離石黃土滲透規(guī)律試驗研究

王建斌

(西北大學地質(zhì)學系/大陸動力學國家重點實驗室，陜西西安710069)

水在工程界被稱為“萬惡之源”，在滑坡領域更是有“無水不滑”之說。在我國離石黃土廣布的西北地區(qū)，因強降雨、冰雪融化、農(nóng)田漫灌而引發(fā)的滑坡、泥石流等災害造成重大人員傷亡。這些災害的發(fā)生，與降雨關系密切已早為人知，但人們對這種關系的認識和理解仍不夠深入。為此，有必要對降水在非飽和離石黃土中的作用過程、作用方式方面進行深入研究。眾多學者對類似問題開展過研究。Horton R E[1]最早提出了穩(wěn)定入滲率的概念;Philip[2]認為降水在入滲過程中任意時刻的入滲率與實踐呈冪級數(shù)關系，并初步建立了入滲模型;孫菽芬[3]根據(jù)柱塞流假設，推導了決定入滲率等于雨率時的時間及該時的濕潤封面位置。魏忠義[4]對河溝流域各類型下墊面水分入滲規(guī)律及特征進行了系統(tǒng)研究，結果表明Kostiakov公式以及Horton公式較符合河溝流域的實際入滲情況。王文焰[5]對Green－Ampt入滲模型進行了改進，推導出了適用于黃土地區(qū)的積水入滲模型，與實際吻合較好。李亞娟[6]通過野外積水入滲試驗，對不同地貌特征與不同土地利用條件下土壤入滲的變化規(guī)律進行了研究，結果表明塬面和陰坡較符合Kostiakov入滲率均表現(xiàn)為陰坡大于陽坡。

非飽和土滲透特性研究方面取得了長足發(fā)展，但對于離石黃土在不同降雨強度下，水在土體中入滲的變化規(guī)律的研究尚空缺。為此，本文通過構建多種降雨試驗模式，探討不同雨強(15 mm、50 mm、70 mm)時濕潤峰值位置隨時間的變化規(guī)律，利用數(shù)學方法分析預測可能的最深濕潤峰值位置、穩(wěn)定富集速率等，為黃土坡地地質(zhì)災害致災機理及防治研究提供借鑒。

1 試驗原理

水流的運動同樣符合運動學規(guī)律，即

式中H表示入滲深度，V表示入滲速度，t表示入滲時間。若知某時刻tn入滲峰值面的位置Hn，則可在直角坐標中記錄點Mn(tn，Hn)，同理，通過記錄不同時刻入滲峰值面的位置，可得出一系列點M1，M2，…，Mn，利用這些點可繪制出入滲峰值面位置(入滲高度)H與時間t的關系曲線。

假設入滲高度H與時間t呈二元非線性函數(shù)關系，即

式中a，b，c均為常數(shù)。某時刻tn水流的滲透速率Vn等于該點的導數(shù)H'n，通過求函數(shù)關系式的導數(shù)可得出該點的滲透速率，即

2 試驗系統(tǒng)

基于上述原理和思路，初步探索出了一套能夠測試水在非飽和土體中入滲、徑流、富集等參數(shù)的試驗系統(tǒng)[7]，如圖1所示。

該裝置可劃分為4個部分，具體包括:

1)降雨部分。由供水箱、控水開關、導水管、LZB型流量計和噴頭等部件組成。供水箱通過導水管導出，LZB型流量計可通過微調(diào)開關控制所需流量大小，用以模擬不同降雨的強度;

2)滲流(取樣)裝置。包括PC透明塑料圓筒、鋼尺和透水石。PC透明塑料圓筒作為試驗筒，利用類似環(huán)刀法，將原狀離石黃土取入PC透明圓筒，鋼尺用以讀取入滲深度(峰值位置)，可以獲得入滲深度與時間的相關參數(shù)。為確保降雨能以面狀均勻入滲，試樣頂部放置一塊透水石;

3)徑流部分。由量筒、導管、凡士林等組成，試樣筒側壁留有小孔，位置與透水石頂面齊平，與導管相連至量筒內(nèi);

4)富集部分。主要包括漏斗、燒杯以及鐵絲網(wǎng)、紗布構成的反濾層。土樣底部滲出的水通過反濾層，由漏斗進入燒杯，可以獲得富集量與時間的相關參數(shù)。

圖1 滲透試驗系統(tǒng)設計圖

3 試驗方案

利用上述試驗系統(tǒng)，對不同雨強時濕潤峰值位置、富集量等參數(shù)隨時間的變化規(guī)律進行研究。考慮到小雨所需時間過長，加之小雨誘發(fā)災害的可能性較小，筆者設計了三種不同強度的降雨，如表1所示。

表1 模擬降雨量等級參數(shù)

利用取樣器取原狀離石黃土3組(6個)，取樣點為陜西省子長縣安定鎮(zhèn)，該地區(qū)地處陜北黃土高原，黃土覆蓋厚度大，面積廣，該區(qū)離石黃土顏色比較深，呈紅褐色，垂直節(jié)理發(fā)育，組織較疏松，易被揉碎，具有典型代表性，以此區(qū)土樣為研究對象能夠代表大部分離石黃土。室內(nèi)試驗測得試樣的基本物性指標如表2所示。

表2 土樣基本物性指標

將上述試樣安裝在試驗系統(tǒng)上，調(diào)節(jié)流量計微調(diào)開關至設定值開始試驗，每隔一定時間測讀入滲峰值的位置。當入滲峰值到達底部時，富集裝置開始發(fā)揮作用，讀取不同時刻燒杯中的積水值，即為富集量。一段時間后，當漏斗中的滴水勻速下落時，達到穩(wěn)定富集狀態(tài)，試驗終止。

