PS非饱和入渗的现场试验

邵明申 裴强强 王思敬 李最雄 王恩志

内容摘要：针对土遗址中的表面风化层，在交河故城现场夯筑模拟试验墙，研究PS溶液在滴渗条件下的入渗规律。结果表明，非饱和条件下PS入渗主要受基质势和重力势的控制，在入渗初期，基质势起主导作用，水平方向和竖直方向的湿润锋推进速率较大，后期重力势发挥更大作用，速率逐渐减小，并最终达到稳定的入渗状态；对PS入渗过程中湿润锋的推进距离与时间做了函数关系拟合，其中乘幂函数关系式拟合最好；墙体干密度对入渗有较大影响，密度越大湿润锋运移距离和入渗速率越低，入渗量越小；对于密度普遍较小的风化层而言，PS完全可以提供足够的渗透量和入渗速率，满足加固要求。

关键词：PS入渗；非饱和土；湿润锋；基质势；重力势

中图分类号：TU411文献标识码：A文章编号：1000-4106（2012）03-0116-06

Field tests of PS infiltration for unsaturated earthen sites

SHAO Mingshen1PEI Qiangqiang2WANG Sijing1,3LI Zuixiong2WANG Enzhi1

（1. State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084, China;

2. Conservation Institute of Dunhuang Academy, Dunhuang, Gansu 736200, China;

3. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China）

Abstract： The regularity of PS infiltration under unsaturated condition was studied by using the artificial wall built on the platform of the ruins of Jiaohe city instead of the weathering crust in earthen sites. The results indicated that PS infiltration for unsaturated earthen sites was determined dominatingly by matrix potential and gravitational potential, relatively matrix potential was more important in the beginning of infiltration, gravitational potential in anaphase, which resulted in that the wetting front movement possesses were gradually fasted in the beginning and became slower in anaphase under the drip infiltration. And the relation about wetting front distance and time was simulated and it conformed to power function laws. In addition, the infiltration capacity decreased with soil compactness increasing. The study proved PS infiltration totally can meet a demand for conserving the earthen sites.

Keywords： PS infiltration; unsaturated soil; wetting front; matrix potential; gravitational potential

引 言

土遗址保护工作的一大难点是表面防风化，防风化材料的选择非常苛刻，要求粘度低、变化小，表面张力适当，能够深层渗透，穿过风化层等[1-5]，即要有良好的渗透性。作为无机化学材料，PS的基本特性完全满足防风化的要求，而且在西北干旱区得到了广泛的应用，也取得了良好的加固效果[6-9]，但PS的入渗规律并没有得到充分的重视，影响了潮湿环境下PS的适应性研究，因此，进一步加强PS的入渗研究有助于PS的推广应用。

入渗是指降落到地面上的雨水从地表渗入土壤中的运动过程。降雨汇集到土层表面时，降水将从包气带上界不断地渗入土体，在分子力、毛管力和重力的作用下发生运动。按水分所受的力和运动特征，下渗可分为三个阶段，即：（1） 渗润阶段，下渗的水分主要受分子力的作用，被土壤颗粒吸收成为薄膜水。（2） 渗漏阶段，下渗水分主要在毛管力、重力作用下，沿土壤孔隙向下作不稳定流动，并逐步充填土壤孔隙直至饱和，此时毛管力消失。（3）渗透阶段，当土壤孔隙充满水达到饱和时，水分在重力作用下呈稳定流动。

水流入渗问题在水文、农田水利、水土保持、地质灾害、生态与环境等各个领域都得到了广泛的研究，得到人们的普遍重视[10-17]。其研究方法也由上世纪下半叶开始的基于形态学观点的定性描述和分析, 转变到本世纪初定量描述土水运动的土壤水分能态观点, 即采用土水势的概念来分析土壤中水分的运动状态[11]。土水势的五个分势在实际问题中并不是同等重要，溶质势和温度势通常都可以不考虑，在土体非饱和带中，压力势多认为是零，所以此时的土水势为基质势和重力势之和。根据土壤水运动的一般原理，水的入渗可能在非饱和的岩土孔隙中进行，也可能在饱和条件下运行，所以可以相应地分为非饱和入渗理论和饱和入渗理论，绝大部分工况下，土遗址的化学加固都属于非饱和入渗的范畴。

PS材料的入渗是一个非常复杂的动态过程，除了受到土体性质，包括机械组成、水稳性团聚体含量和土体密度，有机质含量及土体初始含水率等因素的影响[18-20]，还受到溶质势的影响。由于PS主要应用在开放条件下的露天遗址中，且使用浓度较低，在其渗透过程中基质势比溶质势发挥更大的作用，因此，本研究忽略了溶质势的影响，较少的涉及胶体化学的理论，而更多的考虑基质势的贡献。

