降雨作用下馬蘭黃土滲透規(guī)律實(shí)驗研究

王念秦，劉曉玲，王慶濤，李少兵，馮 鑫

(西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西西安 710054)

降水入滲是誘發(fā)邊(斜)坡失穩(wěn)的重要原因［1］，在水的作用下，黃土邊坡坡體重力增加，土體孔隙壓力改變，土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，因此，水-土作用模式及方式的研究尤為重要。張志清［2］通過寧夏路基黃土顆粒組成和化學(xué)成分的分析，對黃土路基的水理特性進(jìn)行了深入研究，探討了寧夏黃土路基滲透和濕陷的發(fā)展規(guī)律;王輝等［3］研究了干密度對黃土滲透系數(shù)的影響以及原狀黃土滲透系數(shù)隨時間的變化規(guī)律;顏斌等［4］采用有限元方法對黃土邊坡水入滲規(guī)律及其穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，得出強(qiáng)降水條件下水入滲深度一般為表層2m，入滲深度隨著降水時間增加而增加;趙景波等［5］通過固定試樣上方水頭，記錄一定時間內(nèi)入滲水量，從而對L1～S5結(jié)合層11個層位進(jìn)行了實(shí)驗，測定了滲透速率與時間的變化關(guān)系，得出土樣前10分鐘入滲很快，之后變緩，140～170min達(dá)到穩(wěn)定入滲狀態(tài);吳勝軍等［6］研制的變水頭壓力滲透儀，可對黏性土進(jìn)行不同荷載條件下土體滲透系數(shù)的測定;王建新等［7］應(yīng)用半解析半迭代的方法，從水勢(負(fù)壓)的角度推導(dǎo)了降雨自由入滲和壓力入滲兩個階段的理論模型。然而，由于黃土結(jié)構(gòu)特殊、成因復(fù)雜、工程地質(zhì)性質(zhì)不一，非飽和土滲流理論尚不完善，對非飽和土水的入滲途徑、入滲規(guī)律等方面的研究也比較局限。為此，以某地馬蘭黃土為研究對象，基于非飽和土直滲儀，進(jìn)行不同降雨強(qiáng)度下的馬蘭黃土滲透規(guī)律試驗研究，探索黃土災(zāi)害屬性。

1 試驗設(shè)備及實(shí)驗方案

1.1 試驗設(shè)備

以達(dá)西定律、質(zhì)量守恒定律為依據(jù)，研制一套非飽和土垂直滲透試驗儀(圖1)。試驗儀由降雨裝置、滲流(取樣)裝置、徑流裝置、富集裝置、試驗臺五部分組成［8］。其優(yōu)點(diǎn)在于:①以原狀黃土為研究對象，進(jìn)行不同降雨強(qiáng)度的降水試驗，直觀水下滲、徑流以及富集全過程，獲得徑流開始時間，記錄不同時刻水入滲鋒面位移、徑流量、滲流量等參數(shù);②取樣筒與滲透裝置一體化，防止水直接沿筒壁下滲，保證試驗數(shù)據(jù)真實(shí)、可靠。

主要試驗步驟:①安置試驗臺，集水箱置于試驗臺上方，串聯(lián)集水箱、流量計以及降雨噴頭;②將取好的原狀土樣置于鐵架臺臺座上，保持試樣豎直，鋼尺緊貼于試樣筒壁;③鐵架臺臺座下連接口徑大于試樣筒的漏斗，漏斗尖嘴置于量筒內(nèi);④完成整個裝置的安裝后，打開水閥，排除降雨裝置中的氣泡，采用流量計針形調(diào)節(jié)閥進(jìn)行微調(diào)，使得降雨強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計值;⑤開始試驗，觀察并記錄試驗數(shù)據(jù)，直到富集速率穩(wěn)定，試驗結(jié)束。

圖1 非飽和土垂直滲透儀實(shí)驗裝置設(shè)計圖Fig．1 Design of the vertical permeameter device on unsaturated soil

1.2 試驗方案

取某地馬蘭黃土為研究對象，根據(jù)儀器滲流(取樣)裝置大小，制備直徑12.5cm、高15cm的試樣5組，共10件進(jìn)行試驗。擬定降雨強(qiáng)度分別為16mm/h、50mm/h、70mm/h。

試驗內(nèi)容主要包括:測定土的天然含水量、液限、塑限以及試驗后土樣含水量等基本物理參數(shù);測定降雨條件下滲流、徑流、富集的開始時間，測定徑流量-時間、入滲鋒面位移-時間、滲流量-時間的對應(yīng)參數(shù)。

2 實(shí)驗結(jié)果分析

從試驗現(xiàn)象可以得出:不同雨強(qiáng)條件下，試驗開始5～8min可觀察到入滲鋒面，且滲透過程完成后試樣底部中心首先潮濕，表明雨水下滲鋒面呈漏斗形。由試驗前后基本物理參數(shù)(表1)可知:天然狀態(tài)下試樣為砂土，呈硬塑狀，完成滲透試驗后，含水量均超過液限并隨雨強(qiáng)的增加而減小，表明水開始在重力作用下入滲，表層土體含水量逐漸增加，降水越大，試樣含水率變化越快，在一定程度上產(chǎn)生了相應(yīng)的水力梯度，水下滲加快而無法大量聚集，因此試驗后其含水量較低雨強(qiáng)或低水頭條件下高。

