土坡降雨入滲影響因子模擬實驗

鄒英,陳忠,王繼華,陳安

(1. 昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，昆明　650031；2.中國能源建設(shè)集團云南省電力設(shè)計院有限公司，昆明　650011)

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土坡降雨入滲影響因子模擬實驗

鄒英1,陳忠1,王繼華2,陳安1

(1. 昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，昆明650031；2.中國能源建設(shè)集團云南省電力設(shè)計院有限公司，昆明650011)

摘要：綜合模擬實驗土坡降雨入滲的各種常見影響因子，實驗結(jié)果表明：土質(zhì)對降雨入滲能力的影響明顯，土中粘粒含量越高，顆粒越細微，粒間孔隙越小，吸、保水性能越強，開始入滲速度較快，在一定時間后入滲趨于平緩，浸潤線前鋒位置與雨水之間存在滯后現(xiàn)象；土體結(jié)構(gòu)都對土體入滲能力產(chǎn)生較大影響，隨著土體密實程度的增加，土體水力傳導(dǎo)度減小，其水分入滲能力明顯降低，開始入滲速度較快，在30 min過后入滲趨于平緩；在臨界含水量內(nèi)，滲透系數(shù)與飽和度成反比；在正常溫度范圍內(nèi)，對滲透影響不明顯；坡度與累積入滲深度基本呈凸形曲線關(guān)系；隨著植被覆蓋度增加，累積入滲量成直線增加。

關(guān)鍵詞：土坡；降雨入滲；實驗

1引言

土坡是自然界廣泛存在的一種很有特色的地質(zhì)體，它一般是由非飽和帶、毛細帶及飽和帶在雨水作用下組成的水文地質(zhì)系統(tǒng)[1-4]。影響邊坡降雨入滲能力的因素很多，主要包括巖土體的性質(zhì)、邊坡的地質(zhì)環(huán)境、降雨的性狀3個方面[5-11]。本次室內(nèi)實驗主要是對土坡降雨入滲一些具體影響因素進行人工降雨模擬實驗，目的為土質(zhì)邊坡的防護與治理提供科學(xué)依據(jù)。

2實驗設(shè)備與方法

2.1實驗儀器設(shè)備

2.1.1人工降雨裝置

人工降雨裝置主要由貯水箱、水泵、高位水箱、液位控制器、流量計和降雨器組成。其中降雨器是人工降雨裝置的核心部分，由振動發(fā)生器、布針架、框架、供水管等部件組成。其工作原理是通過流量計控制的水，由供水管網(wǎng)穩(wěn)壓后再供給針頭滴水，同時布針架在振動發(fā)生器的驅(qū)動下做水平圓周振動。通過振動將水滴破碎灑落于土面，使其均勻分布，從而達到模擬降雨的目的。

2.1.2土體裝載控制箱

土體裝載控制箱尺寸為2 000 mm(長)×1 000 mm(寬)×1 000 mm(高)，主要由帶針孔有機玻璃圓筒、控制坡度支架、集水箱等構(gòu)成。為了能實現(xiàn)坡度的變化，先設(shè)計一個可轉(zhuǎn)動的支架，再將所要進行實驗的坡面放置其上，支架轉(zhuǎn)動時放置于其上的坡面實現(xiàn)坡度的變化。兩側(cè)斜的撐桿根據(jù)坡面坡度要求打了很多孔，間隔為每5°一個孔，能實現(xiàn)的最大坡度為50°。

2.1.3含水量和容重測定儀器

實驗中主要考慮測定精度，土含水量測定主要采用烘箱烘干稱重法，輔以中子儀測定。土容重采用常規(guī)環(huán)刀法進行。

2.1.4其他儀器設(shè)備

除了上述主要儀器設(shè)備外，還有其它輔助儀器，秒表控制測試實驗時間，卷尺測量浸潤深度。

2.2實驗方法

首先在每組實驗前對土樣進行選擇、篩分和制備，根據(jù)每次實驗的要求填筑實驗土坡，并修成規(guī)定的坡度，在實驗過程中，記錄量測浸潤線位置與其它現(xiàn)象，并進行描述，降雨為一般性均勻降雨，強度為200 mm/d。

