同 霄, 彭建兵,2, 朱興華, 馬鵬輝

(1.長安大學 地質(zhì)工程與測繪學院， 陜西 西安 710054; 2.西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點實驗室， 陜西 西安 710054)

黃土地區(qū)降雨的優(yōu)勢入滲深度

同 霄1, 彭建兵1,2, 朱興華1, 馬鵬輝1

(1.長安大學 地質(zhì)工程與測繪學院， 陜西 西安 710054; 2.西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點實驗室， 陜西 西安 710054)

[目的] 分析黃土地區(qū)降雨入滲深度，為研究黃土滑坡破壞機理提供依據(jù)。[方法] 通過現(xiàn)場觀測實驗監(jiān)測不同深度土體的含水量變化趨勢,并基于顆粒離散元方法對降雨入滲過程進行數(shù)值計算。[結(jié)果] 監(jiān)測結(jié)果表明黃土地區(qū)降雨入滲深度不超過1.5 m。進一步通過數(shù)值計算發(fā)現(xiàn):優(yōu)勢通道入滲的深度和裂縫幾何尺寸有關(guān),裂縫越深、越寬,降雨入滲的深度越大,影響范圍越廣,且裂縫的幾何形態(tài)隨著降雨入滲過程的發(fā)展而發(fā)生變化。[結(jié)論] 黃土降雨入滲分為非飽和入滲和優(yōu)勢通道入滲2種，非飽和入滲深度有限，優(yōu)勢通道入滲深度更大，易誘發(fā)大規(guī)?；聻?zāi)害。

黃土; 降雨入滲; 降雨監(jiān)測; 優(yōu)勢滲流通道; 顆粒流

文獻參數(shù)： 同霄, 彭建兵, 朱興華, 等.黃土地區(qū)降雨的優(yōu)勢入滲深度[J].水土保持通報，2017,37(3)：231-236.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.039； Tong Xiao, Peng Jianbing, Zhu Xinghua, et al. Advantage infiltration depth of rainfall in loess area[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(3)：231-236.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.039

近年來，由于氣候條件的變化，黃土地區(qū)降雨表現(xiàn)出季節(jié)性集中分布的特征，誘發(fā)了大量的黃土滑坡。降雨在時間上的集中性決定了滑坡發(fā)生時間的集中性。課題組統(tǒng)計了2003—2014年期間，甘肅省和陜西省的滑坡災(zāi)害新聞報道，從結(jié)果中可以看出滑坡主要發(fā)生在6—8月，期間發(fā)生的滑坡數(shù)為12和34例，約占12 a間滑坡總數(shù)的68.4%和80.9%，這一階段正是降雨量集中的月份。天然狀態(tài)下黃土具有特殊性結(jié)構(gòu)和高膠結(jié)強度，能夠產(chǎn)生高抗剪強度來抵抗滑坡發(fā)生；而隨著降雨入滲，降雨影響范圍內(nèi)的土體飽和度增大，基質(zhì)吸力減小，抗剪強度降低，最終使得斜坡在下滑力增大，抗滑力減小的雙重不利作用下失穩(wěn)破壞。因此研究黃土降雨入滲影響深度是分析滑坡穩(wěn)定性和研究破壞機理的基礎(chǔ)。

目前對降雨入滲深度的研究有2種方法，一是降雨后現(xiàn)場觀測，二是人工模擬降雨入滲試驗。張茂省等[1]在陜北觀察到斷斷續(xù)續(xù)10 d多降雨后，疏松的馬蘭黃土浸濕深度僅為1 m。涂新斌等[2]通過人工降雨試驗得出：當雨強達到40 mm/24h時，下滲前峰不超過2 m，而達到120 mm/24h時，不超過3 m；劉海松等[3]通過人工降雨試驗提出降雨影響深度不超過2.7 m；李萍等[4]在甘肅省正寧縣建立監(jiān)測站進行全年觀測，結(jié)果表明只有1.2 m內(nèi)的土壤水分受降雨和蒸發(fā)影響較大。由此可以看出，雖然不同的現(xiàn)場觀測或者人工降雨試驗其黃土土性、黃土地形、降雨持續(xù)時間和強度以及觀測方法、監(jiān)測儀器均有所不同，但是總的研究規(guī)律表明降雨直接入滲的深度是有限的，不能對地下水位產(chǎn)生顯著影響。

