馬鵬輝, 彭建兵, 朱興華, 同 霄， 孟振江, 段 釗

(1.西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710054; 2.長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院, 陜西 西安 710054)

黃土淺層降雨入滲規(guī)律研究

馬鵬輝1,2, 彭建兵1,2, 朱興華1,2, 同 霄1,2， 孟振江1,2, 段 釗1,2

(1.西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安710054; 2.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院,陜西西安710054)

[目的] 探討黃土淺層降雨入滲規(guī)律，為研究降雨黃土滑坡機(jī)理提供理論參考。 [方法] 以陜西省延安市大路溝滑坡為例，在不同深度裂縫處與非裂縫處布置監(jiān)測(cè)儀器，結(jié)合數(shù)值模擬手段分析入滲規(guī)律。 [結(jié)果] (1) 研究區(qū)淺層地表通過降雨入滲補(bǔ)給，蒸發(fā)排泄。降雨對(duì)土體含水量的影響主要體現(xiàn)在土體含水量對(duì)降雨的響應(yīng)時(shí)間和響應(yīng)程度上，存在一定的滯后性，并且隨著深度的增加滯后性越明顯，蒸發(fā)排泄對(duì)土體含水量的影響表現(xiàn)在土體的深度和受光面積上，土體的深度越大，土體體積含水量受到蒸發(fā)作用影響越小。 (2) 黃土淺層土體含水量對(duì)降雨十分敏感，當(dāng)降雨量<3 mm/d時(shí)，黃土淺層地表土體含水量基本不受降雨的影響，當(dāng)3 mm/d<降雨量<40 mm/d時(shí)，土體含水量隨雨水的入滲而變化，并且含水量的變化與降雨量大小成正相關(guān)。 [結(jié)論] 由模擬不同工況下雨水入滲過程顯示，在雨水入滲過程中，淺層裂縫對(duì)降雨入滲深度影響很小，并且研究區(qū)黃土入滲深度有限。

黃土滑坡; 降雨; 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè); 數(shù)值模擬; 入滲規(guī)律

文獻(xiàn)參數(shù)： 馬鵬輝, 彭建兵, 朱興華, 等.黃土淺層降雨入滲規(guī)律研究[J].水土保持通報(bào)，2017,37(4)：248-253.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.042； Ma Penghui, Peng Jianbing, Zhu Xinghua, et al. Regularities of rainfall infiltration in shallow loess[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(4)：248-253.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.042

中國(guó)黃土覆蓋面積約6.30×105km2，占中國(guó)陸地面積的6.63%[1]，黃土滑坡是黃土地區(qū)主要的地質(zhì)災(zāi)害。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止2004年，僅僅甘肅省發(fā)生黃土滑坡多達(dá)4 576處，蘭州1 300余處，陜西省1 131處[2]。由于黃土具有特殊的大孔隙結(jié)構(gòu)和水敏性，降雨成為了其最主要的誘發(fā)因素之一。張常亮等[3]通過對(duì)延安市近20 a降雨量和發(fā)生黃土滑坡進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)雨季發(fā)生的滑坡占全年55.8%。徐張建等[4]通過統(tǒng)計(jì)涇陽(yáng)南源蔣劉滑坡群的發(fā)生時(shí)間與降雨關(guān)系發(fā)現(xiàn)，1984年降雨量豐富，雨季長(zhǎng)于往年，導(dǎo)致著名的涇陽(yáng)南源蔣劉滑坡群同年復(fù)活，并且闡述了降雨黃土滑坡破壞機(jī)理：降雨導(dǎo)致黃土土體含水量增加，基質(zhì)吸力減小，抗剪強(qiáng)度減小，穩(wěn)定性降低進(jìn)而失穩(wěn)。正如范立民等[5]提出：由于黃土以粉質(zhì)黏土為主，垂直節(jié)理發(fā)育而且松散，滲透性強(qiáng)，雨水入滲下去，經(jīng)歷一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，原有土體的顆粒結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分發(fā)生變化，土體強(qiáng)度減弱而發(fā)生滑坡。為了研究這類滑坡的發(fā)生機(jī)制，很多學(xué)者做了現(xiàn)場(chǎng)入滲試驗(yàn)。研究[6-9]表明，黃土地區(qū)降雨入滲深度有限，不會(huì)超過4 m。武彩霞等[10]通過在甘肅省黑方臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)灌溉試驗(yàn)和室內(nèi)數(shù)值模擬，得出黑方臺(tái)黃土滑坡短期的灌溉并不能對(duì)地下水位形成有效的補(bǔ)給。而且王念秦與許領(lǐng)等[2,11]認(rèn)為黃土表面在不完整的情況下，降雨才會(huì)沿著裂縫或是落水洞等優(yōu)勢(shì)通道快速補(bǔ)給地下水，坡面完整的情況下，水運(yùn)移是個(gè)漫長(zhǎng)的過程，并且具有階段性。總體來說，關(guān)于黃土中降雨入滲過程爭(zhēng)議很多，而且表面徑流如何來補(bǔ)給地下水還是不明。為了了解降雨在黃土中的運(yùn)移情況，掌握降雨黃土滑坡的致災(zāi)機(jī)理，本文以陜西省延安市大路溝滑坡為例，在不同深度裂縫處與非裂縫處布置監(jiān)測(cè)儀器，結(jié)合數(shù)值模擬手段，來探討黃土對(duì)降雨的響應(yīng)情況，為研究降雨黃土滑坡機(jī)理提供一定的參考。