本次降雨入滲實驗有土質(zhì)影響實驗、土結(jié)構(gòu)影響實驗、土飽和度(含水量)影響實驗、降雨雨水溫度影響實驗、土坡坡度影響實驗、表層覆蓋物影響實驗。

土質(zhì)影響實驗采用3組不同土質(zhì)進行，每10 mim觀測一次，土樣來源于深圳地區(qū)某邊坡，三組土的基本物理力學(xué)參數(shù)見表1。

土結(jié)構(gòu)影響實驗選擇了同種土質(zhì)(砂質(zhì)粘性土)條件下，3組代表不同結(jié)構(gòu)土體，即疏松土體、稍密實土體、密實土體，反映在孔隙比的差異。在實驗中，將直接裝入土體裝載控制箱的土體作為實驗疏松土體，稍加壓實的土體作為稍密實土體，充分壓實的土體作為密實土體，每組實驗都是每10 min觀測一次。

土飽和度(含水量)影響實驗采用人工配制的砂質(zhì)粘性土進行實驗，由于野外土坡的土飽和度一般在50%～100%之間，本次實驗飽和度控制在60%～95%之間，共用12種含水量進行12組實驗。

降雨雨水溫度影響實驗采用同種土體(砂質(zhì)粘性土)條件下，配制水溫按2℃、20℃與30℃三種溫度，每組實驗按每10 min觀測一次。

土坡度影響實驗采用同種土體(砂質(zhì)粘性土)條件下，用坡長一定，而坡度按10°、15°、20°、25°、30°與35°進行，每組實驗按每10 min觀測一次。

表層覆蓋物影響實驗采用同種土體(砂質(zhì)粘性土)條件下，用坡長、坡度一定，而覆蓋物采用不同層數(shù)的3.0 mm×3.0 mm型針眼的纖維質(zhì)紗窗網(wǎng)，分別為1層、2層、3層、4層、5層進行。

3降雨入滲影響因子實驗分析

影響邊坡降雨入滲能力的因素很多，主要包括土體的性質(zhì)、邊坡的地質(zhì)環(huán)境、降雨的性狀3個方面[5]，這些影響因素與降雨入滲能力的具體關(guān)系如何，這需要大量的實驗。本次主要對某些具體影響因素進行有目的性較強的模擬實驗研究。

3.1土質(zhì)對入滲的影響

本次采用三組土的基本物理力學(xué)參數(shù)見表1。圖1所示為三組土60 min入滲量隨時間的變化曲線。

表1　三組土的基本物理力學(xué)參數(shù)

圖1　三組土60 min入滲量隨時間的變化曲線

對比分析三組土60 min入滲量隨時間的變化曲線發(fā)現(xiàn)，土質(zhì)對降雨入滲能力的影響明顯。在同樣的入滲時間內(nèi)，礫質(zhì)粘土體入滲量最大，砂質(zhì)粘性土體次之，粉質(zhì)粘性土體最小。這是由于土體質(zhì)地是土體固、液、氣三相物質(zhì)按比例合成，土粒的表面能、土體孔隙大小和分布、物質(zhì)組成等對土體水分運動的驅(qū)動力產(chǎn)生影響，從而影響到土體的入滲能力。另外，還發(fā)現(xiàn)，每種土體開始入滲速度較快，而在30 min過后，入滲基本上趨于平緩，這可能是由于土體表層含水量增加，抑制了雨水的進一步入滲，雨水停止一段時間后，浸潤線前鋒位置還在繼續(xù)向前趨進，說明了降雨入滲存在滯后現(xiàn)象，但每種土質(zhì)入滲滯后時間不一樣。