表1 某地黃土基本物理參數(shù)表Table 1 Physical parameters of loess

圖2、圖3是馬蘭黃土在不同雨強(qiáng)條件下入滲鋒面位移-時間、富集量-時間關(guān)系曲線圖，表2為滲透速率表，分析實(shí)驗數(shù)據(jù)可知:

圖2 馬蘭黃土降雨入滲鋒面H－t關(guān)系Fig．2 Correlation curve between infiltration front and time in rainfall

圖3 馬蘭黃土降雨富集V－t關(guān)系Fig．3 Correlation curve between enrichment volume and time in rainfall

(1)雨強(qiáng)16mm/h，無徑流，試驗歷時22.5min下滲鋒面深度達(dá)7cm，此階段為快速下滲期，下滲速率0.31cm/min。隨著降雨時間增加，雨水下滲進(jìn)入緩慢下滲與穩(wěn)定下滲階段。待入滲鋒面到達(dá)試樣底部，滲流速率為1.3mL/min。整個過程歸納為快速下滲—緩慢下滲—穩(wěn)定滲流三階段。天然狀態(tài)下試樣含水率較低，孔隙度較大，雨強(qiáng)16mm/h，土樣吸水能力大于降雨強(qiáng)度，隨著滲透試驗的進(jìn)行，一部分水繼續(xù)下滲，另一部分填充試樣空隙，水下滲的重力作用變?nèi)?，克服土體阻力做功增大，下滲鋒面下滲速率隨下滲時間及下滲深度的增加而降低，雨水補(bǔ)給量大于水下滲滲流量，試樣入滲鋒面以上含水率逐漸增大，形成穩(wěn)定流，進(jìn)入穩(wěn)定下滲階段，由此，滲流曲線亦呈線性關(guān)系。

(2)雨強(qiáng)50mm/h和70m/h，徑流分別在試驗開始第29min和14min產(chǎn)生，兩種雨強(qiáng)條件下曲線先呈上凹形然后平緩。入滲鋒面分別在試樣深度5cm和7cm內(nèi)，下滲速率為0.40cm/min和0.36cm/min，隨降雨歷時增加，徑流產(chǎn)生，入滲深度達(dá)到8.5cm和11cm，水下滲速率為0.68cm/min和0.95cm/min，大于此深度后，水下滲速率為0.36～0.097cm/min和0.2cm/min，其中第二階段滲透速率最大。表明馬蘭黃土具大孔隙特征，土樣開始吸水能力大于降雨量，上部土樣含水率迅速增加，試樣表面產(chǎn)生徑流，降雨量流失一部分，入滲水在重力和上覆水力梯度共同作用下空前加速，形成快速流動期，待雨水補(bǔ)給量小于此階段的下滲量與充填量之和時，作用力減小，水滲流速度變緩直到穩(wěn)定。

(3)雨強(qiáng)50mm/h和70mm/h，富集(滲流)速率分別為3.04～3.44mL/min和2.83～2.25 mL/min。隨雨強(qiáng)的增加，土體開始徑流的時間越短，水量損失就越大，雨強(qiáng)70mm/h富集速率就較雨強(qiáng)50mm/h小。

表2 西安某地馬蘭黃土降雨滲透速率數(shù)據(jù)表Table 2 Seepage velocity dates of Malan loess in rainfall

3 結(jié)論

(1)降雨入滲鋒面呈漏斗形，凹面向下，均勻推進(jìn)。

(2)實(shí)驗后試樣含水量為30% ～40%，均超過液限，且隨雨強(qiáng)的增大含水率相應(yīng)減小。

(3)降雨條件下試樣滲透規(guī)律受降雨強(qiáng)度的不同而呈現(xiàn)不同的滲透階段。雨強(qiáng)16mm/h，入滲鋒面下滲過程分為快速下滲、緩慢下滲、穩(wěn)定下滲三個階段，下滲速率分別為:0.31cm/min、0.16cm/min、0.02cm/min;雨強(qiáng)50mm/h與70mm/h，第二階段的下滲速率最大，表明馬蘭黃土具大孔隙特征，土樣開始吸水能力大于降雨量，上部土樣含水率迅速增加，試樣表面產(chǎn)生徑流，降雨量流失一部分，入滲水在重力和上覆水力梯度共同作用下空前加速，形成快速流動期，待雨水補(bǔ)給量小于此階段的下滲量與充填量之和時，作用力減小，水滲流速度變緩直到穩(wěn)定。

(4)完成滲透試驗后，試樣形成穩(wěn)定流，富集量與時間呈線性關(guān)系，滿足達(dá)西定律。

水-土作用模式復(fù)雜，非飽和土特別是黃土斜(邊)坡滲流場中滲流特征各具形態(tài)，通過分析室內(nèi)試驗結(jié)果，找出影響滲透作用的關(guān)鍵參數(shù)，深入到非穩(wěn)定流作用下邊坡穩(wěn)定性綜合評價中，進(jìn)一步探索非飽和土滲流原理及作用方式是目前需要推廣及延伸的領(lǐng)域。

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