1 研究區(qū)概況

監(jiān)測(cè)地位于陜西省吳起縣，地處西北黃土高原，由于近代強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)下，區(qū)域經(jīng)過多次的間歇性拱起，形成了現(xiàn)在的典型黃土堆積地貌。區(qū)內(nèi)海拔1 233～1 809 m，屬于典型的半干旱溫帶大陸性季風(fēng)氣候。年均降雨量478 mm，降雨主要集中在7—9月，年均氣溫7.8 ℃，晝夜溫差比較大，最低溫度可達(dá)-25.8 ℃，最高溫度可達(dá)38.3 ℃。研究區(qū)境內(nèi)出漏地層從老到新為白堊系華池組(K1h)、新近系保德組(N2b)、第四系地層(Q)[12]。白堊系華池組(K1h)主要出露于溝谷中，多呈砂巖與泥巖互層，棕紅色。新近系保德組(N2b)在黃土之下，巖性主要為紅黏土，呈深紅色。第四系地層最下層為離石黃土，紅褐色，結(jié)構(gòu)較致密，其上為古土壤，暗紅色，含鈣質(zhì)結(jié)合和菌膜，古土壤與離石黃土交替互層沉積，上部為馬蘭黃土，淺黃色、灰黃色，孔隙、節(jié)理發(fā)育，表面為現(xiàn)代黃土，主要為植被層與耕作層[13-14]。

2 監(jiān)測(cè)場(chǎng)地及儀器布置

場(chǎng)地位于吳起縣薛岔鄉(xiāng)大路溝滑坡老滑坡坡體上，滑坡后緣坐標(biāo)：36°57′43.78″N,108°28′35.79″E。原303省道穿過大路溝滑坡，后因省道改建工程開挖其坡腳，同時(shí)受到連續(xù)降雨的影響，大路溝滑坡于2007年復(fù)活，發(fā)生了整體的滑動(dòng)，滑坡坡體上因耕作和變形破壞的原因，現(xiàn)呈多級(jí)臺(tái)階，各級(jí)臺(tái)階高差約2～4 m。中下部進(jìn)行了削坡處理，開挖成11級(jí)臺(tái)階，臺(tái)階高度、寬度不等，縱坡度總體約30°。為了進(jìn)一步了解降雨入滲規(guī)律，在大路溝滑坡第5臺(tái)階上布置了監(jiān)測(cè)儀器。此處出露Q2離石黃土，此處有一明顯拉張裂縫，裂縫與坡向夾角55°，可見深度40 cm，寬度8 cm，并且破壞了排水槽。監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：土體體積含水量、裂縫處與非裂縫處土體含水量、天然降雨量(圖1)。裂縫處和無裂縫處各布置含水量傳感器3個(gè)，在埋儀器的過程中發(fā)現(xiàn)挖到80 cm的時(shí)候裂縫消失，故把監(jiān)測(cè)深度布置在20，40，80 cm(圖1)。在附近安裝漏斗式雨量計(jì)，記錄天然降雨量，通過GPRS無線傳輸，可以實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)[15]。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

