 深度范围内，水平剖面水分浸润面积比均接近100%，表明土柱表层的水分入渗以基质流为主，这与竖直向染色剖面分析规律一致。通过对比不同深度水平剖面的水分浸润面积比变化情况可知，原状土1水平染色面积较小且随深度变化起伏不大，主要集中在大孔隙处；原状土2与原状土3在浅部(5 cm深度处)的染色面积较大，表明浅层土体中大孔隙向周围基质区域传递的水分量较大；土柱深度5 cm以下，原状土2染色面积比随深度增大呈降低趋势，且降低幅度较大；原状土3染色面积随深度增大也呈降低趋势，但下降幅度较原状土2小，总体染色面积大于原状土2。

由图5可知染色区域从大孔隙中心向周围扩散且颜色逐渐变浅，即水分入渗过程中形成以优势通道为中心，向周围基质域逐渐扩散的渗流场。原状土1中大孔隙的开启程度较好，宽度较大，水分主要集中于优势通道处快速下渗，与基质域交换的水分量较少；原状土2的优势通道虽规模较大，但从水平剖面中可知该土柱中大孔隙分布较少且含有黑色碎屑状的填充物，水分只能通过单独孔隙下渗；而原状土3中大孔隙发育较分散，水分可通过多个孔隙下渗并向基质域扩散。

综上所述，水平向剖面中水分浸润面积大小顺序为原状土3>原状土2>原状土1，水平向水分浸润面积越大则表示优势流向周围基质传递的水分越多，即大孔隙域与基质域之间的水分交换能力越强。因此原状土柱大孔隙域与基质域之间的水分交换能力强弱顺序为原状土3>原状土2>原状土1。

3.3 土柱底部出流量变化规律分析

降雨染色示踪试验过程中同时测定土柱底部出流量随时间的变化规律，并根据实测数据判定各原状土柱的优势流特性。

试验过程中，在土柱下方设置反滤层并动态监测土柱在降雨过程中的底部出流量，记录各原状土柱的初始出流时间、累积出流体积。具体出流数据如表3所示，出流量随时间变化曲线如图6所示。

表3 土柱降雨染色示踪试验底部出流结果

图6 原状土柱底部出流量随时间变化规律

在本次试验期间，土柱底端早期并没有出流，而是待土柱中优势通道及优势流扩散的基质区域接近饱和时开始有出流量。 该现象表明雨水并未直接通过大孔隙快速向下传递至底端，而是先在表层基质域中下渗，遇到大孔隙时，基质域中的水分优先向大孔隙传递，在大孔隙内下渗至一定深度后，因土柱内部大孔隙间的连通性不足且没有直接贯通至土柱底端，水分则会发生侧向入渗至基质域，随基质域与大孔隙域之间反复的水分交换，水分逐渐向下运移直至土柱底部优势通道及优势流扩散区域接近饱和后出流。此外，土柱中大孔隙开启程度较小，并且部分大孔隙中含有填充物，也是导致水分无法快速下渗排泄的因素。

由图6可知，原状土柱底部出流量随时间变化规律基本可分为3个阶段，分别是快速出流阶段(直线上升段)、缓慢出流阶段(拐弯斜率变缓段)、停止出流阶段(水平直线段)。

在快速出流阶段，雨水沿优势通道快速下渗，同时向周围土体中的微小孔隙扩散，随水分在大孔隙域与基质域之间反复交换运移至土柱底部并出流；在缓慢出流阶段，优势通道中的水分基本已全部下渗，赋存在基质域饱和孔隙中的水分在渗流力与重力作用下缓慢向下渗流至土柱底部出流。因此，直线上升段主要为土柱优势流发生时期。

3.4 土样出流量与优势通道发育程度的关系

土柱底部出流情况不仅与土柱内部的优势通道发育模式有关，还受优势流与基质域之间水分交换能力的影响。

土柱的初始出流时间与最大出流速率与土柱内部大孔隙发育程度(即优势通道的宽度、方向及贯通性)有关。由表3中数据以及图6可知初始出流时间最早的是原状土1，其次是原状土2，最后是原状土3，最大出流速率大小顺序为原状土1>原状土2>原状土3。由此可知，原状土1内部大孔隙发育程度较强，即大孔隙的开启程度与贯通性好，孔隙发育方向与入渗方向相同，有利于水分快速下渗出流；原状土2和原状土3中大孔隙间的连通性不足，无法直接贯通至土柱底部，孔隙内含充填物或开启程度较差及孔隙发育方向各异、分布杂乱，均对水分下渗速率有不同程度的影响。

由于各原状土柱均设置雨强为30 mm/h，降雨1 h，降雨量一致，因此可以根据累积出流体积判断大孔隙域与基质域之间的水分交换能力，优势通道与基质域之间的水分交换能力越强，则越多雨水通过大孔隙传递并赋存于基质域中，导致出流量减少。由表3可知原状土柱大孔隙域与基质域之间的水分交换能力强弱顺序为原状土3>原状土2>原状土1。表明优势通道分布多且不均匀，大孔隙开启程度较小，连通性较差的模式下，可促进优势流与基质域之间水分交换。

3.5 综合评价

实测土柱底部的水分出流结果可真实反映各原状土柱优势通道发育模式以及优势流与基质域之间水分交换能力强弱顺序，其评价结果与前述染色剖面分析判定结果相同，因此验证了该降雨染色评价分析方法的有效性。

在取样区相隔5 m范围内选取的3个原状土样，各土柱横纵剖面之间的水分浸润模式均存在明显差异，表现出发育完全不一样的孔隙分布特征，说明孔隙的发育模式在空间上存在极大的非均匀性。孔隙或方向一定、平直贯通；或方向杂乱，相互交叠；或孔隙发育较大，但不贯通。不同的发育模式产生的优势流效应完全不同。同时，该试验分析结果也表明大孔隙等优势通道在局部饱和状态下可被激活，优势渗流模式由被激发的大孔隙控制，大孔隙的分布与特征差异导致渗流模式的不同，边界条件对其影响较小。

该方法补充了目前在原状土大孔隙流方面的研究内容，具有易观测、操作简便等优点，但有一定的尺度局限性。

4 结 论

本文借助染色示踪剂开展降雨入渗试验，对土柱内部不同大孔隙发育特征对优势流发展及水分入渗通量的影响进行研究，主要得到以下结论：

(1)雨水在土柱表层的入渗以均质流(活塞流)为主，以下区域的入渗主要为优势渗流，水分运移过程主要为基质域与大孔隙域之间反复的水分交换并逐渐下渗，其中优势通道主要包括虫洞植物根系大孔隙和土体干湿循环形成的裂缝状大孔隙。

(2)当发育的大孔隙开启程度较好，分布规则单一，方向性明显时，则优势流会快速通过，与基质交换能力弱，且随深度没有明显变化；当大孔隙宽度较小，分布不规则，方向各异，则与基质交换能力强，但交换能力随深度逐渐减弱。

由于发育方向交错纵横，优势流现象被削弱。某些孔隙虽发育规模较大，但并没有上下贯通，属于死端孔隙，对优势流的运移作用不大，但可滞留较多水分，增强了与周围基质的水分交换能力。

(3)孔隙的发育模式在空间上存在极大的非均匀性，优势渗流模式由大孔隙特征控制，则优势流也具有高度的三维空间变异性。