王念秦，劉曉玲，王慶濤，李少兵，馮 鑫

(西安科技大學地質(zhì)與環(huán)境學院，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，土體結構發(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成分的分析，對黃土路基的水理特性進行了深入研究，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)定性進行了研究，得出強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結合層11個層位進行了實驗，測定了滲透速率與時間的變化關系，得出土樣前10分鐘入滲很快，之后變緩，140～170min達到穩(wěn)定入滲狀態(tài);吳勝軍等［6］研制的變水頭壓力滲透儀，可對黏性土進行不同荷載條件下土體滲透系數(shù)的測定;王建新等［7］應用半解析半迭代的方法，從水勢(負壓)的角度推導了降雨自由入滲和壓力入滲兩個階段的理論模型。然而，由于黃土結構特殊、成因復雜、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，進行不同降雨強度下的馬蘭黃土滲透規(guī)律試驗研究，探索黃土災害屬性。

1 試驗設備及實驗方案

1.1 試驗設備

以達西定律、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)點在于:①以原狀黃土為研究對象，進行不同降雨強度的降水試驗，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、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)閥進行微調(diào)，使得降雨強度達到設計值;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，試驗結束。

圖1 非飽和土垂直滲透儀實驗裝置設計圖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件進行試驗。擬定降雨強度分別為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-時間的對應參數(shù)。

2 實驗結果分析

從試驗現(xiàn)象可以得出:不同雨強條件下，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條件下入滲鋒面位移-時間、富集量-時間關系曲線圖，表2為滲透速率表，分析實驗數(shù)據(jù)可知:

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

圖3 馬蘭黃土降雨富集V－t關系Fig．3 Correlation curve between enrichment volume and time in rainfall

(1)雨強16mm/h，無徑流，試驗歷時22.5min下滲鋒面深度達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，雨水下滲進入緩慢下滲與穩(wěn)定下滲階段。待入滲鋒面到達試樣底部，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16mm/h，土樣吸水能力大于降雨強度，隨著滲透試驗的進行，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，進入穩(wěn)定下滲階段，由此，滲流曲線亦呈線性關系。

(2)雨強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。隨雨強的增加，土體開始徑流的時間越短，水量損失就越大，雨強70mm/h富集速率就較雨強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 結論

(1)降雨入滲鋒面呈漏斗形，凹面向下，均勻推進。

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

(3)降雨條件下試樣滲透規(guī)律受降雨強度的不同而呈現(xiàn)不同的滲透階段。雨強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系，滿足達西定律。

水-土作用模式復雜，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)試驗結果，找出影響滲透作用的關鍵參數(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域。

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