大路溝的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是從2012年8月25日至11月3日，共計(jì)68 d，對(duì)這個(gè)階段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來分析含水量變化和對(duì)降雨的響應(yīng)特征。圖2顯示的是監(jiān)測(cè)場(chǎng)地不同深度的含水量變化情況。觀察裂縫處的土體含水量，20 cm處的含水量最低，40 cm處次之，80 cm處最高,并且明顯高于20與40 cm，基本處于飽和。一般來說，在黃土中雨水主要是沿著裂縫下滲，裂縫處的含水量都應(yīng)該很高。但是因?yàn)楸O(jiān)測(cè)儀器的監(jiān)測(cè)頻率為每6 h采集一次數(shù)據(jù)，而降雨過程往往只有短短幾個(gè)小時(shí)，雨水沿裂縫下滲，裂縫20與40 cm處的含水量會(huì)出現(xiàn)短暫升高現(xiàn)象，而20與40 cm處不具有保存水的能力，隨著雨水入滲完畢，因此20與40 cm處的含水量又會(huì)迅速降低，故沒有監(jiān)測(cè)到20與40 cm處土體含水量短暫的突升現(xiàn)象，監(jiān)測(cè)到裂縫處20和40 cm的含水量較低。但是裂縫處80 cm的含水量一直處于較高狀態(tài)，這主要是因?yàn)?，該裂縫的深度為80 cm左右，雨水迅速入滲到80 cm后開始匯集，雨水補(bǔ)給率超過了土體的滲透率，出現(xiàn)了雨水聚焦效應(yīng)，使得此處土體基本處于飽和狀態(tài)。因此，在裂縫80 cm處的含水量會(huì)較高。

圖1 監(jiān)測(cè)儀器和土體體積含水量傳感器布設(shè)

圖2 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)含水量與降雨的關(guān)系

非裂縫處的含水量80 cm處最高，其次是40 cm處，20 cm處的含水量最低，并且不同深度的土體含水量變化不大，20 cm處的土體含水量最低，這是因?yàn)樵邳S土高原地區(qū)，降雨主要沿裂縫入滲補(bǔ)給地下水，而地區(qū)屬于半干旱地區(qū)，海拔較高，蒸發(fā)作用很大，黃土表層含水量會(huì)比下部較低。

降雨對(duì)含水量的影響主要體現(xiàn)在，土體含水量對(duì)降雨入滲的響應(yīng)時(shí)間和響應(yīng)程度上。從圖2可以看出，監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)，一共出現(xiàn)了6次降雨，前兩次降雨量較大，第一次降雨量最大，為53 mm，不同深度的含水量響應(yīng)時(shí)間和程度具有明顯不同，無裂縫處20 cm的含水量響應(yīng)最為敏感，降雨后，該處含水量隨之增加，而其他位置處的含水量響應(yīng)欠敏感，但是在過了幾天后其他監(jiān)測(cè)處土體含水量開始迅速增加，裂縫80 cm處增加幅度最大。第二次降雨后(10 mm)，不同深度的含水量都有迅速響應(yīng)，并出現(xiàn)急劇升高狀態(tài)，此后各處含水量開始逐漸衰減，但是只有裂縫處80 cm的含水量保持升高狀態(tài)，并且含水量較高。在經(jīng)過30多天后，該處的含水量才出現(xiàn)衰減，且衰減速率較大?？傮w來看，各處含水量對(duì)降雨都有響應(yīng)，但是響應(yīng)情況則不同，降雨后，土體20 cm處含水量會(huì)響應(yīng)較為敏感，其他位置會(huì)在隨后的幾天內(nèi)開始響應(yīng)，有一定的滲流響應(yīng)滯后性。如圖2所示，比較相同深度裂縫與非裂縫處的土體含水量，在降雨中非裂縫20和40 cm處的土體含水量要比裂縫20和40 cm處低2%左右，而在80 cm處裂縫土體含水量要比非裂縫處高10%左右。這因?yàn)橥馏w在裂縫處較非裂縫處蒸發(fā)面積大，導(dǎo)致相同深度裂縫處體積含水量比非裂縫處體積含水量大。

4 降雨入滲模擬

4.1 非飽和滲流的控制方程

Richards在1931年提出達(dá)西定律同樣可以應(yīng)用到非飽和帶水的運(yùn)動(dòng)，不考慮介質(zhì)的體積變化量，同時(shí)在非飽和的流動(dòng)中，水的密度變化不計(jì)，Richards非飽和流基本微分方程[16]：

(1)