1 试验准备

1.1试验区环境

试验选在新疆吐鲁番市交河故城的台地上进行，该地区属最典型的大陆性暖温带干旱气候，干旱、酷热是其最显著的特征，极端最高气温49.6℃，极端最低气温为-28℃，年平均降水量16.4mm，年平均蒸发量为2837.8mm。多干热风，风力强，持续时间久，盛行西北风。试验期间无风，温度在30℃左右。

1.2试验墙的夯筑

在交河故城台地西北侧，远离文物区的位置人工夯筑试验墙，夯筑试验墙体用土取自交河故城西崖坍塌生土，物理性质见表1。将土样粉碎，按最优含水率18.4%加水搅拌均匀，盖塑料薄膜密封一周时间，使拌和的土完全湿润，之后采用古代夯土墙的构筑技法做试验墙。

2 试验方法

为了更直观地反映PS在不同阶段的入渗规律，采用钻孔滴渗的方法，在试验墙体上钻出一系列小孔，将PS沿小孔导入。在基质势和重力势的作用下，PS向周围土体扩散，湿润锋清晰地表现在墙体表面，便于测量。利用湿润锋和渗透量随时间的变化，研究PS的入渗规律。

试验墙10cm内的含水率极低，平均在1.5%左右。墙体同一夯层上下密度变化较大，每一夯层上部密实，下部较为疏松，基础部位最为明显，为理想的试验场地。选取1m2大小的墙面，开孔10排，排距10cm，每排9—10个孔，孔距为10cm，共5×9＋5×10＝95孔，注浆孔呈品字形排列，如图1，孔深控制在5—7cm，孔径以0.5cm为宜。

本次试验采用浓度为5%，模数为3.8的PS溶液。采用输液瓶将PS溶液滴入注浆孔，输液瓶与注浆孔的高程为2m，见图2。由于注浆孔是开放的，溶液可以沿孔溢出，因此，2m高程只能提供充足的入渗量，不能提供水头压力。滴渗时要严格控制滴渗的速率，不可断流或溢漏，以保证维持在最大入渗速率，每间隔5min测一次湿润锋的推进距离和入渗量，墙体内部的渗透深度通过开取小槽的方式测量，当PS溶液明显不渗透时，滴渗结束。

3 试验结果分析

3.1 PS入渗过程中的湿润体

本次滴渗条件下的水分运动实际上是线源入渗，以注浆孔为中心，向上下左右扩散，而以点源方式向内扩散，见图3。由于入渗过程中的湿润锋难以测定，不再做入渗速率的研究，本文主要讨论墙体表面的入渗规律。在入渗初期，水平方向和竖直方向上的湿润锋几乎相同，呈现出规则的圆形；随着入渗时间的延长，湿润土体的竖直湿润半径大于水平湿润半径，呈与中心非对称的圆形，湿润土体的体积不断变大，见图4。根据Darcy方程，土壤水分运动由水势梯度和非饱和渗透系数决定，在水平方向上只受基质势的作用，而竖直方向上受基质势和重力势的共同作用，而且随着入渗时间的延长，在竖直方向上的重力势作用会越来越明显，从而湿润体的纵横比例会越来越大。进入稳渗期以后，竖直方向持续做稳定的入渗运动，湿润锋持续快速增大，而其他方向的入渗速率趋于缓慢，湿润锋变化不大。

