《CATENA》：Experimental and numerical study of air–water two-phase flow in unsaturated loess with implications for slope stability
梁浩天|王伟|王淑丽
长安大学水资源与环境学院，中国陕西省西安市雁塔路126号，邮编710054
摘要
非饱和带中的空气迁移在调节水文过程和影响地质灾害的发生中起着关键作用。本研究通过实验室土壤柱实验和数值模拟，探讨了开放边界条件和封闭边界条件下的水-空气耦合迁移现象。结果表明，边界条件对非饱和渗透有显著影响。在封闭条件下，孔隙空气逐渐被压缩，压力达到50 kPa，而平均湿润锋速度降至0.056 m·d?1，而在开放条件下为0.063 m·d?1。空气压力的周期性波动进一步导致湿润锋下方的水流不稳定，表明土壤空气压力的变化直接调节了渗透速率。相比之下，在开放条件下，孔隙空气压力接近0 kPa，湿润锋的推进更为均匀。对降雨和灌溉情景的比较分析显示，降雨引起的空气压力变化有限，对渗透影响较小；而灌溉则导致空气压力大幅波动，显著降低了边坡的安全性。这些发现突显了孔隙空气动力学在非饱和黄土中的重要性，并表明空气压力是湿润锋与地下水之间的关键纽带。本研究强调了在评估非饱和地区地下水迁移和边坡稳定性时需要同时考虑水过程和空气过程。
引言
非饱和带中的空气-水相互作用被广泛认为是影响渗流过程和边坡稳定性的关键因素（Regmi等人，2013年）。针对沙质土壤（Mele等人，2024年）、海底（Yunfeng等人，2013年）和其他非饱和地层（Tisler和Szymkiewicz，2017年）的研究表明，被困空气可以改变水力传导性，引发优先流动，并降低有效应力，从而促进滑坡、泥石流等地质灾害的发生。
黄土高原地区天然降水量低，蒸发量大，植被稀疏，地下水位深，非饱和带通常较厚。非饱和黄土是一种多相介质，由固体、液体和空气相在其孔隙空间中共存。这些相之间的相互作用增加了水和空气运动的复杂性，影响了非饱和黄土的物理性质（Wang等人，2015年；Wei等人，2022年；Qin等人，2024年）。该介质中的水分渗透受固体、液体和空气相的共同作用控制。孔隙空气的存在和演变对边坡稳定性尤为重要，以往的研究强调了空气被困在滑坡中的重要作用（Chen等人，2019年）。被困和受压的空气会削弱颗粒间的接触，使黄土表现为泥沙和空气的流化悬浮体，可能引发下滑动（Varnes，1978年）。Ter-Stepanian（1998年）将1920年海原地震引发的黄土流动归因于高孔隙空气压力的发展。He等人（2021年）模拟了黄土高原的东风滑坡，得出结论：当考虑干燥空气时，水力传导性显著降低，导致孔隙水压力超过孔隙空气压力，从而降低有效应力并引发快速运动（Cui等人，2025年）。类似地，Zhang、Li等人（2022年）使用改进的Green–Ampt渗透模型表明，在强降雨期间，湿润锋处的空气被困会导致渗透初期正应力迅速减小，从而显著降低边坡安全系数。
关于空气对黄土非饱和渗透影响的研究很少。在水分渗透过程中，空气会在湿润锋前沿滞留，增加孔隙空气压力（Zhao等人，2021年）。Xiong等人（2023年）提出非饱和带中存在一个水分渗透强度的临界阈值。当超过这一阈值时，该区域内空气压力的变化会经历三个阶段：缓慢增长、快速增加和稳定。非饱和土壤中的最大和稳定空气压力与土壤的干密度和含水量成正比（Liu等人，2021a，Liu等人，2021b），与空气水力传导性成反比（Zhan等人，2014年；Kong等人，2024年）。黄土中的空气传输仍然遵循达西定律。黄土中的裂缝会增加其渗透性，使垂直变化比水平变化更为明显（ShiFeng等人，2024年）。