式中：Kx(θ)——x方向的滲透系數(shù)；Ky(θ)—y方向的滲透系數(shù)；Kz(θ)——z方向的滲透系數(shù)；h——總水頭；θω——體積含水率；t——時(shí)間。

由公式(3)得一維非飽和流基本微分方程：

(2)

4.2 土水特征曲線θω與滲透系數(shù)函數(shù)K(θ)的確定

本文取自大路溝滑坡的Q2離石黃土，采用濾紙法測(cè)定不同含水量下非飽和原狀土的基質(zhì)吸力。Van Genuehten[17]總結(jié)出了非飽和土體體積含水量與基質(zhì)吸力之間的關(guān)系式：

(3)

式中：θ——非飽和土體積含水量；θs——飽和土體體積含水量，取值0.445；θγ——土體殘余含水量，取值0.042；a，n——擬合參數(shù)。

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行Van Genuehten模型擬合，得到a=16.477 59，n=1.463 43。

在室內(nèi)進(jìn)行原狀土滲透試驗(yàn)，測(cè)得土體垂直向滲透滲透系數(shù)：0.184 03 m/d，同時(shí)結(jié)合以上結(jié)果，利用Van Genuehten[17]提出了統(tǒng)計(jì)傳導(dǎo)模型(4)，來確定土體非飽和滲透系數(shù)，結(jié)果詳見表1。

(4)

式中：Kr(ψ)——基質(zhì)吸力為ψ的滲透系數(shù)與飽和滲透系數(shù)的比。

表1 黃土基質(zhì)吸力及所對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)

4.3 入滲模擬

黃土垂直裂縫發(fā)育，大型黃土滑坡普遍認(rèn)為是降雨通過裂縫集中流入地下導(dǎo)致地下水位上升或是形成上層滯水而發(fā)生[18]，為了符合實(shí)際情況，模型大小選擇和實(shí)際情況一致，坡高6 m，坡底寬7 m，坡頂寬4 m，設(shè)置模型坡頂和坡面為降雨滲流邊界，左邊界和下邊界為不透水邊界，土層特性為Q2離石黃土(圖3)。

圖3 工況2數(shù)值模型圖

模擬前需要初始化，土層初始體積含水量為18.2%，由擬合出的VG模型，求得初始基質(zhì)吸力為-158 kPa，特設(shè)定8種工況(表2)，通過改變裂縫大小和數(shù)量來模擬，其他條件不變，依據(jù)已經(jīng)監(jiān)測(cè)到的降雨量，進(jìn)行降雨滲流模擬。

表2 8種模擬工況裂縫參數(shù)

圖4顯示的是與實(shí)際情況對(duì)應(yīng)的工況2的入滲結(jié)果，非裂縫處含水量取點(diǎn)分別為1，2，3，裂縫處為4，5，6(圖3)，可以看出與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)基本一致，降雨對(duì)土體含水量的影響主要體現(xiàn)在土體含水量對(duì)降雨入滲的響應(yīng)時(shí)間和響應(yīng)程度上，并且存在滯后性，并且隨著深度的增加滯后性越明顯。在對(duì)比中發(fā)現(xiàn)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)體積含水量與土體深度的變化成正相關(guān)，而模擬結(jié)果恰恰相反，計(jì)算中雖然采用的是實(shí)地黃土的相關(guān)物理特性參數(shù)，但是在模擬中未考慮蒸發(fā)因素，而土體水分蒸發(fā)是一種主要的能量交換過程，尤其在黃土高原地區(qū)，基本屬于半干旱地區(qū)，海拔相對(duì)較高，溫差大[19-21]，可以看出蒸發(fā)嚴(yán)重影響著研究區(qū)黃土淺層土體含水量變化。

