入滲儀雙層實驗與模擬結果

5.2.1 入滲儀雙層實驗

在入滲儀的雙層實驗中，於原有單層實驗的含水層頂部額外鋪設一層約 0.10 m 厚的阻水層，並在阻水層的上方維持 0.22 m 的固定水深為上邊界條件，四周為 水泥的不透水邊界，底部則埋設一包裹透水不織布之排水管，而出口處為了控制土 層內之地下水位面的下降，再排水口分別連接1.50 m、1.10m、0.70 m 以及 0 m 高 的不鏽鋼管，使排水管及不鏽鋼鋼管內皆充滿水，令排水口處的壓力邊界條件為連 通之不鏽鋼管高度的水壓，水流從表面經由排水管流至低點的排水口接入連通之 不鏽鋼管後流出。不鏽鋼管的高度以排水口高度向上為基準(示意圖可參考 Fig.

3.16)。

Fig. 5.11 至 Fig. 5.14 分別為排水口壓力邊界條件 1.50 m、1.10 m、0.70 m 以及 0 m 時的含水量隨排水時間變化結果。由這四張圖中可以發現含水量隨時間的變化 量不大，含水量維持在0.33 至 0.37 之間。表示在這四個高度下的排水口邊界條件 下的含水量在9 個 TDR 探針的位置上皆處於近飽和的狀態。圖中的黃線表示含水 量的平均變化量。各支探針的量測結果上有些微差距，是由於儀器個體上的差異所 造成。

Fig. 5.11 入滲儀雙層實驗中 TDR 的含水量測值隨排水時間變化結果(排水口壓

Fig. 5.13 入滲儀雙層實驗中 TDR 的含水量測值隨排水時間變化結果(排水口壓

驗進行過程中該張力計出現故障之情況，使得張力測值出現雜訊，因此在後續章節 中不將該張力計之測值納入討論。此外，圖中所測得之張力測值，大約每24 小時 便會出現一次不穩定的震盪現象，推測原因為實驗室內電源的週期性變化。

由這四張圖中可以發現在四個排水口壓力邊界條件下的張力測值皆會隨著排 水時間的增加在初期快速上升，而後因為出口壓力固定而趨於穩定。且隨著排水口 壓力邊界條件的逐步降低(Fig. 5.15 至 Fig. 5.18)，穩定後的張力測值亦隨之上升(壓 力下降)，但皆仍處於飽和的負值範圍中。表示在儀器所埋設之位置處並未量測到 非飽和的負壓區域。但對於土層在淺層處(深度小於 0.53 m，未埋設儀器之區域)是 否有出現非飽和的負壓區域，需配合入滲儀單層與雙層實驗模擬結果的比較以及 模擬壓力分佈圖，才能有更好的判斷依據(詳見 5.2.2 節中的模擬壓力分佈圖與 5.4.2 節中的討論)。

Fig. 5.15 入滲儀雙層實驗中張力計的張力測值隨排水時間變化結果(排水口壓力 邊界條件為1.50 m)

-1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

張力(m)

排水時間(hr)

T4e-1 T4e-2

Fig. 5.16 入滲儀雙層實驗中張力計的張力測值隨排水時間變化結果(排水口壓力

Fig. 5.18 入滲儀雙層實驗中張力計的張力測值隨排水時間變化結果(排水口壓力 邊界條件為0 m)

5.2.2 入滲儀雙層模擬

在入滲儀的雙層模擬中，以0.22 m 的定水頭為上邊界條件，左右及底部邊界 為不透水邊界。僅在排水管的出口處，即排水口分別設為對應1.50 m、1.10m、0.70 m 以及 0 m 高度之不鏽鋼管的壓力。含水層的水力傳導度(Ka)與阻水層的水力傳導 度(Kc)使用由 3.3 節中水力傳導度實驗所測得之結果，分別為 Ka = 1.2410^-5 m/s 以 及Kc = 2.4910^-7 m/s，滿足(2.23)式的土層非飽和條件式。保水曲線為 van Genuchten 模式，參數使用由3.4 節中保水曲線實驗所測得之結果，分別為 θs = 0.38、θr = 0.048、

