考虑裂隙面积率的裂隙性黏土优势流双域入渗规律研究_周峙.pdf

引用格式：周峙，罗易，张家铭，等考虑裂隙面积率的裂隙性黏土优势流双域入渗规律研究安全与环境工程，（）：，y y d ，（）：考虑裂隙面积率的裂隙性黏土优势流双域入渗规律研究周峙，罗易，张家铭，孙狂飙（湖北经济学院工程管理系，湖北 武汉 ；中国地质大学（武汉）岩土钻掘与防护教育部工程研究中心，湖北 武汉 ；中国地质大学（武汉）工程学院，湖北 武汉 ；安徽省交通控股集团有限公司，安徽 合肥 ）摘要：为模拟降雨条件下裂隙性黏土中的雨水入渗过程，基于双孔隙域入渗理论和 入渗模型，引入土体裂隙平面几何参数，提出考虑裂隙面积率的裂隙性黏土优势流双域入渗模型，探究降雨强度、土体裂隙面积率和裂隙域饱和渗透系数对土体基质域与裂隙域积水时间、入渗量和入渗深度的影响，揭示土体干缩开裂后的优势流入渗规律。结果表明：提出的考虑裂隙面积率的裂隙性黏土优势流双域入渗模型形式简单、计算方便、物理意义明确且较好地体现了土体裂隙对雨水入渗过程的影响；降雨强度增大，土体基质域与裂隙域两域积水时间缩短，入渗量和入渗深度增幅较小；土体裂隙面积率增大，土体基质域积水时间不变、裂隙域积水时间延长，且土体基质域与裂隙域的入渗量分别与土体裂隙面积率呈反比和正比；土体裂隙域饱和渗透系数增大对土体基质域入渗的影响较小，仅导致土体裂隙域积水时间延长，入渗量和入渗深度增大；土体裂隙域优势流最终入渗量和入渗深度对降雨强度变化的响应不敏感，主要受土体裂隙面积率和裂隙域饱和渗透系数的控制。关键词：裂隙性黏土；土体裂隙；裂隙面积率；优势流；基质域与裂隙域；双域入渗模型中图分类号：；文章编号：（）收稿日期：开放科学（资源服务）标识码（）：基金项目：国家自然科学基金面上项目（）；岩土钻掘与防护教育部工程研究中心开放基金项目（）；湖北省水利重点科研项目（）；安徽省交控建设管理有限公司科技攻关项目（）；河南省地质矿产开发局地质科研项目（）作者简介：周峙（），男，博士，讲师，主要从事黏土优势流及致灾机理方面的研究。：通讯作者：张家铭（），男，博士，副教授，博士生导师，主要从事特殊性岩土与工程地质方面的研究。：o o o o o o ，（.，y ，；.d ，y d ，y （），；.y ，y （），；.d .，d.，）：y ，y ，y，y ，y 第 卷第期 年月安 全 与 环 境 工 程 y ，y ，y，y ，y y ，y y ，y ，y y y y o ：y；安徽沿江地区广泛存在的裂隙性黏土是导致路基边坡失稳、路基病害的主要致灾土体。土体开裂形成的雨水入渗优势通道，会导致大量的地表径流绕 过 土 体 基 质 直 接 进 入 裂 隙 底 部，形 成 优 势流。优势流使雨水快速入渗至土体深部，是造成地下水污染、水资源流失、路基边坡失稳破坏的重要影响因素。有关土体裂隙产生的优势流，目前多采用染色示踪方法对其最终的 入 渗 深 度 及 分 布 范 围 进 行 研究。已有研究结果表明，土体裂隙产生的优势流与裂隙平面几何参数高度相关。然而，由于优势流入渗的复杂性，上述土体裂隙优势流研究仍处于定性研究阶段。为了模拟雨水在具有土体裂隙等大孔隙土体中的运移过程，等、和 基于双孔隙域理论将土体孔隙分为大孔隙域和小孔隙域，认为雨水入渗只发生在大孔隙域内（如土体裂隙域），据此提出了裂隙性黏土优势流入渗模型，并利用 方程、方程、运动波方程等描述大孔隙域内的水体流动特征。然而，雨水在裂隙性黏土中的入渗同时发生在土体基质域与裂隙域内，上述假设显然与真实情况不符。为此，等 基于 方程提出了双孔隙域入渗模型，可模拟雨水在大孔隙域和小孔隙域内的入渗过程，该模型因具有明确的物理意义已得到了广泛使用。上述学者提出的裂隙性黏土优势流入渗模型包含了大量难以从试验中获取的参数，同时还需要复杂的建模及数值求解方法，不仅削弱了模型的预测能力，还限制了模型的进一步推广应用。