3.2土結(jié)構(gòu)對入滲的影響

圖2所示為某三組砂質(zhì)粘性土60 min入滲量隨時間的變化曲線。從曲線圖中分析發(fā)現(xiàn)，同種土質(zhì)條件，土體結(jié)構(gòu)都對土體入滲能力產(chǎn)生較大影響。由于疏松土體單位體積密度小、孔隙率大、孔隙尺度大、連通性好，對其中運動流體的阻力小，因而在單位勢梯度下，土體水分的驅(qū)動力大，即土體水力傳導(dǎo)度大。而對于密實土體，密度大、孔隙小、孔隙尺度小、孔隙嚴重彎曲、連通性差。單位勢梯度下水分通量小，即土體水力傳導(dǎo)度小。因此，隨著土體密實程度的增加，土體水力傳導(dǎo)度減小。另一方面隨著土體密實程度的增加，孔隙程度減小，含水量相同時土體水吸力增大。所以同樣的入滲時間內(nèi)，隨著土體由疏松變密實，其水分入滲能力明顯降低，疏松土體入滲量最大，稍密實土體次之，密實土體最小。同樣也發(fā)現(xiàn)，對于同質(zhì)地不同孔隙比的土體，開始入滲速度較快，而在30 min過后，入滲基本上趨于平緩。

圖2　三組土60 min入滲量隨時間的變化曲線

3.3土的飽和度對入滲的影響

本次采用野外某地砂質(zhì)粘性土進行實驗，共進行12組實驗，圖3是其飽和度與滲透系數(shù)關(guān)系散點圖。由圖3中分析發(fā)現(xiàn)，隨著土的飽和度提高，其滲透系數(shù)下降，可見土的飽和度對土體入滲能力產(chǎn)生影響，而且發(fā)現(xiàn)當土的飽和度增加到一定值時，滲透系數(shù)增加幅度非常小，這說明存在一個影響土的滲透能力的臨界含水量。土體含水量主要從入滲水流濕潤區(qū)內(nèi)的平均勢梯度方面影響土體水分的入滲能力。土體含水量越高，水分入滲鋒面的土水勢越高，則水分入滲鋒面與地表之間的平均勢梯度越小，因此土體的入滲驅(qū)動力越小，即土體入滲能力越低。所以土體含水量越高，土體入滲能力越低，但是超過一定的含水量后，土體的入滲能力增加非常緩慢。

圖3　某地砂質(zhì)粘性土飽和度與滲透系數(shù)關(guān)系散點圖

3.4降雨水溫對入滲的影響

圖4為水溫對某地砂質(zhì)粘性土入滲能力的影響對比曲線。對比分析實驗曲線發(fā)現(xiàn)：同種土體條件下，水溫對土體入滲能力產(chǎn)生較大影響。同樣的入滲時間內(nèi)，隨著水溫的增高，水的活動性越強，其水分入滲能力明顯提高，這說明雨水的溫度對入滲能力的影響具有重要的意義。這能很好的解釋夏季的滑坡災(zāi)害比冬季要多，除了夏季降雨多是重要原因外，雨水本身的溫度也扮演一個重要催發(fā)加劇作用。但是隨著溫度的升高，溫度對入滲能力的影響趨于平緩，20℃與30℃的水對入滲能力影響非常接近，所以降雨溫度在低溫階段對入滲影響更明顯，而在正常溫度范圍內(nèi)，影響不明顯[10]。

圖4　水溫對某地砂質(zhì)粘性土入滲影響的對比曲線

3.5土坡度對入滲的影響

圖5為土坡度對降雨入滲的影響實驗曲線。從圖5中分析發(fā)現(xiàn)：坡長一定時，在不同降雨時段，累積入滲深度與坡度基本呈凸形曲線關(guān)系[11]，且影響累積入滲深度的臨界坡度明顯存在。即當坡度在較小范圍時，坡度的增大對累積入滲量變化影響不明顯，而當坡度增加到一定值時，累積入滲深度反而隨坡度的增大而減少。

3.6坡面覆蓋物對入滲的影響

圖6為坡面覆蓋物對降雨入滲的影響關(guān)系曲線。從曲線對比分析發(fā)現(xiàn)：隨著植被覆蓋度增加，累積入滲量幾乎成直線增加。這充分說明覆蓋物在水土保持方面的顯著作用。并隨著時段的增長，累積入滲量受覆蓋物覆蓋層數(shù)的影響增大。同時，隨著時段的加長，相同覆蓋物覆蓋層數(shù)條件下，累積入滲量增加的幅度變小。這主要是由于入滲初期，坡面只有局部徑流。隨著時段的加長，形成波面漫流，這時覆蓋物覆蓋層數(shù)的作用相對就突出了。坡度與覆蓋物的影響結(jié)論與石生新(1992)[12]在高強度人工降雨條件下野外實驗研究洋槐林中地面坡度對土壤入滲速率的影響結(jié)論有些相似，說明室內(nèi)降雨模擬實驗?zāi)芊从骋巴鈱嶋H情況。