α = 3.55 (1/m)以及 n = 3.45。此外，本研究中的 COMSOL 數值模型裡只針對土層

內部進行模擬，土層上方的固定水深以及水流經由排水口流出後的情況皆並未繪 製於圖中。

Fig. 5.19 至 Fig. 5.26 分別為 Ka = 1.2410^-5 m/s 以及 Kc = 2.4910^-7 m/s 時不同 排水口高度之邊界條件的雙層模擬結果。

Fig. 5.19 至 Fig. 5.22 為排水口壓力邊界條件分別為 1.50 m、1.10m、0.70 m 以

-1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0

0 10 20 30 40 50 60 70 80

張力(m)

排水時間(hr)

T4e-2

及 0 m 高時的壓力隨排水時間變化結果。圖中由紅色粗線所包圍的區域表示壓力 小於零，即非飽和之負壓區域。由這四張圖中可以發現最大的壓力皆發生在含水層 底部偏左的積水處。而最小的壓力則分為兩種情況：一、當土層內未出現非飽和之 負壓區域(排水口壓力邊界條件為 1.50 m 的 Fig. 5.19)時，最小壓力分佈在土層上方 的固定水深，0.22 m；二、當土層內出現非飽和之負壓區域(排水口壓力邊界條件為 1.10 m、0.70 m 與 0 m 的 Fig. 5.20 至 Fig. 5.22)時，最小壓力則分佈在阻水層與含 水層間的交界面處。此外，非飽和負壓區域的發展會隨著不同排水口邊界條件而改 變，排水口壓力邊界條件的高度越高，非飽和負壓區域越小，甚至沒有非飽和的區 域；反之，排水口邊界條件的高度越低，非飽和負壓區域就越大。

Fig. 5.19 入滲儀雙層模擬中之壓力分佈(實驗 Ka = 1.2410^-5 m/s，Kc = 2.4910^-7 m/s；且排水口壓力邊界條件為 1.50 m)

Fig. 5.20 入滲儀雙層模擬中之壓力分佈(實驗 Ka = 1.2410^-5 m/s，Kc = 2.4910^-7 m/s；且排水口壓力邊界條件為 1.10 m)。圖中由紅色粗線所包圍的區域表示負

壓的非飽和區域

Fig. 5.21 入滲儀雙層模擬中之壓力分佈(實驗 Ka = 1.2410^-5 m/s，Kc = 2.4910^-7 m/s；且排水口壓力邊界條件為 0.70 m)。圖中由紅色粗線所包圍的區域表示負

壓的非飽和區域

Fig. 5.22 入滲儀雙層模擬中之壓力分佈(實驗 Ka = 1.2410^-5 m/s，Kc = 2.4910^-7 m/s；且排水口壓力邊界條件為 0 m)。圖中由紅色粗線所包圍的區域表示負壓

的非飽和區域

Fig. 5.23 至 Fig. 5.26 為排水口壓力邊界條件分別為 1.50 m、1.10m、0.70 m 以 及 0 m 高時的流線隨排水時間變化結果。由這四張圖中可以發現流線對於不同排 水口邊界條件而改變的主要因素為非飽和負壓區域。非飽和負壓區域越小，甚至沒 有非飽和的區域時，流線的結果就越相近；反之，非飽和負壓區域越大，流線結果 的差異就越大。此情況是由於非飽和負壓區域內含有空氣，使得區域內的橫向壓差 變小，令流線呈現出較為垂直的流動情況。直到流線通過非飽和負壓區域後，才轉 向排水口處的方向。

Fig. 5.23 入滲儀雙層模擬中之流線(實驗 Ka = 1.2410^-5 m/s，Kc = 2.4910^-7 m/s；且排水口壓力邊界條件為 1.50 m)

Fig. 5.24 入滲儀雙層模擬中之流線(實驗 Ka = 1.2410^-5 m/s，Kc = 2.4910^-7 m/s；且排水口壓力邊界條件為 1.10 m)。圖中由紅色粗線所包圍的區域表示負

