[PS非饱和入渗的现场试验]饱和产流和超渗产流

　　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 Mingshen1 PEI Qiangqiang2 WANG Sijing1,3 LI Zuixiong2 WANG 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。