當降雨入滲深度較小時，只能誘發(fā)淺表層的小規(guī)模滑坡，而大型的黃土滑坡，一般認為是降雨通過優(yōu)勢滲流通道流入地下，導致地下水位局部上升或形成上層滯水引起。根據(jù)洛川黃土塬現(xiàn)場入滲試驗和室內(nèi)試驗可以看出，野外實測的黃土滲透系數(shù)K值是室內(nèi)試驗的十幾倍，這是因為室內(nèi)試驗得到的K值不可能反應(yīng)宏觀的黃土節(jié)理的導水作用[5-6]。黃土中的優(yōu)勢滲流通道包括黃土節(jié)理、拉張裂縫和落水洞等。黃土節(jié)理是黃土中的破裂縫隙，在黃土地層中發(fā)育極為普遍，特別是垂直節(jié)理更為普遍，構(gòu)成黃土的主要特征之一，降雨可沿著垂直節(jié)理由地表向土體深部遷移。當?shù)孛嬖诮涤耆霛B侵蝕過程中形成落水洞，連續(xù)落水洞貫通后繼續(xù)發(fā)育為裂縫，或者由于斜坡邊緣卸荷作用使節(jié)理局部張開形成拉張裂縫，均成為地表水下滲的有利通道。因此，一些大型滑坡后緣常有串珠狀落水洞，最后裂縫貫通，形成錯臺，以致滑動[7-9]。

綜合課題組野外調(diào)查、現(xiàn)場觀測、數(shù)值計算，并綜合眾多學者的研究成果，認為黃土降雨入滲包括2種，一種為非飽和入滲過程，該過程非常緩慢，長期積累會對黃土深部土體產(chǎn)生影響，另一種為優(yōu)勢通道入滲，為快速下滲過程，可迅速改變黃土深部含水量。本文擬通過現(xiàn)場觀測實驗，監(jiān)測不同深度的土體含水量的變化過程，并利用顆粒流數(shù)值方法對降雨入滲過程進行分析，為研究黃土地區(qū)降雨入滲深度和優(yōu)勢滲流通道的快速下滲機理提供依據(jù)。

1 野外觀測試驗

1.1 監(jiān)測平臺簡介

本研究在西安市臨潼區(qū)南驪山附近進行現(xiàn)場觀測試驗，共布置5個不同深度的土體含水量監(jiān)測點，分別距離地表為0.2，0.5，1.0，1.5和2.0 m，同時設(shè)置1臺雨量計來記錄降雨強度。每1 h自動讀取數(shù)據(jù)，完成無線傳輸記錄。本文選取2014年4月1日至2014年5月31日，共61 d的監(jiān)測數(shù)據(jù)(如圖1所示)。

圖1 降雨強度、降雨時長和土體含水量的監(jiān)測曲線

1.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)

根據(jù)中國氣象部門的降雨等級的分類標準，小雨24 h內(nèi)降雨量<10 mm，中雨24 h內(nèi)降雨量為10～24.9 mm，大雨24小時內(nèi)降雨量為25～49.9 mm，暴雨24小時降雨量50～100 mm，大暴雨24 h降雨量大于100 mm。在監(jiān)測的61 d內(nèi)，共經(jīng)歷了14次降雨，其中小雨7次，中雨2次，大雨4次，暴雨1次，可分為3個集中降雨階段，如圖1中的A，B，C所示。