4 結果分析

4.1 入滲規(guī)律

圖2為離石黃土入滲鋒面時態(tài)曲線，t=10min時，雨強為15 mm時，下滲深度小于10 mm;雨強為50 mm時，下滲深度為28 mm;雨強為70 mm時，下滲深度為50 mm，說明雨強入滲速率與雨強呈正相關，即同一時刻雨強越大，入滲鋒面位置越低。當下滲深度均達到60 mm時，雨強15 mm用時27 min，雨強50 mm用時26 min，雨強70 mm則用時10 min，說明對于同樣的滲透深度，雨強越大，歷時越短。對于第一個拐點用時，雨強越大，歷時越短。

圖2 離石黃土入滲鋒面時態(tài)曲線

圖3為離石黃土入滲速率時態(tài)曲線，隨著時間的持續(xù)，入滲速率整體是呈減小的趨勢的。0～15 min時，滲透速率迅速增長且15 min時增長至最大值，這是由于土樣含水率較低，黃土具松散、垂直節(jié)理發(fā)育及大孔隙等性質(zhì)，為雨水的入滲提供了良好的先決條件。15 min～20 min時，滲透速率呈減小趨勢，這是由于隨著含水量的增大，黃土中的部分結合水轉(zhuǎn)變成自由水，土體被壓密，在土體中形成了一層粘土殼，具一定的隔水性，阻礙的水的入滲，從圖2可以看出達到第一個拐點。隨著降水量的增加，土體由非飽和狀態(tài)逐漸過渡為飽和狀態(tài)，土體不再吸收水分而直接下滲至粘土殼，粘土殼由于不能承受上部土、水的共同重量而破壞，粘土殼的阻礙作用減弱，降水繼續(xù)下滲，入滲速率最終趨于穩(wěn)定。比較不同雨強可知，雨強越大入滲速率越大，這說明長持時大暴雨是產(chǎn)生滑坡災害的重要因素。

圖3 離石黃土入滲速率時態(tài)曲線

圖4 離石黃土富集量時態(tài)曲線

4.2 富集規(guī)律

隨著時間的持續(xù)，由于土體介質(zhì)的差異性，當降水滲透整個離石黃土層至相對隔水層時便會富集，這是降雨型滑坡產(chǎn)生的主導因素。圖4為離石黃土累積富集量時態(tài)曲線，前期曲線出現(xiàn)一定的波動，這是由于前期土樣底部并未完全飽和，部分降水被土樣吸收，隨著時間的持續(xù)，最終呈標準線性曲線，達到穩(wěn)定富集狀態(tài)。達到穩(wěn)定富集的時間與雨強呈負相關，即隨著雨強等級的增加，達到穩(wěn)定富集歷時越短。

圖5為離石黃土富集速率時態(tài)曲線，前期曲線據(jù)一定的波動性，后期與水平軸趨于平行，達到穩(wěn)定富集狀態(tài)。穩(wěn)定富集速率與雨強等級呈正相關，即雨強等級越高，穩(wěn)定富集速率越大。最終得出雨強分別為15 mm、50 mm、70 mm時的穩(wěn)定富集速率分別為 0.014 ml/s、0.017 ml/s、0.035ml/s。

圖5 離石黃土富集速率時態(tài)曲線

5 結論

基于黃土坡地地質(zhì)災害的認識，結合運動學理論與方法，設計了一套簡易試驗裝置，對水在非飽和離石黃土中的入滲、富集規(guī)律進行了初步探討，得出了如下結論:

(1)試驗裝置包括降雨、滲流、富集、徑流等部分，具有簡單、靈活、操作方便、精度高等特點，可用于模擬大氣降水、灌溉水徑流、下滲、富集的整個滲透過程;

(2)進行了雨強分別為15 mm、50 mm、70 mm時的非飽和離石黃土降雨入滲模擬試驗，得出了一系列入滲(速率)、富集(速率)時態(tài)曲線。同一時刻，雨強等級越高，離石黃土的下滲深度越深，同一入滲深度，雨強等級越高，歷時越短，雨強等級越高，平均入滲速率越大。不同雨強等級最終均達到穩(wěn)定富集狀態(tài)，穩(wěn)定富集速率與雨強等級呈正相關，最終得出雨強分別為15 mm、50 mm、70 mm時的穩(wěn)定富集速率分別為0.014 ml/s、0.017 ml/s、0.035 ml/s。

(3)非飽和離石黃土入滲過程是十分復雜的，影響因素亦十分多樣，本研究僅是初步的，試驗系統(tǒng)有待于進一步完善，但對于黃土坡地地質(zhì)災害致災機理的研究提供了一種新思路、新途徑，具有一定的啟示意義。

[1]雷志棟，楊詩秀，謝森傳.土壤水動力學[M].北京:清華大學出版社，1988.

[2]Philip J R.The theory of infiltration l:the infiltration equation and its solution[J].Soil Sci，1957，83(5):345 － 357.

[3]孫菽芬.降雨條件下土壤入滲的規(guī)律研究[J].土壤學報，1998，25(2):119－124.

[4]魏忠義，王治國，王春紅，等.河溝流域水分入滲的數(shù)學模型[J].山西農(nóng)業(yè)大學學報，2000，(01):59 －63.

[5]王文焰，汪志榮，王全九，等.黃土中Green－Ampt入滲模型的改進與驗證[J].水力學報，2003，(05):30－34

[6]李亞娟，宋孝玉，李懷有，等.甘肅西峰南小河溝流域土壤入滲分布規(guī)律研究[J].西北農(nóng)林科技大學學報(自然科學版)，2006，34(12):148－151.

[7]王念秦，劉曉玲，王建斌.非飽和土直滲儀的研制與應用[J].工程地質(zhì)學報，2012，20(5):796－799.