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[摘 要]在边坡中运用充气方法进行截排水的可行性已初步证实，但作为一种新方法还有许多问题亟待解决。岩土体具有复杂的结构性，气、水在土体内的流动也具有复杂的特性，为了直观分析充气排水过程中土体内气、水的运移特性，本文以粉质粘土为例，通过物理模型试验研究粘性土的充气排水可行性及其导气性能，得出如下结果：（1）通过物理模型试验得知，饱和粉质黏土在气压力的作用下可排水且存在起始排水气压力。（2）气压力越大，气排水稳定后土样的导气率越大。（3）在不同的排水气压力作用下，土样在充气排水稳定时土样饱和度降低率变化不大，在30%-37%之间。（4）粉质黏土的饱和渗透系数和导气率之间存在对数线性关系。
[关键词]物理模型试验；土样；充气排水；导气性；渗透系数
中图分类号：TP343 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）10-0138-02
引言
通过研究发现，大多数滑坡具有非常广阔的后缘汇水区域，雨水大多是通过这些广阔的汇水区域入渗到潜在滑坡区，导致坡体的地下水位线上升，从而诱发滑坡发生。利用土的渗透系数随饱和度降低而下降的特性，通过在渗流路径上实施充气排水形成非饱和截水帷幕，截排坡体后缘来水，控制地下水位上升，是滑坡灾害防治的新思路、新方法。近年来，有学者已经对充气截排水技术进行了边坡物理模型试验，初步验证了该技术具有很好的截排水效果，能明显降低坡体的地下水位，但要想进一步推动该技术的实际应用，还有许多问题亟待研究。由于岩土体的结构复杂性，非饱和土体的透水和透气性能就是研究的一个重要方面。许迪和A.Mermoud[1]利用土壤持水CP模型[2]土体渗透性具有随饱和度降低而迅速降低的性质；叶伟民等人[3-5]对饱和粘性土进行透气试验研究得出气体突破压力与进气值有关。因此，研究饱和粘性土的充气排水可行性及其导气性能，可以丰富充气截排水技术的研究内容，为进一步实施充气截排水新技术做好理论基础。
1模型试验的理论基础
地下水渗流达西定律的微分形式：
ν=- （1-1）
其中：v表示渗流的速度；k表示渗透系数；H表示渗透的水头高度；x表示渗流方向上的长度。
式（1-1）可以变化成下式：
ν=- （1-2）
其中：p表示渗透气体的压力，x表示渗透路径长度， 表示单位渗透路径长度上的压力变化。
气体在土体空隙介质中流动时，同样满足达西定律。但由于气体体积与压力相关，所以必然会引起气体的体积發生变化。
当以体积流量Q表示时：
Q=-kA φ=-kA （1-3）
再依据Carman方程：
（1-4）
其中：k为渗透系数；κ为多孔介质渗透率；μ为相应流体的粘滞系数。
将式（1-4）带入式（1-3）中，整理可以得到：
Q=- （1-5）
假定气体在土壤中运动时呈一维流动，上式可以积分得到：
Q（X1-X2）=- A（P1-P2） （1-6）
带入边界条件：X1=0m，P1=P；X2=0.5m，P2=0（即为大气压），得到：
（1-7）
其中：μ就是空气的粘滞系数（Pa·s）；P为试样充气时的压力（Pa）；A表示横截面积（m2）；Q为气体流量（m3/s）；ka就是土壤的导气率，单位为m2。
2模型试验条件和过程
2.1模型试验条件
试验采用的主要装置有空气压缩机、稳压气筒、圆柱形试样桶以及各附件组成。试验所用土样为粉质粘土，其颗粒组成见表1
2.2模型试验过程
采用分层压实方法在试样筒中制作试样，采用抽真空法对土样进行饱和并运用常水头法测量其饱和渗透性，然后对饱和土样进行充气排水后的导气性试验。模型试验的具体步骤如下：
（1）试样制备。在试样筒底部铺设5cm厚的碎石子，以保证充气时，试样能够均匀受到气压作用。然后采用每层800g土壤分层铺设，锤击均匀，直到土柱高度达到50cm。接着在土样上方铺设碎石子，盖好顶部法兰盘并用螺栓拧紧，相当于施加一个反力防止充气时试样发生隆起破坏。