尽管已有很多学者曾提出简化的裂隙性黏土优势流入渗模型，但仅简单地采用降雨阈值来区分基质流和优势流，物理意义不明确，且模型大多未考虑土体的初始条件（如土体含水率）及其入渗能力的时变特征，难以准确反映裂隙性黏土优势流入渗的变化规律。入渗模型因其物理意义明确、形式简单 而 被 广 泛 应 用 于 一 维 均 质 入 渗 问 题 的 研 究中 。该模型可考虑土体的初始条件（如土体含水率）及其入渗能力的时变特征，同时可预测积水时间、累积入渗量和湿润锋深度等水文参数，对研究地表径流入渗、灌溉效率和边坡稳定性评价具有重要的意义。目前仅有少量学者将 入渗模型用于模拟裂隙性黏土中的优势流，但同样存在参数过多、物理意义不明确等问题。图像处理技术在土体裂隙发展演化规律的研究中已成为一种常用的重要研究手段，诸多学者 基于该技术提取土体表面裂隙几何参数（如土体裂隙面积、宽度、长度等），研究了土体裂隙的形成机理及其影响因素，但结合土体裂隙平面几何参数定量分析雨水入渗过程的模型尚不多见。为了解决上述问题，本文基于双孔隙域入渗理论，将裂隙性黏土分为土体基质域与裂隙域，并结合 入渗模型，引入土体裂隙平面几何参数，提出考虑裂隙面积率的裂隙性黏土优势流双域入渗模型，并探讨降雨强度、土体裂隙面积率和裂隙域饱和渗透系数对土体基质域与裂隙域两域积水时间、入渗量和入渗深度的影响规律。裂隙性黏土优势流概念模型平面上将土体中多条裂隙按照等效面积与体积视为多个规则的裂隙域 图（）、（），其中为土体裂隙域所占体积权重系数。为了更好地研究土安全与环境工程 ：第 卷体裂隙优势流入渗规律，模型做了如下假设：图裂隙性黏土优势流入渗概念模型 （）降雨强度为一定值，假设雨水仅在竖直方向运移，不考虑通过裂隙壁在基质域与裂隙域之间的水分交换。（）假设土体基质域的饱和渗透系数远小于土体裂隙域的饱和渗透系数。将土体基质域和裂隙域的积水时间分别表示为，和，将降雨历时表示为。当降雨强度大于土体两域饱和渗透系数时，考虑上述假设可将雨水入渗过程分为个阶段：土体基质域积水前，。该阶段土体基质域与裂隙域的入渗能力均大于降雨强度，因此土体不产生积水，土体各域的雨水入渗速率和流量分别等于按面积占比分配的降雨强度和降雨量。土体裂隙域积水前、基质域积水后，。如图（）所示，该阶段土体基质域的入渗量将小于按其面积占比分配的降雨量，其入渗量可采用文献 提出的弱积水条件下土体的入渗速率预估模型计算得到，并假设土体基质域表面积水后，积水将直接进入裂隙域，即降雨量与土体基质域入渗量的差值为优势流入 渗 量。土 体 裂 隙 域 积 水 后，。如图（）所示，该阶段土体裂隙域达到饱和并积水，其总入渗速率将小于降雨强度，同时土体裂隙域最大入渗速率将由其饱和渗透系数控制（假设土体裂隙域内雨水入渗模式为单位水力梯度下的活塞流），土体基质域的入渗速率仍由文献 提出的弱积水条件下土体的入渗速率预估模型进行计算。基于上述假设及方法，可求得各域雨水入渗量，在已知土体基质域和裂隙域的容水孔隙空间（土体饱和体积含水率和初始体积含水率）的条件下，可进一步求得各域雨水入渗的湿润锋深度。模型控制方程推导2.1双孔隙域 Green-Ampt 入渗模型裂隙性黏土的总入渗速率可以定义如下：（）（）式中：为土体总入渗速率（），为土体水通量（），为土体表面积（），为土体入渗速率（），其下标和分别表示土体基质域与裂隙域；为土体裂隙域所占体积权重系数，本文中单位厚度为，该体积权重系数与裂隙面积率相等。将土体 基 质域 内 的 入渗视为活塞流（入渗模型中的基本假定），并对式（）应用 y定律，可得：（）（）（）（）（）式中：为 裂 隙 性 黏 土 的 整 体 饱 和 渗 透 系 数（）；为 土 体 基 质 域 的 饱 和 渗 透 系 数（）；为 土 体 裂 隙 域 的 饱 和 渗 透 系 数（）；和分别为土体基质域和土体裂隙域的压力水头（）；为竖向水力梯度。根据 入渗方程解：（）式中：为土体表面积水深度（）；为湿润锋处土体基质吸力水头（）；为湿润锋深度（），可表示为 其中，为土体累积入渗量（）；为土体容水孔隙空间（），可表示为，和分别为土体的饱和含水率和初始体积含水率。