降雨条件下含大孔隙土柱水-气两相流试验

丁辉，叶明，阙云

(福州大学土木工程学院，福建 福州 350108)

0 引言

大孔隙普遍存在于天然土壤中，其形成原因主要有生物因素和自然气候因素等[1-2].但目前对于土壤中的大孔隙，仍没有严格的定义，Beven和Germann指出大孔隙能传导非平衡水流情况下的土壤孔隙结构[3].大孔隙流从20世纪70年代初就己引起关注，即土壤水分和溶质能够绕过密度大、渗透性较差的土壤基质，而通过阻力较小的大孔隙路径迁移，到达深层土壤甚至是地下水[4-5].相比较于非饱和渗流，大孔隙流存在以下特点：1) 大孔隙流的土壤水分渗流速度远大于非饱和渗流，不适宜采用单一达西定律描述非均匀流[6]；2) 虽然大孔隙体积只占整个土壤体积的很小部分(2.5%～20%)，但对水及溶质在土壤中的非平衡运移有着深刻影响[7].

针对土壤中的大孔隙及大孔隙流问题，学者们进行了各种试验研究.如Wang等[8]进行了室外染色示踪试验，通过直接在试验地喷洒染色剂，待其完全渗入土体时再对土体进行开挖，以观察剖面大孔隙流的路径.秦耀东等[9]研究了大孔隙对农田耕作层饱和导水率的影响.Li等[10]对含有人工引导蚯蚓孔的填充土柱和均质填充土柱进行出流试验，研究蚯蚓孔对溶质运移的影响.由于大多数试验仅能够进行大孔隙及大孔隙流的定性描述和形态学特征研究，为了定量地对大孔隙分析，学者们针对不同大孔隙的情况提出了各种描述大孔隙优先流的模型，如两域模型、随机模型、混合层模型、两阶段模型、多尺度平均模型以及混合模型等，为研究含大孔隙土中水及溶质运移做出了巨大贡献[11].

但以上对大孔隙的研究绝大多数未考虑气相的影响.事实上，土体的细观结构往往决定着其宏观响应的基本规律[12]，土是由固体颗粒、水、气共同组成的三相体，因此对于含大孔隙土渗流问题的研究不应仅限于单相流，而应综合考虑水-气的共同作用.鉴于此，本文从基本的土柱模型试验出发，通过自行设计实验装置并借助各类试验设备，研究降雨条件下含大孔隙土柱水气运移规律.

1 大孔隙模拟方法与试验介质特性

1.1 大孔隙模拟方法

实验室中经常采用原状土柱来研究特定条件下的优先流和溶质运移规律，但土壤结构的复杂性阻碍了对所研究过程的明确洞察.为了更好地理解优先流过程，很多学者开始构建已知几何结构的土壤大孔隙系统，即人工大孔隙[13-16].因此，本文采用人工制造大孔隙的方式对降雨条件下含大孔隙土柱水气两相流进行试验研究.具体实现过程如图1所示.

首先在相应位置埋入长度为45 cm直径2 cm的空心不锈钢管，并且填筑过程中全程封闭管口以防止填土过程堵塞管口；然后对土壤基质进行分层填筑并压实；全部土层填土完毕；将直径为2 mm的粗石英砂注入空心不锈钢管中；缓慢朝同一个方向旋转拔出钢管，从而形成人工大孔隙.

1.2 试验介质特性

试验用土取自福建省漳州市厦蓉高速改扩建工程一标段路堤填土，通过筛分试验测得土样中粒径2 mm以上颗粒所占比重(质量分数)达49.98%，属于砾砂类土.剔除2 mm以上颗粒经重新筛分配制成试验用土，其级配曲线如图2所示.此外，底层反滤层采用1～3 cm卵石填铺，大孔隙及上部防侵蚀层均采用2 mm石英砂填筑，如图3所示.