4月1日至4月10日，10 d內(nèi)無降雨發(fā)生，0.2 m含水量小幅度波動，0.5 m以下的含水量保持平衡。A階段為4月11日至4月25日，15 d內(nèi)有9次降雨。當發(fā)生降雨后，0.2和0.5 m的含水量隨之增加，1.0 m含水量對降雨的響應(yīng)滯后，增加趨勢稍慢，1.5和2.0 m處含水量基本穩(wěn)定，沒有發(fā)生變化。從4月26日至5月8日，該階段13 d內(nèi)無降雨發(fā)生，0.2 m的含水量快速降低，0.5和1.0 m的含水量緩慢降低。B階段為5月9日至5月13日，5 d發(fā)生3次降雨，0.2和0.5 m含水量隨著降雨的發(fā)生迅速增大，1.0 m含水量稍有滯后并緩慢增大，1.5和2.0 m處含水量基本穩(wěn)定。C階段為5月14日至5月31日，18 d內(nèi)發(fā)生2次降雨，均為小雨，且降雨時長較短，只有0.2 m處含水率稍有波動，其他深度含水率變化不大。

觀察土體含水量的監(jiān)測曲線可以看出，0.2 m處含水量的變化幅度較大，降雨時迅速增大，降雨結(jié)束后含水量隨之降低，0.5 m變化幅度比0.2 m處的稍弱，1.0 m處含水量在降雨發(fā)生后，會滯后緩慢增加，并在降雨結(jié)束后緩慢降低，且短時間、低強度的降雨對1.0 m處土體含水量影響較微弱。

在監(jiān)測的61 d內(nèi)，0.2、0.5和1.0 m深度的土體含水量在降雨發(fā)生時會隨之增大，降雨的發(fā)生和含水量的增大有較好的對應(yīng)關(guān)系，但是1.5和2.0 m處土體含水量變化幅度很小，61 d內(nèi)，1.5 m處土體含水量最小為8.4%，最大為8.7%，平均變化幅度為0.34%，2.0 m處土體含水量最小為7.2%，最大為7.6%，平均變化幅度為0.53%，具體監(jiān)測結(jié)果如表1所示?，F(xiàn)場觀測試驗在2 m內(nèi)共布置5個不同的深度，所以不能精確的得到降雨入滲的深度，但是通過觀測試驗可以發(fā)現(xiàn)，在1.5 m處土體含水量的變化幅度已經(jīng)非常小，所以可以確定在該黃土地區(qū)，降雨入滲的深度不超過1.5 m，這與其他學者的研究成果一致[10]。這說明黃土降雨入滲的深度是有限的，為了進一步研究降雨入滲的深度，本文利用顆粒流對降雨入滲過程進行數(shù)值計算。

表1 不同深度土體含水量檢測觀測結(jié)果

2 降雨入滲數(shù)值計算

2.1 顆粒流數(shù)值方法簡介

1971年Cundall提出離散元法，最早應(yīng)用于巖石力學問題，隨后在1979年Cundall和Strack將其應(yīng)用于土的研究。顆粒流作為離散元的一種，專門用于模擬固體力學的大變形問題，它通過球形單元模擬顆粒的運動及相互作用，由空間的平動運動方程與轉(zhuǎn)動運動方程確定任意時刻顆粒的位置與速度。作為研究顆粒特性的工具，可以采用具有代表性的多個顆粒單元，通過數(shù)值模擬試驗得到顆粒的本構(gòu)模型。顆粒流數(shù)值方法是從介質(zhì)的基本粒子結(jié)構(gòu)的角度考慮介質(zhì)的基本力學特性，并認為給定介質(zhì)在不同應(yīng)力條件下的基本特性主要取決于粒子之間接觸狀態(tài)的變化，適用研究粒狀集合體的破裂和破裂發(fā)展問題、以及顆粒的流動(大位移)問題[11-12]。目前在國內(nèi)外已被廣泛應(yīng)用于各研究領(lǐng)域。解決靜態(tài)問題也可解決動態(tài)問題，既可用于參數(shù)預測，也可用于在原始資料詳細情況下的實際模擬，模擬試驗可以代替室內(nèi)試驗[13]。