边坡失效可能发生在非饱和带（Rasool和Aziz，2020年）。Ran等人（2015年）模拟了降水渗透下土壤边坡的三相耦合过程，并得出结论：如果在耦合模型中忽略空气，可能会高估边坡变形。土壤中被困的空气会降低降水渗透率，并影响过去的滑坡事件，影响边坡稳定性（Li等人，2022年）。Liu、Zha等人（2021年）通过实验报告称，间歇性降水可以增加土壤空气压力。当考虑土壤空气时，滑坡发生的时间会略微延迟（Regmi等人，2012年）。在非饱和渗透过程中，被困空气会堵塞孔隙，减少有效导水通道，并改变气泡结构（Princ等人，2020年）。此外，这一过程在湿润-干燥循环下具有累积的负面影响。Wang等人（2023年）利用CT扫描和多相格子Boltzmann方法（LBM）研究了颗粒土壤中水分滞留的微观机制，指出排水路径和吸水路径中空气团簇的空间分布和形态不同，这可能是滞后现象的潜在来源。渗透实验进一步表明，非饱和土壤中的空气主要占据大孔隙，但其连通性远弱于水相；随着含水量的增加，空气倾向于形成孤立的团簇，这严重限制了空气的释放并降低了两相的流动性（Chen等人，2022a，Chen等人，2022b）。
尽管以往的研究表明空气被困和空气-水相互作用会影响黄土边坡的稳定性，但仍存在一些局限性：大多数研究集中在自然降雨上，对灌溉的关注不足；大多数研究依赖于数值模拟，实验验证不足；传统的稳定性分析通常假设孔隙-空气压力为零，这可能导致安全系数的高估。为了解决这些问题，本研究结合了实验室土壤柱实验和边坡尺度模拟，分析了开放边界条件和封闭边界条件下的水-空气迁移及其对边坡稳定性的影响。具体目标包括：（1）研究土壤空气压力变化对非饱和渗透的影响；（2）建立黄土边坡模型并分析降雨和灌溉条件下的渗透特性；（3）评估空气被困对边坡稳定性的影响。
研究区域
泾阳县位于陕西省关中盆地，属于黄土高原的一部分。该县具有温带大陆性气候，四季分明。年平均降水量为548.74毫米，其中7月至9月降水量最多，达到829.7毫米。相比之下，年平均蒸发量为1316毫米，是年平均降水量的两倍多，这凸显了蒸发在
土壤柱模型的验证
图5显示了观测点的体积含水量拟合曲线。模拟结果在总体趋势和局部波动方面与测量数据非常吻合。
为了定量评估拟合性能，计算了决定系数（R2）、均方根误差（RMSE）和Nash–Sutcliffe效率系数（NSE）。如表3所示，大多数观测点的R2值超过0.8，NSE值
空气压力对黄土渗透的影响
渗透实验表明，在渗透过程中，湿润锋前的含水量增加，而整个土壤柱仍处于非饱和状态，土壤柱中的空气仍然连通。最初，含水量增加，随后减少，然后稳定在一个固定值。这种现象是因为湿润锋代表了低含水量和高含水量土壤之间的边界。
结论
本研究结合了实验室土壤柱实验和数值模拟，系统分析了不同边界和补给条件下的黄土中空气-水相互作用，特别关注了黄土高原大规模灌溉的典型情景。主要结论如下：
1.向下渗透压缩了孔隙空气并增加了空气压力，阻碍了湿润锋的推进。
作者贡献声明
梁浩天：撰写——原始草稿、方法论、数据整理。王伟：撰写——审稿与编辑、资金获取、数据整理。王淑丽：撰写——审稿与编辑、调查。
资金来源
本研究得到了国家基础研究计划（“973”计划）（项目编号：2014CB744700）和中央高校基本科研业务费（项目编号：300102290401）的资助。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：王伟报告称获得了长安大学和国家基础研究计划的资助。如果有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响工作的财务利益或个人关系。