图2 试验用土级配曲线Fig.2 Gradation curve of test soil

图3 石英砂与卵石Fig.3 Quartz sand and pebble

2 试验装置与仪器

2.1 试验装置

设计如图4所示的试验装置，其主要由模型箱主体、底座、降雨系统、数据监测系统及拍摄装置五部分组成.其中，模型箱为30 cm×10 cm×80 cm的长方体，由8 mm厚有机透明玻璃制作，可保证模型箱的强度及气密性，同时箱体的左侧和背面分别开有4个直径5 cm(等于土壤水分传感器(TDR)直径，用于布置水分传感器)的圆孔，箱底开有3个直径4 cm的圆孔(用于分析底部封闭与否对降雨条件下含大孔隙土中水气运移的影响)；底座用于放置模型箱，由角钢和钢板制作，尺寸与模型箱相匹配，并且顶部开有25 cm×5 cm的长方形槽，防止阻碍模型箱底部气体的流通.

图4 试验装置Fig.4 Experimental facility

2.1.1 人工模拟降雨系统

采用南京南林电子科技有限公司研发生产的NLJY-10型号人工模拟降雨系统.该降雨系统主要由供水箱、压力控制系统、降雨控制系统、雨量器、水管支架及喷头等部分组成，见图4.其中，降雨装置共有

6个喷水点，间距为2 m，每个喷水点处有3个不同型号的喷头，喷口直径分别为1.5 mm、3.2 mm和5.0 mm，以模拟不同降雨强度；喷头高度距地面6 m，以提高降雨均匀度，具体布置如图5所示.

图5 喷头布置图(单位：m)Fig.5 Installation of sprayers (unit:m)

试验前需对降雨系统进行调试和降雨均匀度检验.在土柱模型降雨试验范围内均匀布置8个测点，将8个已编号的量程为500 mL的量筒分别置于各测点，以不同雨强分别进行试验.记录不同雨强下各测点处量筒内搜集雨量，并计算降雨均匀度.其计算式为：

(1)

2.1.2 数据监测系统

数据监测系统主要由3大部分组成，分别为土壤水分监测系统、孔隙水压力监测系统和孔隙气压力监测系统.土壤水分采用PC-2SQ土壤水分监测控制仪,通过连接TDR-3型土壤水分传感器(量程0%～100%(体积分数)，精度±2%)进行监测；孔隙水压力采用UT7110型静态应变仪链接CYY2型应变式孔隙水压力计(量程0～30 kPa，精度<1% FS)进行监测；孔隙气压力采用U型压力计连接玻璃导管进行人工监测，模型箱底部包有防水透气膜，防止水分进入管内影响测量精度.所有的设备均已提前校准.

2.2 仪器与布局

如图6所示为模型箱详细尺寸与传感器布置图.其中模型箱设计为长方体主要考虑到两个因素：1) 为了实现同时分别监测大孔隙和土壤基质各参数随着降雨的变化，TDR探针长度为7 cm，采用矩形截面易于从背面和侧面分别监测到大孔隙和土壤基质的含水率变化；2) 为了更直观地观察到大孔隙存在对降雨条件下湿润锋变化的影响，采用矩形截面既不影响对大孔隙含水率的测量，又可清晰观察到大孔隙存在时湿润锋变化.

如图6(b)，模型箱底部铺有2 cm厚卵石垫层，防止直接填土堵塞底部孔洞；上部覆有2 cm厚2 mm石英砂，用于减小降雨对表层土的侵蚀作用.中间部分填筑试验用土，并每隔15 cm厚布置一层传感器；每层传感器布置分为紧邻和远离大孔隙两种，其中紧邻大孔隙布置的传感器，视其监测的为大孔隙数据，远离大孔隙布置的传感器所监测的数据则为土壤基质数据.各传感器在截面上的布置及人工大孔隙埋设位置,如图6(c)所示.

图6 模型箱尺寸及传感器布置图(单位：cm)Fig.6 The size of model box and layout of sensors (unit:cm)

3 试验方案与流程

3.1 试验方案

试验共分5个工况，通过不同工况分别研究大孔隙存在与否、底部边界条件,以及降雨强度对土中水气运移的影响，试验工况如表1所示.

表1 试验工况Tab.1 Test conditions

3.2 试验流程

控制填土压实度为80%，按5 cm每层进行分层填筑，共计15层.通过计算即每层填土重量为2.36 kg，当填土由下至上填至相应位置埋设相应传感器.试验中大孔隙采用2 mm石英砂进行模拟，具体有如下4个主要试验流程(见图1).

1) 用马克笔在模型箱表面标记传感器拟埋设位置及每层填土高度；依据试验工况考虑是否封闭模型箱底部孔洞；在模型箱内壁涂抹凡士林以减小边界效应等.