2.2 數(shù)值計算模型

模型箱尺寸為3 m×5 m，黃土尺寸為3 m×3 m，模擬暴雨情況，所以降水量設(shè)為100 mm/24h，即雨滴模型高度為0.1 m。數(shù)值計算模型分為2個部分，黃土模型與雨滴模型。在顆粒離散元方法中，模型是由不同大小的顆粒組合構(gòu)成的，模型的變形、破壞等力學性質(zhì)是由顆粒本身的參數(shù)和顆粒之間的接觸參數(shù)這2類共同確定的。對于顆粒本身而言，有2個需要確定的參數(shù)：顆粒的半徑(m)和顆粒的密度(kg/m3)粒的半徑越小時，和實際物質(zhì)的尺寸越接近，計算結(jié)果越真實；顆粒的密度通過土工試驗可以確定。黃土以粗粉粒為主體，構(gòu)成黃土的骨架，顆粒直徑為0.01～0.05 mm[14]。數(shù)值分析中，考慮計算機運算能力，將實際土顆粒直徑放大1 000倍。理想致密黃土模型顆粒直徑取0.05 m，其他模型顆粒直徑在0.01～0.05 m這一范圍內(nèi)服從高斯分布。黃土的土顆粒密度為2 540～2 840 kg/m3，數(shù)值計算選取2 700 kg/m3。含裂縫的黃土模型中，在黃土中央布設(shè)裂縫1條，寬0.5 m，深度1.0 m。顆粒的剛度是指材料或結(jié)構(gòu)在受力時抵抗彈性變形的能力，是材料或結(jié)構(gòu)彈性變形難易程度的表征。在數(shù)值計算中顆粒為剛體不能變形，所以取值較大，若取值較小時，顆粒和顆粒之間會發(fā)生重疊。顆粒之間的接觸有3種較常用的接觸模型來表征，剛度接觸模型、滑動模型和黏結(jié)模型。其中接觸黏結(jié)模型常用于模擬孔隙大、較松散材料，平行黏結(jié)模型常模擬孔隙小、致密的材料[15]，由于黃土具有疏松、大孔隙等特征，所以本文對黃土的研究選取接觸黏結(jié)模型。黏結(jié)強度的參數(shù)分為法向和切向2種，需要通過室內(nèi)試驗和數(shù)值試驗進行標定，本文通過室內(nèi)直剪試驗得到的剪應(yīng)力和應(yīng)變曲線，在數(shù)值直剪試驗中進行多次標定，最終得到代表黃土的黏結(jié)強度參數(shù)如表2所示。根據(jù)多次試算結(jié)果來看雨滴直徑取為土顆粒直徑的1/10較為合理，半徑為0.005 m。水只能承受一定的法向力，法向剛度設(shè)為300 Pa，切向剛度設(shè)為1 Pa，黏結(jié)強度設(shè)為1 N。雨滴降落時，因受到重力作用而逐漸加速，同時空氣對其產(chǎn)生的摩擦阻力也隨著增大，此外還有浮力。所以本文為了縮短計算時間，直接對雨滴施加垂直向下的初始速度9.3 m/s[16]來模擬雨滴由高空中降落至地面的過程。數(shù)值計算過程中忽略雨水的蒸發(fā)，觀察不同模型中雨滴顆粒的入滲過程。

表2 黃土模型參數(shù)

