基于滲水試驗(yàn)的寨頭村黃土邊坡土壤含水率變化規(guī)律研究

錢　偉，王　鈺，管清浩

(長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

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基于滲水試驗(yàn)的寨頭村黃土邊坡土壤含水率變化規(guī)律研究

錢偉，王鈺，管清浩

(長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

[摘要]研究包氣帶含水率的變化特征，對(duì)于防治陜西涇陽南部黃土臺(tái)塬黃土滑坡具有重要意義。通過室外原位滲水試驗(yàn)，測(cè)定不同導(dǎo)管處土壤體積含水率和土水勢(shì)能，實(shí)驗(yàn)表明：隨著時(shí)間推移，包氣帶土壤含水率最大值所處位置逐漸向下運(yùn)移，且土壤最大體積含水率減?。稽S土包氣帶深度為1 m 時(shí)土壤體積含水率達(dá)到最大；隨深度的增加，含水率變化幅度逐漸變小。

[關(guān)鍵詞]滲水試驗(yàn)；包氣帶；土壤含水率；土水勢(shì)能

陜西省涇陽縣南部黃土臺(tái)塬區(qū)為黃土滑坡多發(fā)地段，滑坡對(duì)當(dāng)?shù)卦斐闪藝?yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[1]。黃土滑坡的誘發(fā)因素分為自然因素和人為因素兩類，其中降水和人類工程活動(dòng)是最積極的誘發(fā)因素[2]。目前，普遍認(rèn)為在降水或灌溉條件下，水分從地表滲透到黃土坡體內(nèi)，進(jìn)行非飽和運(yùn)動(dòng)，使坡體內(nèi)地下水位發(fā)生變化，從而引起黃土滑坡。非飽和狀態(tài)下，黃土坡體內(nèi)土壤含水率與坡體抗剪強(qiáng)度存在一定的關(guān)系。非飽和條件下，黃土抗剪強(qiáng)度隨含水率的增加而降低[3]，而土壤基質(zhì)吸力是土壤含水率的函數(shù)，土壤基質(zhì)吸力亦對(duì)土體抗剪強(qiáng)度存在一定的影響[4]。降水或灌溉條件下，黃土坡體中土壤含水率及土壤基質(zhì)吸力發(fā)生變化，同時(shí)影響土體抗剪強(qiáng)度，黃土邊坡穩(wěn)定性隨之變化，當(dāng)達(dá)到失穩(wěn)臨界時(shí)就會(huì)發(fā)生滑坡[5]。因此，研究水分在黃土包氣帶中的變化規(guī)律，為黃土邊坡穩(wěn)定性提供理論依據(jù)，具有重要的研究意義。

1研究區(qū)概況

本次研究的室外試驗(yàn)場(chǎng)位于陜西省涇陽縣以南寨頭村黃土臺(tái)塬區(qū)邊坡后緣，距黃土邊坡陡崖30 m。陜西省涇陽縣地處關(guān)中盆地涇河下游，渭河地塹北緣中段，岐山至富平斷裂帶兩側(cè)。地勢(shì)西北高、東南低。涇陽縣屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，一年四季冷暖、干濕分明，具有春季溫暖干旱、夏季炎熱多雨、秋季涼爽濕潤、冬季寒冷少雪的特點(diǎn)。涇陽縣域內(nèi)主要河流為涇河，其次為清河、冶峪河。

室外試驗(yàn)場(chǎng)地位于寨頭村黃土臺(tái)塬邊坡后緣，出露地層為第四系黃土地層，自邊坡頂部至底部出露地層分別為耕植土(Q4)，馬蘭黃土(Q3)，離石黃土(Q2)和古土壤(Q2)。各地層巖性描述分述如下：

1)全新統(tǒng)耕植土(Q4)

厚度0.5m，呈深黃色，以粉土為主，為近代人工耕植土，結(jié)構(gòu)疏松，含有大量植物根系。

2)上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土(Q3)

厚度11.3m，呈淺灰黃色，以粉砂為主，結(jié)構(gòu)疏松，顆粒較均勻。地層上部為塊狀結(jié)構(gòu)，大孔隙顯著，垂直節(jié)理發(fā)育，含有蟲洞和根系，下部結(jié)構(gòu)較疏松，垂直節(jié)理不發(fā)育，肉眼可見小孔隙。

3)中更新統(tǒng)風(fēng)積黃土(Q2)

上部為灰黃、灰白色，以鈣質(zhì)結(jié)核為主，膠結(jié)成層，土質(zhì)堅(jiān)硬，結(jié)構(gòu)致密；下部呈灰黃、黃色，以粉砂、粉土為主，含少量鈣質(zhì)結(jié)核，土質(zhì)較松軟，垂直節(jié)理較發(fā)育，夾薄層古土壤；古土壤呈深褐色，厚度0.9 m，以粉土為主，土質(zhì)較硬，顆粒細(xì)，具黏性。