2) 在模型箱底部铺设一张钢丝网以防止卵石从底部漏出，并通过铺设3 cm厚卵石层以保持空气流通，再按照标记进行分层填土及埋设传感器，填至顶部处铺设2 cm厚石英砂以防止降雨对土体表面的侵蚀.

3) 将传感器连接于数据采集系统，架设相机并设置每5 min拍摄一次.

4) 开始降雨试验并记录试验数据.

4 试验结果与分析

4.1 不同工况下含水率变化

土壤含水率变化规律可近似通过湿润锋变化直观地体现出来.如图7所示，分别为无大孔隙和有大孔隙在降雨强度35 mm·h-1情况下某一时刻湿润锋的形态.可见大孔隙的存在可明显加快水分入渗速率，并且导致入渗速率的不均匀性，大孔隙附近水分入渗速率明显较快，即产生优先流.

图7 湿润锋形态对比Fig.7 Comparison of wetting front morphology

各工况下湿润锋深度随降雨时间变化曲线如图8所示.对比工况1、2可知，在35 mm·h-1降雨强度下，前45 min大孔隙的存在与否对湿润锋变化几乎没有影响，45 min开始有大孔隙的情况下湿润锋深度迅速增加，说明该时刻开始产生优先流；对比工况2、3可知，同一时刻模型箱底部边界开通时湿润锋深度均大于封闭状态，并且在湿润锋深度到达大孔隙底部之前两者变化趋势相同，但到达大孔隙底部之后底部封闭情况下湿润锋深度增加缓慢，而底部开通下湿润锋深度仍继续增大，增加速度与未产生优先流时基本相同(曲线斜率与降雨初始时曲线斜率基本相同)，说明模型箱底部边界封闭会阻碍水分的入渗；对比工况2、4、5可知，降雨强度较小时，降雨需持续一段时间才会出现优先流，而降雨强度较大时降雨初期就会形成优先流，这是因为水分沿着大孔隙通道迅速向土体深处渗流.这与Hendrickx等[17]关于土壤大孔隙优先流产生机理的描述相一致，即当降雨总输入水量大于土壤基质的入渗能力时，将产生短距离、短历时的地表水流，当水平地表水流流经大孔隙入口时，将沿着大孔隙路径以大孔隙流的形式迅速向土层深处渗流，即产生大孔隙优先流.

图8 湿润锋深度随时间变化规律Fig.8 Variation of wetting front depth with time

图9则详细描述了30 cm深度处大孔隙和土壤基质含水率随降雨时间变化规律(图中m表示土壤基质，f表示大孔隙).由于湿润锋深度的变化体现的主要是大孔隙含水率变化，因此大孔隙含水率变化与湿润锋变化规律基本一致.对于土壤基质域，其含水率变化响应时间均慢于大孔隙，而各工况之间变化规律与大孔隙域相似，这是因为大孔隙存在情况下水分以优先流的形式更快地到达土壤深处，同时沿着大孔隙壁以相对较慢的速度向土壤基质周围渗流.土壤基质域含水率变化受两种因素影响，一方面受其本身在竖直方向上渗流速度的影响，另一方面受大孔隙中水分在水平方向上向其渗透速度的影响，这也解释了为什么大孔隙的存在会使土柱湿润锋呈现漏斗状.

图9 30 cm深度处含水率随时间变化规律Fig.9 Variation of water content with time at the depth of 30 cm

4.2 不同工况下孔隙水压力变化

图10、图11分别为15 cm和45 cm处孔隙水压力随降雨时间变化曲线.由图10、11可见，各工况下孔隙水压力在15 cm深度处仅在大孔隙域相差较大，在基质域几乎没有变化，但在45 cm深度处两者孔隙水压力变化均较大.

基于前文分析，土壤基质域含水率变化受两方面因素综合影响.对于浅层土的基质域(图10(a)，15 cm深度)，由于其基本仅受自身竖直向渗流的影响，因此在各工况下其孔隙水压力变化不大;而对于较深层土的基质域(图11(a)，45 cm深度)，主要受来自大孔隙中水分在水平方向渗流的影响，故各工况下孔隙水压力变化明显.参照工况1，如没有大孔隙存在时，降雨持时240 min时仍未监测到其孔隙水压力的变化，其他各工况下孔隙水压力变化也基本与含水率变化规律一致.