2.3 數(shù)值計算結(jié)果

理想致密模型中黃土顆粒是規(guī)則緊密排列的，顆粒間孔隙很小，降雨入滲過程中，水顆粒入滲阻力大，沒有滲流的空間。數(shù)值計算結(jié)果表明理想致密模型降雨下滲的深度為0.3 m，水顆粒大部分集中在地表之上，只有少量的水顆粒在重力的作用下穿過黃土顆粒與顆粒之間的接觸下滲到土體下部。隨著下滲深度的增加，水顆粒下滲到深部土體中的數(shù)量在慢慢減小，逐漸消失。對于大孔隙黃土模型降雨入滲的計算結(jié)果，提取初始狀態(tài)、中間狀態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)3個階段進行研究。隨著水顆粒以初始速度降落在地表后，入滲也隨之開始。如圖2所示，水顆粒在重力作用下，向下部土體遷移，入滲初期水顆粒遷移速度快，隨著入滲深度的增加，遷移速度變小。當達到穩(wěn)定狀態(tài)時，測得浸潤深度為1.3 m，即大孔隙黃土模型中降雨入滲的影響深度為1.3 m?？梢钥闯龌陬w粒流數(shù)值方法建立雨滴模型和黃土顆粒模型研究黃土中降雨入滲過程的方法是可行的，數(shù)值計算的結(jié)果與實際結(jié)果吻合。

圖2 大孔隙黃土模型降雨入滲結(jié)果

一般認為大型黃土滑坡的發(fā)生是由于降雨通過優(yōu)勢滲流通道流入了深部土體中導致的。野外地質(zhì)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，黃土滑坡的后緣拉張裂縫是十分常見的。建立含裂縫黃土模型，研究黃土中優(yōu)勢滲流通道的快速下滲機理。裂縫布設(shè)在模型中間，寬0.5 m，深1.0 m。提取初始狀態(tài)、中間狀態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)3個階段進行研究。降雨初期，水顆粒在到達地表之后，一部分從地表向下遷移，同時另一部分水顆粒通過黃土中的裂縫直接到達土體內(nèi)部，如圖3所示。隨著入滲的發(fā)展，地表中的水顆粒和裂縫中的水顆粒同時向下遷移，當?shù)竭_穩(wěn)定狀態(tài)時，地表中的水顆粒下滲深度和之前保持一致，約為1.3 m，而裂縫中的水顆粒下滲至2.3 m，即降雨入滲的影響深度為2.3 m。當黃土中存在裂縫時，降雨入滲的影響深度更大，對土體的影響范圍變大。從數(shù)值計算結(jié)果可以看出，在無裂縫黃土中下滲深度為1.3 m，布設(shè)一條深度為1.0 m的裂縫后，最大下滲深度為1.3 m+1.0 m=2.3 m。

圖3 含裂縫黃土模型降雨入滲結(jié)果

圖4是降雨入滲中裂縫的變化過程，將裂縫邊緣的5個土顆粒選為標志點，顏色設(shè)為黑色以便觀察。降雨伊始，裂縫無變化。隨著降雨入滲的發(fā)展，可以看出裂縫的形態(tài)也在發(fā)生變化。當水顆粒從地表直接進入到裂縫中時，水顆粒在重力作用下向下移動，同時水顆粒和土顆粒之間發(fā)生摩擦，將裂縫邊緣的土顆粒也攜帶向下運動，可以看出黑色的土顆粒已經(jīng)發(fā)生了明顯的位移，下部兩個標志點在水顆粒的作用下已經(jīng)和土體分離。當入滲達到穩(wěn)定狀態(tài)后，裂縫形態(tài)發(fā)生了很大變化，裂縫邊緣的土顆粒向著裂縫中間移動，裂縫上部變寬，在下部形成了一個空洞，這一過程即是黃土中水的潛蝕作用。

在數(shù)值計算中沒有考慮到水分的蒸發(fā)，且由于計算機運算能力的限制，模型顆粒較大。在實際情況中，裂縫邊緣中的顆粒會隨著水顆粒的遷移發(fā)生運動，若有臨空面，如在陡坎邊緣等附近，由于臨空面的存在為水流提供了通道和為黃土物質(zhì)提供了搬運空間，裂縫會發(fā)展為落水洞、暗穴[17]，這就形成了更大的優(yōu)勢滲流通道，為黃土滑坡災(zāi)害的發(fā)生提供了潛在條件。

