土壤中空气对土结构和入渗过程的影响-水科学进展.PDF

第 20 卷 第 4 期 水 科 学 进 展 Vol20 ,No4 2009 年 7 月 　　 ADVANCES IN WATER SCIENCE 　 Jul . , 2009 　 土壤中空气对土结构和入渗过程的影响 梁爱民, 邵龙潭 (大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室 , 辽宁 大连 　116085) 摘要 : 分析了土壤表面积水入渗过程中压缩气体对土体结构的影响理论 , 并通过二维土柱入渗试验对其进行了分 析及验证 。在积水深度为 28 cm 的条件下 , 对 2 个初始含水量 、3 个孔隙率下的土柱进行了试验 , 测量出其在试验 过程中的气体压力和入渗量 , 并同时观察土体结构的变化 。理论和试验结果表明 , 气体出现突破之前 , 土壤内气体 压缩产生的气压对湿润区土体的顶托作用会破坏土体的平衡 , 从而在湿润锋处产生水平裂缝 , 破坏入渗土体的连 续性 。试验还发现 , 入渗过程中土体结构变化大小受土壤初始结构和含水率的影响 , 初始结构越牢固、含水量越 大 , 结构和气压变化越小 , 根据结构变化不同 , 可以划分出两种不同的试验过程 。同时入渗土体内出现裂缝时 , 气 压的减渗作用尤为显著 , 甚至会导致试验过程的停止 。 关 　键 　词 : 非饱和土 ; 气压势 ; 土体结构 ; 入渗率 ( ) 中图分类号 : P641131 ; S1527 　　　文献标识码 : A 　　　文章编号 : 2009 强降雨、地面漫灌条件下 , 快速下渗的水流导致土中被水所替代的空气不能及时的排出而被压缩 , 从而在 土体内产生气体压力 , 封闭气体的存在增加了水流入渗的阻力 , 导致入渗率大幅度减小 , 径流量大幅度增加 , 并进而增加土壤表面的剥蚀[ 18 ] 。Powers 等[2 ,9 ] 在对土柱进行入渗试验时发现 , 随着水流的不断入渗 , 土中气压 不断增加 , 当压力增加到某一值时 , 土中封闭的气体会突破上部土层而逸出 , 并使排气通道附近及土表处土颗 粒受到扰动 , 可能将土表附近的饱和土层整体抬起 。Suhr 等[ 1011] 的研究结果表明 , 这部分土颗粒是地表径流 过程中输砂量的一部分 , 造成土壤侵蚀率的显著增加 。 本文主要通过试验研究不同初始孔隙率和含水量下 , 地表恒定积水下均质非饱和土壤入渗过程中 , 土中气 体压力作用下土体结构的变化形式 , 及其对气压变化规律和入渗过程的影响 。 1 　试验方法和试验材料 根据研究的需要 , 在实验室条件下模拟了一维垂直积水入渗过程 。试验装置主要由土柱 、供水装置和测量 ( ) ( ) 系统组成 图 1 。土柱桶由4 mm 厚的透明有机玻璃制成 其内径为 180 cm , 试样高度为 520 cm , 其底面和侧 面密封 , 气体只能从土表排出 ,且沿土柱桶侧壁设有标尺 。供水装置采用马氏瓶 , 其可以为入渗提供恒定的水 头 , 并能精确地