圖5　坡度與累積入滲深度的關(guān)系(某地砂質(zhì)粘性土)

圖6覆蓋物層數(shù)與累積入滲量的關(guān)系

4結(jié)語

土坡是自然界非常特殊的邊坡，它在降雨入滲條件下容易發(fā)生變形，甚至滑塌，研究降雨入滲機理及其實驗分析入滲影響因子，具有重要的意義。一方面能分析土坡在降雨入滲情況下，初步分析其穩(wěn)定狀態(tài)與災(zāi)變時間，另一方面能找到土坡防滲的關(guān)鍵技術(shù)，減少土坡水土流失。實驗發(fā)現(xiàn)坡體土的性質(zhì)、邊坡所處的地質(zhì)環(huán)境、降雨的性狀以及植被狀況是影響邊坡降雨入滲的決定因素，從而控制了邊坡在降雨入滲條件下的穩(wěn)定性。

根據(jù)本次室內(nèi)降雨入滲實驗設(shè)計、實驗操作、實驗成果整理及其分析過程，得到如下體會：

(1) 室內(nèi)降雨入滲實驗設(shè)計應(yīng)盡可能地接近于野外實際情況，由于野外地質(zhì)條件、地層巖土性狀、降雨特征等非常復(fù)雜，本次室內(nèi)模型實驗根據(jù)相似性原理盡量滿足實驗要求。

(2) 室內(nèi)降雨入滲實驗操作與觀測是最重要的一環(huán)，所以要仔細觀察實驗過程中出現(xiàn)的異常情況，分辨實驗誤差，多次進行驗證。

(3) 在整理實驗數(shù)據(jù)過程中，也要注意數(shù)據(jù)異常值，必要時進行線性回歸分析或再次進行實驗驗證。

(4) 本次分析出來的相關(guān)成果，有定性分析，也有定量分析，有的是第一次發(fā)現(xiàn)，有的是跟目前已有的成果相似。

(5) 本次只是實驗研究分析土質(zhì)、土結(jié)構(gòu)、土飽和度、降雨雨水溫度、土坡度、表層覆蓋物6個方面對降雨入滲影響，對土邊坡設(shè)計治理提供了可靠的實驗依據(jù),由于降雨入滲影響因子非常多，需要開展研究內(nèi)容也很多。

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E-mail：657154269@qq.com

SLOPE RAINFALL INFILTRATION FACTOR SIMULATION EXPERIMENT

ZOU Ying1,CHEN Zhong1,WANG Ji-hua2, CHEN An1

(1. Institute of Land and Resources Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming of Yunnan650031,China;2. Energy China Yunnan Electric Power Design Institute Co. Ltd, Kunming of Yunnan650011,China)

Abstract:This paper comprehensive simulation slope rainfall infiltration of various common factors, the experimental results show that：The influence of soil to the rainfall infiltration ability significantly，the higher the clay content in the soil, the smaller particle, the more subtle, the intergranular pore, the stronger water, the absorption performance, fast start infiltration, in a certain time after the infiltration of leveling off, saturation line between forward and rain lag phenomenon; soil structure have great influence on soil water infiltration capacity, with the increase of soil compaction degree, soil hydraulic conductivity decreases, its water infiltration capacity is decreased obviously, fast start infiltration, infiltration leveling off after 30 minutes; within the critical moisture content, the penetration effect is not obvious; show convex curve slope with cumulative infiltration depth basic relations; with the increase of vegetation coverage, cumulative infiltration amount into linear increase.

Key words：slope; rainfall infiltration; experiment

作者簡介：鄒英(1983-)，女(漢族)，湖南邵陽人，在讀碩士研究生，主要從事第四紀地貌學(xué)與地質(zhì)災(zāi)害方面研究。

中圖分類號：TV131.6

文獻標識碼：A

收稿日期：2015-12-04改回日期：2016-02-05

文章編號：1006-4362(2016)01-0104-04