圖4 工況2不同深度土體含水量

圖5顯示的是第1次降雨以后土體的孔隙水壓力變化云圖，裂縫的大小與數(shù)量的變化，只是導(dǎo)致了裂縫局部的水壓力變化，基本沒影響整體土體的變化，而且從圖5中可以看出雨水的入滲很有限，都是1 m以內(nèi)的土體水壓力發(fā)生變化，而在1 m以下的土層水壓力基本沒有變化，說明大路溝滑坡Q2離石黃土表層降雨入滲深度受到淺層裂縫影響很小，并且入滲深度很有限。黃土地區(qū)裂縫在入滲中起著優(yōu)勢(shì)通道的作用，引起地下水位抬升而誘發(fā)大量的黃土滑坡[22-23]，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果我們可以從新來理解黃土優(yōu)勢(shì)通道，其作用是有階段性的： (1) 裂縫屬于地表裂縫，并且深度沒有延伸到滯水層或是滲透性極低的古土壤層，此時(shí)裂縫在整個(gè)入滲過程中對(duì)深部土體含水量的影響很小，無法起到優(yōu)勢(shì)作用，對(duì)邊坡穩(wěn)定性基本沒影響； (2) 當(dāng)裂縫貫入滯水層或是滲透性極低的古土壤層時(shí)，此時(shí)裂縫在入滲過程中就會(huì)起到優(yōu)勢(shì)通道的作用，水通過裂縫迅速入滲并富積，軟化、泥化土體，致使黃土滑坡發(fā)生。

圖5 不同工況下第一次降雨后孔隙水壓力分布

5 結(jié) 論

(1) 黃土淺層土體含水量對(duì)降雨十分敏感，當(dāng)降雨量<3 mm/d時(shí)，黃土淺層地表土體含水量基本不受降雨的影響，當(dāng)3<降雨量<40 mm/d時(shí)，土體含水量因雨水的入滲而變化，并且含水量的變化與降雨量成正相關(guān)。

(2) 研究區(qū)淺層地表通過降雨入滲補(bǔ)給，蒸發(fā)排泄，降雨對(duì)土體含水量的影響主要體現(xiàn)在土體含水量對(duì)降雨入滲的響應(yīng)時(shí)間和響應(yīng)程度上，并且存在滯后性，并且隨著深度的增加滯后性越明顯。蒸發(fā)排泄對(duì)土體含水量的影響表現(xiàn)在土體的深度和受光面積上，土體的深度越大，土體體積含水量受到蒸發(fā)作用越小，而對(duì)于裂縫處與非裂縫處，裂縫處受光面積大于非裂縫處，相同深度下裂縫處土體含水量小于非裂縫處。

(3) 模擬了不同工況下雨水入滲過程，顯示地表淺層裂縫對(duì)降雨入滲影響很小，并且大路溝滑坡黃土入滲深度有限。

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Regularities of Rainfall Infiltration in Shallow Loess

MA Penghui1,2, PENG Jianbing1,2, ZHU Xinghua1,2, TONG Xiao1,2, MENG Zhenjiang1,2, DUAN Zhao1,2

(1.Key Laboratory of Western Mineral Resources and Geological Engineering Ministry of Education, Xi’an， Shaanxi 710054, China; 2.College of Geology Engineering and Geomatics, Chang’an University, Xi’an， Shaanxi 710054, China)

[Objective] To explore the regularities of rainfall infiltration in shallow loess, and to provide reference for studying the mechanism of loess landslide caused by rainfall. [Methods] One monitoring site was set up in Dalu Dicth, Shaanxi Province by arranging the monitoring instrument both in cracks and no-cracks at different depths. The observed results were dealt with numerical simulation to analyze the regularities of rainfall infiltration. [Results] (1) Soil moisture was recharged by rainfall and was drained away through evaporation in the area. The main affect of rainfall on water content was the tempo-spatial responses to the rainfall. There had a hysteresis for temporal response, which was more obvious with the increase of the depth. The effect of evaporation on soil water content was influenced by the depth and the exposed area of soil. The greater the depth of soil was, the smaller the effect would be. (2) The soil water content was very sensitive to rainfall, e.g., when precipitation was less than 3 mm/d, the rainfall almost had no effects on the water content of soil, however, when precipitation was 3～40 mm/d, the rainfall was observed having positive effect on soil water content. [Conclusion] The infiltration process simulation under different conditions showed that the effect of crack was little, and also the infiltration depth of loess in study area was limited.

loesslandslide;rainfall；sitemonitoring；numericalsimulation；regularitiesofinfiltration

A

： 1000-288X(2017)04-0248-06

： P641.73

2016-11-02

：2016-12-17

國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)(973)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目“黃土重大災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理及災(zāi)害鏈演化規(guī)律”(2014CB744702)； 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41402255)； 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)(310826174001)； 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(SKLGP2017K010)

馬鵬輝(1990—),男(漢族),河北省張家口市人,博士研究生,研究方向?yàn)榈刭|(zhì)災(zāi)害及黃土災(zāi)害鏈。E-mail:spawnkobe@163.com。