錢　偉，王　鈺，管清浩

(長安大學環(huán)境科學與工程學院，陜西 西安 710054)

?

基于滲水試驗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

(長安大學環(huán)境科學與工程學院，陜西 西安 710054)

[摘要]研究包氣帶含水率的變化特征，對于防治陜西涇陽南部黃土臺塬黃土滑坡具有重要意義。通過室外原位滲水試驗，測定不同導管處土壤體積含水率和土水勢能，實驗表明：隨著時間推移，包氣帶土壤含水率最大值所處位置逐漸向下運移，且土壤最大體積含水率減?。稽S土包氣帶深度為1 m 時土壤體積含水率達到最大；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；包氣帶；土壤含水率；土水勢能

陜西省涇陽縣南部黃土臺塬區(qū)為黃土滑坡多發(fā)地段，滑坡對當?shù)卦斐闪藝乐氐慕?jīng)濟損失和人員傷亡[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是最積極的誘發(fā)因素[2]。目前，普遍認為在降水或灌溉條件下，水分從地表滲透到黃土坡體內(nèi)，進行非飽和運動，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度存在一定的關(guān)系。非飽和條件下，黃土抗剪強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)吸力亦對土體抗剪強度存在一定的影響[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，同時影響土體抗剪強度，黃土邊坡穩(wěn)定性隨之變化，當達到失穩(wěn)臨界時就會發(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場位于陜西省涇陽縣以南寨頭村黃土臺塬區(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)。地勢西北高、東南低。涇陽縣屬暖溫帶大陸性季風氣候，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。涇陽縣域內(nèi)主要河流為涇河，其次為清河、冶峪河。

室外試驗場地位于寨頭村黃土臺塬邊坡后緣，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，具黏性。

2滲水試驗

2.1試驗設(shè)計

室外滲水試驗場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。在試驗場地內(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)不銹鋼導管，用以觀測不同深度的含水率，測量位置深度分別為0.5、1、1.5、2、2.5、3、4、5、6、7、8、9、10 m。導管直徑62 mm，深度10 m，其中單環(huán)內(nèi)埋設(shè)4根導管，環(huán)外埋設(shè)9根導管，共13根試驗觀測導管。滲水試驗開始時，采用試驗場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)時間0.5 h，后停止注水，坑內(nèi)積水完全下滲所需時間為2 h。水完全下滲后采用中子土壤水分儀測量導管內(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相同時刻測量包氣帶土壤含水率。平面圖如圖1。

圖1　滲水試驗平面布置示意圖

2.2試驗原理

滲水試驗采用中子土壤水分儀測量土壤含水率。根據(jù)普通物理學的動量守恒定律，氫原子的質(zhì)量和中子十分接近，所以一個高速運動的快中子和氫原子發(fā)生彈性碰撞時，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，裝有一個同位素中子源，它能不斷地發(fā)射出快中子，當土壤中的含氫量(即含水量)較大時，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：當土壤含水量較小時，中子被碰撞的機會少，能運動到稍遠的地方去，這樣中子云的密度就較稀疏，反之亦然。在中子源的附近，裝有一個熱中子探測器，它能測出進入其體積內(nèi)的熱中子，這樣熱中子計數(shù)和土壤含水量之間就存在一種確定的關(guān)系，通過率定，可以由熱中子計數(shù)算出土壤含水量。

將中子儀探頭放入某一層土壤中，測量出一個熱中子計數(shù)值，隨即取出這層土壤的土樣，用標準的烘干法測出土壤含水量。得到多組測量值后，通過回歸計算可得回歸方程。確定回歸方程后，在實際測量中只需測出熱中子計數(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號導管為例，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號導管內(nèi)滲水試驗觀測數(shù)據(jù)隨不同深度土壤含水率變化分布圖。滲水試驗開始后，1號管內(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)一個峰值，土壤含水率值為飽和含水率34.80%。隨時間的延續(xù)，土壤含水率峰值逐漸減小，并慢慢向下移動。滲水試驗第2天，土壤含水率峰值到達1 m處，土壤含水率值為32.64%。滲水試驗第10天后，1號導管內(nèi)的土壤含水率分布基本不變，水分的運移變化趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖2　1號管內(nèi)不同深度土壤含水率變化分布圖

3.2土壤含水率隨時間變化

圖3為滲水試驗1號管不同時刻不同深度黃土包氣帶內(nèi)土壤含水率和土水勢能變化曲線圖。由黃土包氣帶土壤含水率變化曲線圖(圖3a)可知，滲水試驗開始后第1天，1號管內(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到最大值，土壤最大含水率值為33.23%。隨著時間推移，包氣帶土壤含水率最大值所處位置逐漸向下運移，且土壤最大含水率減小。滲水試驗開始后第3天，包氣帶土壤最大含水率值向下運移到2.5 m處，此時土壤最大含水率為27.87%。隨著試驗進行，土壤最大含水率繼續(xù)向下運移。

(a) 和土水勢能變化 　　(b) 曲線圖

圖3滲水試驗1號管不同時刻不同深度土壤含水率

由黃土包氣帶土水勢能變化曲線圖(圖3b ，以潛水面為基準點)。滲水試驗開始后第1天，1號管內(nèi)不同深度包氣帶土水勢能增大，其中深度1m處黃土包氣帶土水勢能最大。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。隨著時間推移，包氣帶土水勢能逐漸減小，包氣帶零通量面位置逐漸向下運移。滲水試驗開始后第3天，包氣帶零通量面向下運移到1.5 m處；滲水

試驗第30天，包氣帶零通量面向上運移到1 m處。受水分補給和排泄的影響，零通量面位置始終處于動態(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時土壤含水率達到最大。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，試驗及模擬過程中土壤含水率沒有明顯變化，即本次滲水試驗黃土包氣帶土壤含水率變化影響范圍小于4 m。

滲水試驗開始后，1號管內(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到最大值。隨著時間推移，包氣帶土壤含水率最大值所處位置逐漸向下運移，且土壤最大含水率減小。

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

參考文獻

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

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

[3]常立君, 張吾渝, 馬艷霞. 非飽和土抗剪強度與含水率的關(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方法探析[J].交通標準化.2014,04:106-108.

[5]李萍. 黃土中水分遷移規(guī)律研究[D]. 長安大學.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]P642.22

[文獻標識碼]A

[文章編號]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。

[基金項目]國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)“黃土重大災害成災機理及災害鏈演化規(guī)律”(2014CB744702)

[收稿日期]2015-12-14