2滲水試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

室外滲水試驗(yàn)場(chǎng)位于陜西省涇陽縣太平鎮(zhèn)寨頭村黃土邊坡處，距黃土邊坡臨空面30 m。在試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)開挖圓形試坑，直徑為5 m，深度為0.3 m。沿坑壁埋設(shè)單環(huán)，單環(huán)高度1 m，埋入土內(nèi)0.7 m，接合處焊接，防止漏水。單環(huán)內(nèi)鋪設(shè)一層砂礫卵石，厚度0.15 cm，作用是防止沖刷試坑原樣土，破壞下滲面，影響水分下滲。

在單環(huán)內(nèi)外分別埋設(shè)不銹鋼導(dǎo)管，用以觀測(cè)不同深度的含水率，測(cè)量位置深度分別為0.5、1、1.5、2、2.5、3、4、5、6、7、8、9、10 m。導(dǎo)管直徑62 mm，深度10 m，其中單環(huán)內(nèi)埋設(shè)4根導(dǎo)管，環(huán)外埋設(shè)9根導(dǎo)管，共13根試驗(yàn)觀測(cè)導(dǎo)管。滲水試驗(yàn)開始時(shí)，采用試驗(yàn)場(chǎng)500 m以外的抽水井向試坑內(nèi)注水，坑內(nèi)積水深度0.2 m，注水持續(xù)時(shí)間0.5 h，后停止注水，坑內(nèi)積水完全下滲所需時(shí)間為2 h。水完全下滲后采用中子土壤水分儀測(cè)量導(dǎo)管內(nèi)的土壤含水率，并記為第一天。此后在第2、3、5、7、10、15、20、30 d相同時(shí)刻測(cè)量包氣帶土壤含水率。平面圖如圖1。

圖1　滲水試驗(yàn)平面布置示意圖

2.2試驗(yàn)原理

滲水試驗(yàn)采用中子土壤水分儀測(cè)量土壤含水率。根據(jù)普通物理學(xué)的動(dòng)量守恒定律，氫原子的質(zhì)量和中子十分接近，所以一個(gè)高速運(yùn)動(dòng)的快中子和氫原子發(fā)生彈性碰撞時(shí)，它的能量急劇下降，平均十多次碰撞就減速變成能量很小的熱中子。在中子水分儀前端，裝有一個(gè)同位素中子源，它能不斷地發(fā)射出快中子，當(dāng)土壤中的含氫量(即含水量)較大時(shí)，快中子很快被慢化成熱中子，這些熱中子猶如云霧一般緊緊圍繞在中子源的周圍：當(dāng)土壤含水量較小時(shí)，中子被碰撞的機(jī)會(huì)少，能運(yùn)動(dòng)到稍遠(yuǎn)的地方去，這樣中子云的密度就較稀疏，反之亦然。在中子源的附近，裝有一個(gè)熱中子探測(cè)器，它能測(cè)出進(jìn)入其體積內(nèi)的熱中子，這樣熱中子計(jì)數(shù)和土壤含水量之間就存在一種確定的關(guān)系，通過率定，可以由熱中子計(jì)數(shù)算出土壤含水量。

將中子儀探頭放入某一層土壤中，測(cè)量出一個(gè)熱中子計(jì)數(shù)值，隨即取出這層土壤的土樣，用標(biāo)準(zhǔn)的烘干法測(cè)出土壤含水量。得到多組測(cè)量值后，通過回歸計(jì)算可得回歸方程。確定回歸方程后，在實(shí)際測(cè)量中只需測(cè)出熱中子計(jì)數(shù)值，即可得出含水量。

3結(jié)果分析

3.1含水率隨深度變化

以1號(hào)導(dǎo)管為例，分析寨頭村黃土邊坡內(nèi)土壤含水率的變化。圖2為滲水圓環(huán)內(nèi)1號(hào)導(dǎo)管內(nèi)滲水試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)隨不同深度土壤含水率變化分布圖。滲水試驗(yàn)開始后，1號(hào)管內(nèi)3 m以上土層中的土壤含水率驟升，0.5 m處土壤含水率變化幅度最大，出現(xiàn)一個(gè)峰值，土壤含水率值為飽和含水率34.80%。隨時(shí)間的延續(xù)，土壤含水率峰值逐漸減小，并慢慢向下移動(dòng)。滲水試驗(yàn)第2天，土壤含水率峰值到達(dá)1 m處，土壤含水率值為32.64%。滲水試驗(yàn)第10天后，1號(hào)導(dǎo)管內(nèi)的土壤含水率分布基本不變，水分的運(yùn)移變化趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖2　1號(hào)管內(nèi)不同深度土壤含水率變化分布圖