（2）饱和渗透性测定。抽真空设备直接连接到试样筒下部阀门上，试样上部设置水源，3天后发现试样达到饱和；然后按照常水头法测量一定时间内的渗流量，从而计算出饱和土样的渗透性。
（3）启动充气。按照图1连接好装置。先关闭阀门1和阀门3，打开阀门2，利用空气压缩机往稳压气筒中注入气体使其达到一定的压力。然后打开阀门1和阀门3，同时关闭阀门2，则气体就会通过阀门1从试样中溢出，随着气体的消散，水会通过阀门2持续的从恒压水桶中流进稳压气筒中。通过读取稳压气筒表面上的刻度值，就能换算出气体的流量。通过改变空气压缩机的充气气压来达到测定土样在不同进气压下的导气率。
2.3试验现象及结果
对饱和土样进行充气排水试验，当充气压力设定为12kPa时，持续一天稳压桶中水位仍无变化，这说明没有气体从试样中渗出。增大充气压力为18kPa，每隔一段时间读数，大约在6个小时之后，稳压筒中的水位才开始有变化，且上升速度非常缓慢，这说明气体通过土样渗出，即充气排水发生，且气体的流速非常慢；继续提增大充气压力到24kPa，在此压力作用下约4个小时之后稳压筒中水位开始发生变化，水位上升速度有所增快，且能观察到偶尔会有气泡从土样顶部冒出，这表明气排水之后的渗出速率较之前有明显提高；继续将充气压力分别增大到45kPa和60kPa，稳压桶中的水位上升速度随着气压力的增大而增大，从在土样顶部能明显观察到气泡不断冒出。不同气压力作用下当气体渗出率稳定时测定土样的残余含水率，并计算出相应的导气率。 根據试验结果，不同气压力作用下土样的导气率与渗透系数之间存在一定的关系。
不同充气压力下，饱和渗透系数和导气率均较好地呈现出对数线性关系，数据拟合度均在0.8以上，此结果与国外学者Loll等[6]人给出的饱和渗透系数和导气率两者之间存在对数线性关系吻合，即log？（K_w）=αlog？（K_a）+β，其中α、β为拟合参数。
3结论
通过对粉质黏土进行不同充气压力作用下的导气试验，对粘性土的充气排水性能有了几点认识：
（1）通过物理模型试验得知，饱和粉质黏土在气压力的作用下可排水且存在起始排水气压力。
（2）气压力越大，气排水稳定后土样的导气率越大。
（3）在不同的排水气压力作用下，土样在充气排水稳定时饱和度降低率变化不大，在30%-37%之间。
（4）粉质黏土的饱和渗透系数和导气率之间存在对数线性关系。
参考文献
[1]许迪， Mermoud A. 从土壤持水数据估算导水率方法的比较分析[J]. 水土保持学报， 2001（S1）：125-129.
[2]Campbell G S. A Simple Method for Determining Unsaturated Conductivity From Moisture Retention Data[J]. Soil Science， 1974，117（6）.
[3]叶为民，钱丽鑫，白云等. 由土-水特征曲线预测上海非饱和软土渗透系数[J].岩土工程学报，2005，27（11）：1262-1265.
[4]Xu， L.，Ye，W，M.， Ye， B.， Chen， B.， Chen， Y.G.， Cui， Y.J.， 2015. Investigation on gas migration in saturated materials with low permeability [J]. Engineering Geology. 197：94-102.
[5]Ye， W.M.， Xu， L， Ye， B.， Chen， B.， Chen， Y.G.， Cui， Y.J. Experimental investigation on gas migration in saturated Shanghai soft clay [J]. Engineering Geology. 222： 20–28.