壓的非飽和區域

Fig. 5.25 入滲儀雙層模擬中之流線(實驗 Ka = 1.2410^-5 m/s，Kc = 2.4910^-7 m/s；且排水口壓力邊界條件為 0.70 m)。圖中由紅色粗線所包圍的區域表示負

壓的非飽和區域

Fig. 5.26 入滲儀雙層模擬中之流線(實驗 Ka = 1.2410^-5 m/s，Kc = 2.4910^-7 m/s；且排水口壓力邊界條件為 0 m)。圖中由紅色粗線所包圍的區域表示負壓

的非飽和區域

Fig. 5.27 至 Fig. 5.34 為考慮實驗填土方式上之差異後，為了使模擬參數更加 符合實驗過程，修正含水層水力傳導度(Ka)以及阻水層水力傳導度(Kc)後的模擬壓 力分佈與流線圖。Ka的修正比照前述的單層模擬參數，Kc的修正則選擇使張力計 位置處的壓力與實驗結果相符之值(修正方式詳見 5.4.1 節中)。Ka與Kc分別修正為

Ka = 5.8110^-5 m/s 以及 Kc = 1.8310^-6 m/s。Fig. 5.27 至 Fig. 5.34 之壓力分佈與流線 的變化趨勢同 Fig. 5.19 至 Fig. 5.26，但在非飽和負壓區域與流線隨不同排水口壓 力邊界條件而改變的發展程度以及入滲率上有所差異(入滲率的比較結果可見 5.4.1 節)。由上述的雙層排水實驗與模擬結果中可發現，實驗過程中無法判斷是否 出現的非飽和負壓區域，在壓力模擬結果中能夠清楚地看出非飽和負壓區域的產 生，且該負壓區域的範圍在修正水力傳導度後的模擬結果裡(Fig. 5.27 至 Fig. 5.30) 也確實並未深達儀器所埋設之位置，使得儀器的量測未達到預期結果。

Fig. 5.27 入滲儀雙層模擬中之壓力分佈(修正 Ka = 5.8110^-5 m/s，Kc = 1.8310^-6 m/s；且排水口壓力邊界條件為 1.50 m)

Fig. 5.28 入滲儀雙層模擬中之壓力分佈(修正 Ka = 5.8110^-5 m/s，Kc = 1.8310^-6 m/s；且排水口壓力邊界條件為 1.10m)。圖中由紅色粗線所包圍的區域表示負

壓的非飽和區域

Fig. 5.29 入滲儀雙層模擬中之壓力分佈(修正 Ka = 5.8110^-5 m/s，Kc = 1.8310^-6 m/s；且排水口壓力邊界條件為 0.70 m)。圖中由紅色粗線所包圍的區域表示負

壓的非飽和區域

Fig. 5.30 入滲儀雙層模擬中之壓力分佈(修正 Ka = 5.8110^-5 m/s，Kc = 1.8310^-6 m/s；且排水口壓力邊界條件為 0 m)。圖中由紅色粗線所包圍的區域表示負壓

的非飽和區域

Fig. 5.31 入滲儀雙層模擬中之流線(修正 Ka = 5.8110^-5 m/s，Kc = 1.8310^-6 m/s；且排水口壓力邊界條件為 1.50 m)

Fig. 5.32 入滲儀雙層模擬中之流線(修正 Ka = 5.8110^-5 m/s，Kc = 1.8310^-6 m/s；且排水口壓力邊界條件為 1.10m)。圖中由紅色粗線所包圍的區域表示負

壓的非飽和區域

Fig. 5.33 入滲儀雙層模擬中之流線(修正 Ka = 5.8110^-5 m/s，Kc = 1.8310^-6 m/s；且排水口壓力邊界條件為 0.70 m)。圖中由紅色粗線所包圍的區域表示負

壓的非飽和區域

Fig. 5.34 入滲儀雙層模擬中之流線(修正 Ka = 5.8110^-5 m/s，Kc = 1.8310^-6 m/s；且排水口壓力邊界條件為 0 m)。圖中由紅色粗線所包圍的區域表示負壓

的非飽和區域