3.2土壤含水率隨時(shí)間變化

圖3為滲水試驗(yàn)1號(hào)管不同時(shí)刻不同深度黃土包氣帶內(nèi)土壤含水率和土水勢(shì)能變化曲線圖。由黃土包氣帶土壤含水率變化曲線圖(圖3a)可知，滲水試驗(yàn)開始后第1天，1號(hào)管內(nèi)土壤含水率增大，其中深度1 m處黃土包氣帶土壤含水率達(dá)到最大值，土壤最大含水率值為33.23%。隨著時(shí)間推移，包氣帶土壤含水率最大值所處位置逐漸向下運(yùn)移，且土壤最大含水率減小。滲水試驗(yàn)開始后第3天，包氣帶土壤最大含水率值向下運(yùn)移到2.5 m處，此時(shí)土壤最大含水率為27.87%。隨著試驗(yàn)進(jìn)行，土壤最大含水率繼續(xù)向下運(yùn)移。

(a) 和土水勢(shì)能變化 　　(b) 曲線圖

圖3滲水試驗(yàn)1號(hào)管不同時(shí)刻不同深度土壤含水率

由黃土包氣帶土水勢(shì)能變化曲線圖(圖3b ，以潛水面為基準(zhǔn)點(diǎn))。滲水試驗(yàn)開始后第1天，1號(hào)管內(nèi)不同深度包氣帶土水勢(shì)能增大，其中深度1m處黃土包氣帶土水勢(shì)能最大。黃土包氣帶內(nèi)土壤水分在該處匯集，土壤含水率最大，為零通量面。隨著時(shí)間推移，包氣帶土水勢(shì)能逐漸減小，包氣帶零通量面位置逐漸向下運(yùn)移。滲水試驗(yàn)開始后第3天，包氣帶零通量面向下運(yùn)移到1.5 m處；滲水

試驗(yàn)第30天，包氣帶零通量面向上運(yùn)移到1 m處。受水分補(bǔ)給和排泄的影響，零通量面位置始終處于動(dòng)態(tài)變化，但是其變化深度小于4 m。

4結(jié)語

室外滲水試驗(yàn)結(jié)果顯示，水分在黃土包氣帶淺層引起土壤含水率發(fā)生較大變化，在深度為1 m時(shí)土壤含水率達(dá)到最大。隨深度的增加，含水率變化幅度逐漸變?。辉谏疃葹? m以下土層中，試驗(yàn)及模擬過程中土壤含水率沒有明顯變化，即本次滲水試驗(yàn)黃土包氣帶土壤含水率變化影響范圍小于4 m。

滲水試驗(yàn)開始后，1號(hào)管內(nèi)不同深度土壤含水率增大，其中深度1 m處黃土包氣帶土壤含水率達(dá)到最大值。隨著時(shí)間推移，包氣帶土壤含水率最大值所處位置逐漸向下運(yùn)移，且土壤最大含水率減小。

滲水試驗(yàn)開始后，1號(hào)管內(nèi)不同深度包氣帶土水勢(shì)能增大，其中深度1 m處黃土包氣帶土水勢(shì)能最大，該處為零通量面。隨著時(shí)間推移，包氣帶土水勢(shì)能不斷減小，而包氣帶零通量面位置則向下運(yùn)移之后，重新向上運(yùn)移到1 m處。受水分補(bǔ)給和排泄的影響，零通量面位置始終處于動(dòng)態(tài)變化。

參考文獻(xiàn)

[1]雷祥義. 陜西涇陽南塬黃土滑坡災(zāi)害與引水灌溉的關(guān)系[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào).1995, 01: 56-64.

[2]張茂省, 李同錄. 黃土滑坡誘發(fā)因素及其形成機(jī)理研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào).2011, 04: 530-540.

[3]常立君, 張吾渝, 馬艷霞. 非飽和土抗剪強(qiáng)度與含水率的關(guān)系研究[J].山西建筑. 2012, 22: 76-78.

[4]阿米娜·毛力提別克.瀝青路面滲水問題及滲水試驗(yàn)方法探析[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化.2014,04:106-108.

[5]李萍. 黃土中水分遷移規(guī)律研究[D]. 長安大學(xué).2013.

The Research of Moisture Variation Based on Permeation Test in Aeration Zone of Loess Slope on ZhaiTou Village

QIANWei，WANGYu，GUAN Qing-hao

(School of Environmental Science and Engineering, Chang’anUniversity, Xi’an710054, China)

Abstract:The research on change characteristics of the aeration zone moisture variation is meaningful for prevention and control of southern Shanxi Jingyang Loess Plateau loess landslide. Through the field permeation test in situ, the soil volumetric moisture and soil water potential energy are measured at different catheters. Experimental results show that: the maximum value of aeration zone soil moisture gradually goes downward and the maximum moisture of the soil decreases over time; at the depth of 1 m in the aeration zone soil moisture reaches the maximum; moisture variation becomes smaller with depth.

Key words:Permeation test；aeration zone；soil moisture and soil water potential energy

[中圖分類號(hào)]P642.22

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1004-1184(2016)02-0017-02

[作者簡介]錢偉(1988-)，男，甘肅張掖人，在讀碩士研究生，主攻方向：水資源、地下水與水環(huán)境研究。

[基金項(xiàng)目]國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)“黃土重大災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理及災(zāi)害鏈演化規(guī)律”(2014CB744702)

[收稿日期]2015-12-14