[6]Loll P， Moldrup P， Schjnning P， et al.Predicting saturated hydraulic conductivity from air permeability： Application in stochastic water infiltration modeling[J]. Water Resources Research， 1999，35（8）：2387-2400.
*基金项目
国家自然科学基金资助项目（41372277），浙江省教育厅课题（Y201737550）
作者简介
杜丽丽（1983-），女，籍贯：河南商丘，讲师，博士，从事滑坡治理及监测工程分析研究。
[关键词]物理模型试验；土样；充气排水；导气性；渗透系数
中图分类号：TP343 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）10-0138-02
引言
通过研究发现，大多数滑坡具有非常广阔的后缘汇水区域，雨水大多是通过这些广阔的汇水区域入渗到潜在滑坡区，导致坡体的地下水位线上升，从而诱发滑坡发生。利用土的渗透系数随饱和度降低而下降的特性，通过在渗流路径上实施充气排水形成非饱和截水帷幕，截排坡体后缘来水，控制地下水位上升，是滑坡灾害防治的新思路、新方法。近年来，有学者已经对充气截排水技术进行了边坡物理模型试验，初步验证了该技术具有很好的截排水效果，能明显降低坡体的地下水位，但要想进一步推动该技术的实际应用，还有许多问题亟待研究。由于岩土体的结构复杂性，非饱和土体的透水和透气性能就是研究的一个重要方面。许迪和A.Mermoud[1]利用土壤持水CP模型[2]土体渗透性具有随饱和度降低而迅速降低的性质；叶伟民等人[3-5]对饱和粘性土进行透气试验研究得出气体突破压力与进气值有关。因此，研究饱和粘性土的充气排水可行性及其导气性能，可以丰富充气截排水技术的研究内容，为进一步实施充气截排水新技术做好理论基础。
1模型试验的理论基础
地下水渗流达西定律的微分形式：
ν=- （1-1）
其中：v表示渗流的速度；k表示渗透系数；H表示渗透的水头高度；x表示渗流方向上的长度。
式（1-1）可以变化成下式：
ν=- （1-2）
其中：p表示渗透气体的压力，x表示渗透路径长度， 表示单位渗透路径长度上的压力变化。
气体在土体空隙介质中流动时，同样满足达西定律。但由于气体体积与压力相关，所以必然会引起气体的体积發生变化。
当以体积流量Q表示时：
Q=-kA φ=-kA （1-3）
再依据Carman方程：
（1-4）
其中：k为渗透系数；κ为多孔介质渗透率；μ为相应流体的粘滞系数。
将式（1-4）带入式（1-3）中，整理可以得到：
Q=- （1-5）
假定气体在土壤中运动时呈一维流动，上式可以积分得到：
Q（X1-X2）=- A（P1-P2） （1-6）
带入边界条件：X1=0m，P1=P；X2=0.5m，P2=0（即为大气压），得到：
（1-7）
其中：μ就是空气的粘滞系数（Pa·s）；P为试样充气时的压力（Pa）；A表示横截面积（m2）；Q为气体流量（m3/s）；ka就是土壤的导气率，单位为m2。
2模型试验条件和过程
2.1模型试验条件
试验采用的主要装置有空气压缩机、稳压气筒、圆柱形试样桶以及各附件组成。试验所用土样为粉质粘土，其颗粒组成见表1
2.2模型试验过程
采用分层压实方法在试样筒中制作试样，采用抽真空法对土样进行饱和并运用常水头法测量其饱和渗透性，然后对饱和土样进行充气排水后的导气性试验。模型试验的具体步骤如下：
（1）试样制备。在试样筒底部铺设5cm厚的碎石子，以保证充气时，试样能够均匀受到气压作用。然后采用每层800g土壤分层铺设，锤击均匀，直到土柱高度达到50cm。接着在土样上方铺设碎石子，盖好顶部法兰盘并用螺栓拧紧，相当于施加一个反力防止充气时试样发生隆起破坏。
（2）饱和渗透性测定。抽真空设备直接连接到试样筒下部阀门上，试样上部设置水源，3天后发现试样达到饱和；然后按照常水头法测量一定时间内的渗流量，从而计算出饱和土样的渗透性。