3.2 PS湿润锋与推进方向的关系

根据入渗理论，水在土体中的运动可以分为三个阶段：渗润阶段、渗漏阶段和渗透阶段，在不同的阶段PS表现出不同的运动规律。滴渗条件下，随入渗时间的延长以及供水量的增加，土体湿润锋在水平方向与竖直方向上也在不断推进。15min以前，水分湿润锋在水平与竖直方向推进速率都较大，推进速率都达到了0.05cm/min以上，两条曲线几乎重叠。15min以后，竖直湿润锋推进速率缓慢变小，趋向于平缓阶段，最后达到一种相对稳定入渗状态（图5、图6）。而随着入渗时间的延长，水平湿润锋推进速率要比竖直湿润锋推进速率下降得更快。入渗时间达到30min时，湿润锋竖直推进速率和水平推进速率基本达到稳定，其推进速率分别达到0.035cm/min和0.009cm/min，二者速率相差0.026cm/min；在入渗过程结束时，竖直向下和水平方向的湿润锋推进速率分别为0.196cm/min和0.005cm/min，二者相差0.191cm/min，水平方向几乎不再渗透，而竖直方向湿润锋依然保持着较高的推进速率。这主要是因为在初渗期，土体湿润范围较小，滴渗孔附近含水率较低，湿润锋前沿的基质势较高，压力水头和水力梯度较大，湿润锋运移速率也较大；在渗漏期，随着湿润锋的进一步推进，滴渗孔与湿润锋的距离逐渐加大，基质势逐步降低，水头压力也随之降低，因此湿润锋的推进速率也相应减小。在入渗后期，湿润锋已距离滴渗孔较远，水从源头运移到湿润锋前沿需要更大的能量，而此时基质势越来越小，重力势开始发挥更重要的作用，对入渗速率的贡献越来越大，所以，在竖直向下方向上湿润锋依然保持着较快的推进速率，而水平方向上几乎停止。直接喷洒渗透在原理上同水平入渗是一致的，因此，其连续喷洒的有效时间为20min，在施工时应予以重视，提高加固效率。

国内外学者提出了具有不同特点和用途的入渗模型来描述入渗规律。目前常用的入渗模型有Green-Ampt模型[21]、Philip模型[22]及Horton模型[23]等，Gottardi和Venutelli（1993）[24]详述了一维垂直入渗Richards方程的各种形式及其数值求解方法，余新晓等[25]、王全九等[26]通过公式推导证明湿润锋距离与时间的平方根呈线性关系。本文分别用幂函数、指数函数和湿润锋距离与时间的平方根的线性函数对二者关系进行拟合，发现用乘幂方程拟合后R2值较高，都在0.98以上。在前30min拟合效果非常好，几乎完全叠加，但60min以后的拟合度稍差，此时，水平方向湿润锋几乎无法推进，竖直方向也变得较为缓慢，而拟合曲线仍然有明显的增长趋势。拟合方程如下：

Xf=1.024t0.367，R2 = 0.986；（1）

Zf=1.104t0.406，R2= 0.989；（2）

Xf、Zf分别为水平方向与竖直方向的湿润锋距离（cm）。

3.3 PS入渗与墙体密度的关系

由于初渗期和渗漏期是研究的重点，因此忽略湿润锋在方向上的差异，选取各个方向的均值。为了减少墙体的不均匀性带来的误差，以每排10个（或9个）注浆孔为一个试验点，取其平均值。图7—8分别为湿润锋和累计入渗量与时间的变化曲线。

相同的初始条件下，墙体密度对入渗的影响在湿润锋的推进距离上有很好的反映，随着墙体密度的增大，墙体孔隙越小，使得PS入渗速率显著降低，湿润锋运移距离明显减小（见图7）。由于模拟的是遗址中最为脆弱的夯土墙，且设计为较低的密度，试验墙在夯筑过程中自然出现了不同密度的分层（干密度为1.40—1.45g/cm3）。从入渗结果来看，入渗量在110—170cm3之间时，其湿润锋运移距离相差无几，而夯层最为密实的部位渗透量只有67cm3，湿润锋只有3.4cm，远远小于其他湿润锋的4.6cm。

4 结论

（1）实际工况下，PS对土遗址的渗透加固属于非饱和入渗的范畴，主要受到基质势和重力势的共同作用。初始阶段主要受基质势控制，入渗速率快，随着过水断面的饱和，速率急剧降低，15min时水平方向和竖直向下方向的速率开始分化，水平速率持续降低至0.006cm/min，几乎不再入渗，而受到重力势的推动作用，竖直向下方向的湿润锋仍保持0.023cm/min的推进速率。

（2）直接喷洒入渗深度在4.0—6.7cm的范围内，同水平方向的湿润锋有很好的对应关系，入渗规律同样适用于喷洒加固。试验证明，在饱和度较低的土遗址保护中，PS具有良好的入渗速率和足够的入渗量，完全满足加固的基本要求。

（3）墙体密度对PS的入渗有较大影响，密度越大，湿润锋运移距离和入渗速率越小。对土遗址而言，其亟需加固部位的干密度多在1.45g/cm3左右，在这个范围PS的入渗深度可以达到3cm以上，而风化程度较轻、密度较高的部位，其力学强度也较高，不需要太大的补强幅度。

（4）试验证明，PS加固样有良好的抗环境因素破坏的能力，而且潮湿环境下的PS入渗速率和加固效果仍有一定的保证，问题是如何提高入渗的效率、增加入渗量，比如采取人工风干等手段降低含水率，或旱季施工，或其他化学方法，使PS更加有效的应用于工程实践中。

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