圖4 降雨入滲中裂縫的變化過程

數(shù)值計算表明，當無優(yōu)勢滲流通道時，降雨入滲的深度非常有限，這不足以誘發(fā)大規(guī)模黃土滑坡。當含有優(yōu)勢滲流通道：節(jié)理、陷坑、落水洞、裂縫等，降雨通道優(yōu)勢滲流通道可入滲至滑坡體深部，為大規(guī)模黃土滑坡的發(fā)生提供條件。隨著降雨的發(fā)生，首先雨水通過黃土大孔隙和黃土垂直節(jié)理等入滲至淺表層，隨著長時間的降雨，通過雨滴濺蝕等水力侵蝕作用，土體表面形成陷坑，在潛蝕作用下，繼續(xù)發(fā)展為落水洞，最終連續(xù)多個落水洞貫通形成裂縫，同時隨著滑坡的演化，在坡體后緣產(chǎn)生拉張裂縫，最終在共同作用下，沿著裂縫產(chǎn)生錯臺，最終誘發(fā)大規(guī)模的黃土滑坡災(zāi)害。

3 結(jié) 論

現(xiàn)場觀測試驗表明，黃土地區(qū)降雨入滲的深度不超過1.5 m，不足以誘發(fā)大規(guī)模的滑坡災(zāi)害。

數(shù)值計算結(jié)果表明：由于理想致密模型中顆粒排列緊密，孔隙很小，所以降雨入滲深度僅為0.3 m。大孔隙黃土模型降雨入滲深度為1.3 m，當黃土中存在優(yōu)勢滲流通道時，雨水沿著優(yōu)勢滲流通道快速下滲至土體的更深處2.3 m。

降雨入滲深度和裂縫的深度、寬度有關(guān)，裂縫越深、越寬，降雨入滲的深度越大，影響范圍越廣，且裂縫的幾何形態(tài)隨著降雨入滲過程的發(fā)展而發(fā)生變化。

黃土中節(jié)理發(fā)育，斜坡臨空面產(chǎn)生卸荷裂縫，這都成為地表水的優(yōu)勢滲流通道，使得更多的水下滲至土體的深部，在水的軟化和潤滑作用下，土體抗剪強度降低，斜坡穩(wěn)定性變小，從而誘發(fā)黃土滑坡災(zāi)害。

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Advantage Infiltration Depth of Rainfall in Loess Area

TONG Xiao1, PENG Jianbing1,2, ZHU Xinghua1, MA Penghui1

(1.CollegeofGeologyEngineeringandGeomatics,Chang’anUniversity,Xi’an,Shaanxi710054,China; 2.KeyLaboratoryofWesternMineralResourcesandGeologicalEngineeringofMinistryofEducation,Xi’an,Shaanxi710054,China)

[Objective] The depth of rainfall infiltration in loess region was analyzed in order to provide the basis for studying the mechanism of loess landslide. [Methods] The variations of soil water content at different depths were monitored by field observation, and the numerical simulation of rainfall infiltration process was carried out based on the particle discrete element method. [Results] The monitoring results showed that the depth of rainfall infiltration in loess area was less than 1.5 m. Numerical calculation found that the dominant channel infiltration depth is related to the geometry of the cracks, the deeper or the wider of the cracks, the deeper and wider of the rainfall infiltration. Besides, the cracks had different geometry characteristics in the process of rainfall infiltration. [Conclusion] The rainfall infiltration in loess can be divided into 2 types: unsaturated infiltration and dominant channel infiltration. The depth of unsaturated infiltration is limited, but the penetration depth of the dominant channel is comparatively larger that can potentially induce large-scale landslide disaster.

loess; rainfall infiltration; rainfall monitoring; preponderance flow path; particle flow

2016-09-21

2016-10-20

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃“黃土重大災(zāi)害及災(zāi)害鏈的發(fā)生、演化機制與防控理論”(2014cb744702)

同霄(1987—)，男(漢族)，陜西省三原縣人，博士研究生，研究方向為地質(zhì)災(zāi)害。E-mail:tong@chd.edu.cn。

A

1000-288X(2017)03-0231-06

P642， P208