（3）启动充气。按照图1连接好装置。先关闭阀门1和阀门3，打开阀门2，利用空气压缩机往稳压气筒中注入气体使其达到一定的压力。然后打开阀门1和阀门3，同时关闭阀门2，则气体就会通过阀门1从试样中溢出，随着气体的消散，水会通过阀门2持续的从恒压水桶中流进稳压气筒中。通过读取稳压气筒表面上的刻度值，就能换算出气体的流量。通过改变空气压缩机的充气气压来达到测定土样在不同进气压下的导气率。
2.3试验现象及结果
对饱和土样进行充气排水试验，当充气压力设定为12kPa时，持续一天稳压桶中水位仍无变化，这说明没有气体从试样中渗出。增大充气压力为18kPa，每隔一段时间读数，大约在6个小时之后，稳压筒中的水位才开始有变化，且上升速度非常缓慢，这说明气体通过土样渗出，即充气排水发生，且气体的流速非常慢；继续提增大充气压力到24kPa，在此压力作用下约4个小时之后稳压筒中水位开始发生变化，水位上升速度有所增快，且能观察到偶尔会有气泡从土样顶部冒出，这表明气排水之后的渗出速率较之前有明显提高；继续将充气压力分别增大到45kPa和60kPa，稳压桶中的水位上升速度随着气压力的增大而增大，从在土样顶部能明显观察到气泡不断冒出。不同气压力作用下当气体渗出率稳定时测定土样的残余含水率，并计算出相应的导气率。 根據试验结果，不同气压力作用下土样的导气率与渗透系数之间存在一定的关系。
不同充气压力下，饱和渗透系数和导气率均较好地呈现出对数线性关系，数据拟合度均在0.8以上，此结果与国外学者Loll等[6]人给出的饱和渗透系数和导气率两者之间存在对数线性关系吻合，即log？（K_w）=αlog？（K_a）+β，其中α、β为拟合参数。
3结论
通过对粉质黏土进行不同充气压力作用下的导气试验，对粘性土的充气排水性能有了几点认识：
（1）通过物理模型试验得知，饱和粉质黏土在气压力的作用下可排水且存在起始排水气压力。
（2）气压力越大，气排水稳定后土样的导气率越大。
（3）在不同的排水气压力作用下，土样在充气排水稳定时饱和度降低率变化不大，在30%-37%之间。
（4）粉质黏土的饱和渗透系数和导气率之间存在对数线性关系。
参考文献
[1]许迪， Mermoud A. 从土壤持水数据估算导水率方法的比较分析[J]. 水土保持学报， 2001（S1）：125-129.
[2]Campbell G S. A Simple Method for Determining Unsaturated Conductivity From Moisture Retention Data[J]. Soil Science， 1974，117（6）.
[3]叶为民，钱丽鑫，白云等. 由土-水特征曲线预测上海非饱和软土渗透系数[J].岩土工程学报，2005，27（11）：1262-1265.
[4]Xu， L.，Ye，W，M.， Ye， B.， Chen， B.， Chen， Y.G.， Cui， Y.J.， 2015. Investigation on gas migration in saturated materials with low permeability [J]. Engineering Geology. 197：94-102.
[5]Ye， W.M.， Xu， L， Ye， B.， Chen， B.， Chen， Y.G.， Cui， Y.J. Experimental investigation on gas migration in saturated Shanghai soft clay [J]. Engineering Geology. 222： 20–28.
[6]Loll P， Moldrup P， Schjnning P， et al.Predicting saturated hydraulic conductivity from air permeability： Application in stochastic water infiltration modeling[J]. Water Resources Research， 1999，35（8）：2387-2400.
*基金项目
国家自然科学基金资助项目（41372277），浙江省教育厅课题（Y201737550）
作者简介
杜丽丽（1983-），女，籍贯：河南商丘，讲师，博士，从事滑坡治理及监测工程分析研究。