对于大孔隙域，由图10(b)可知，工况1、2、3孔隙水压力变化基本相同，因为在降雨强度较小的情况下，水分入渗至较浅层位置时，未产生优先流，并且模型箱底部边界封闭与否对其孔隙水压力变化也基本没有影响；对比工况4、5可知，增大降雨强度可明显加快孔隙水压力响应时间，并且孔隙水压力最大值也略有增加.因为在较大雨强下优先流形成时间更早，水分以更快的速度到达监测点.由图11(b)，由于监测点位置较深，对比工况1、2可知，大孔隙的存在可明显加快孔隙水压力响应时间；对比工况2、3可知，模型箱底部边界封闭与否对大孔隙孔隙水压力变化基本没有影响；比对工况2、4、5可知，增大降雨强度可加快孔隙水压力变化响应时间.

图10 15 cm深处监测点孔隙水压力变化Fig.10 Variation of pore water pressure at the depth of 15 cm

图11 45 cm深处监测点孔隙水压力变化Fig.11 Variation of pore water pressure at the depth of 45 cm

4.3 不同工况下孔隙气压力变化

如图12、图13分别为15和45 cm处孔隙气压力(相对气压)随着降雨时间变化的曲线.可见,各工况下除大孔隙域孔隙气压力值小于基质域,以及响应时间快于基质域外，其变化趋势与基质域基本相同.因为降雨入渗过程中，若忽略水和空气之间的互溶，可看作是水驱替气的过程.对于大孔隙域，降雨入渗过程中气体更容易通过较大孔隙逃逸，因此相同条件下大孔隙域孔隙气压力小于基质域孔隙气压力，因为较大的孔隙气压力对水分入渗有一定的阻滞作用[18]，恰好解释了为什么大孔隙域渗流速度快于基质域.

图12 15 cm深处监测点孔隙气压力变化Fig.12 Variation of poreair pressure at the depth of 15 cm

图13 45 cm深处监测点孔隙气压力变化Fig.13 Variation of pore air pressure at the depth of 45 cm

同时，由图12、13可以发现，除模型箱底部边界开通外，其他各曲线整体变化趋势基本相同.因为当模型箱底部边界封闭时，气体只能由模型箱上部排出，当某点处气压大于其上部水压时，便以气泡的形式由模型箱上部溢出.因此，试验前期孔隙气压力会出现波动现象，直至试验后期气体无法突破水压而逸出，水也基本无法继续入渗.这与图8中后期湿润锋深度增加缓慢相对应，最终气压与水压基本处于相对平衡的状态.当模型箱底部边界开通时，气体既可以沿着模型箱上部排出，也可以沿着模型箱底部排出，因此其孔隙气压力曲线一直呈现波动状态，且其湿润锋深度一直不断增大.

此外，通过对比工况2、4、5可知，随着降雨强度的增大，无论是基质域还是大孔隙域的孔隙气压力响应时间均有所缩短，并且最终的稳定值也有所提高，尤其对于基质域.以45 cm深度处为例，降雨强度35 mm·h-1时气压稳定值约为0.85 kPa，而当降雨强度增加至135 mm·h-1时气压为定值,增加至1.02 kPa，增加了20%.这是因为降雨强度越大形成优先流时间越早，水分入渗速度越快，所以孔隙气压力响应时间也越快，并且在大雨强下由于来水速度大于土壤入渗速度，土体表面会形成积水现象，因此孔隙气压力最终的稳定值也会有所提高.

5 结语

1) 大孔隙的存在明显加快降雨水分入渗速率，且导致入渗速率不均匀，土柱湿润锋呈现漏斗状，大孔隙附近水分入渗速率明显较快(即产生优先流).同时降雨需持续一定时间才会产生优先流.

2) 模型箱底部边界开通与否，主要影响孔隙气压力变化.底部开通有利于气体排出，总体上降低孔隙气压力，使孔隙气压力处于波动状态，更有利于水分入渗.

3) 大孔隙存在情况下，增加降雨强度可加快优先流产生，使水分沿大孔隙快速入渗至土壤深层，同时沿大孔隙壁向周围基质扩散.当降雨强度大于水分入渗速度时，将在土体表面形成积水，一定程度上增加孔隙气压力.