弱积水条件下，式（）可写为（）根据土体累积入渗量与入渗速率的导数关系，联立式（）与式（），可得湿润锋深度与时间的关系式为（）（）（）将、代入式（），可得：（）（）第期周峙等：考虑裂隙面积率的裂隙性黏土优势流双域入渗规律研究2.2分阶段土体基质域与裂隙域入渗方程（）当土体（基质域与裂隙域）入渗能力均大于降雨强度时，土体不产生积水。即当，时，土体各域的入渗速率等于按面积占比分配的降雨强度，有：（）（）（）（）（）则该阶段土体各域的累积入渗量为（）（）（）（）当土体裂隙域积水前、基质域积水后，即当入渗时间，时，应首先确定土体基质域的积水时间。由 入渗模型可知，当土体基质域的入渗速率等于其降雨强度时，积水便会产生。根据文献 所提出的弱积水条件下土体的入渗速率预估模型，土体基质域的入渗速率可表示为（），（）式中：为土体基质域的饱和渗透系数（）；为常数，常取值为；，为土体基质域中湿润锋处土体基质吸力水头（）；为土体基质域容水孔隙空间（）。令，联立式（）与式（），可得土体基质域积水时间，的隐式表达式为（，），（），确定后，土体基质域内的累积入渗量可表示为（），（）将式（）代入式（）并积分，可得：（），（，），（，）（）对于土体裂隙域，在其未被雨水填满之前，土体裂隙域入渗速率可由降雨强度与土体基质域的入渗速率之差求得，即：（）其相应的土体裂隙域累积入渗量为（），（，），（，）（）（）土体裂隙域积水后，当，时，首先确定土体裂隙域积水时间。由于假设土体裂隙域中的雨水入渗模式为单位梯度下的活塞流，则土体裂隙域积水饱和时的入渗速率为（）式中：为土体裂隙域的饱和渗透系数（）。当满足以下条件时，土体裂隙域产生积水：（）将式（）代入式（），可得：（）（，），（）于是，土体裂隙域积水时间，的隐式表达式为（）（，），（）该阶段土体基质域累积入渗量同式（），土体裂隙域累积入渗量可表示为，（，）（），（），（，），（）式中：，为土体基质域在裂隙域积水时的累积入渗量（）。土体裂隙域积水后，当土体缓倾斜时，整个土体表面开始产生径流，此时土体基质域与裂隙域均处于弱积水状态，两者入渗速率和入渗量仍可分别按式（）、（）和式（）、（）计算。由上述推导过程可见，通过式（）、（）、（）、（）和（），可求得降雨期间土体基质域与裂隙域任一时刻的累积入渗量。最后，土体各域的湿润锋入渗深度按照其容水孔隙空间大小可表示为（）（）（）式中：、分别为土体基质域与裂隙域的湿润锋入渗深度（）；为土体裂隙域孔隙率；为土体基质域容水孔隙空间（），土体裂隙域容水孔隙空间可设置为 。为了分析裂隙性黏土优势流入渗规律，本文定义优势流的相对入渗量为、入渗量占比为和相对入渗深度为，各指标的计算公式如下：安全与环境工程 ：第 卷（）（）（）（）（）（）总体说来，本文所提出的裂隙性黏土优势流双域入 渗 模 型 主 要 包 括 以 下 参 数：（）、（）、（）、（）、，（）、。其中，可通过土体渗透试验求得；可通过经验赋值反算获取；可通过将裂隙图像进行二值化后提取裂隙面积求得；，可由文献 提出的预估模型求得，即：，（）.（）（）式中：和为由 模型得到的土水特征曲线拟合参数。裂隙性黏土优势流入渗过程模拟及参数分析为了探讨降雨条件和裂隙发育程度对裂隙性黏土优势流入渗过程的影响，本文开展了降雨强度、土体裂隙面积率和裂隙域饱和渗透系数对裂隙性黏土优势流入渗过程的数值模拟，影响因子参数均按照倍、倍递增。是土壤非饱和渗流领域的一款成熟的计算软件，其采用有限元求解 方程，内部嵌有双重渗透模块，并有较为全面的土壤参数数据库。本文土体基质域参数选择 软件提供的黏土，具体参数见表，采用迭代方法求解隐函数根。土体裂隙域参数及不同工况模拟参数见表，其中工况至工况表示不同降雨强度对土表土体基本参数表 y y 土体类型 残余体积含水率，饱和体积含水率，初始体积含水率，（）基质域饱和渗透系数（）黏土 表不同工况模拟参数表 工况模型参数（）降雨历时 ，（）（）工况 工况 工况