风化砂质板岩竖向渗透特性试验研究

银明锋，胡毅夫

（中南大学资源与安全工程学院， 湖南长沙 410083）

风化砂质板岩竖向渗透特性试验研究

银明锋，胡毅夫

（中南大学资源与安全工程学院， 湖南长沙 410083）

为揭示通平高速公路土质边坡降雨条件下的滑坡机理，进行了全风化砂质板岩土柱的人工模拟降雨试验，研究了其非饱和竖向渗透特性，分析了土柱的干密度、初始含水率和降雨强度等因素对竖向入渗特性的影响，得出了不同因素条件下土柱的竖向渗透系数、积水时间和积水量的分布特性，以及土柱吸水量和吸水能力的变化。

风化砂质板岩；非饱和渗透；竖向渗透系数；土柱吸水；积水时间

0 前 言

通平高速公路地处丘陵地带，气候湿润、降雨量丰富。本次研究的土样来自通平高速公路K38＋560～K38＋680m路堑边坡，最大边坡高度38.1 m。该边坡位于区域构造带的复合部位，场地岩体破碎，节理裂隙非常发育，形成厚大强风化层。边坡岩层从上至下为全（强）风化砂质板岩、强风化炭质页岩、中风化砂质板岩，其中全（强）风化砂质板岩平均厚度3m。在降雨条件下，雨水渗入全（强）风化砂质板岩，易产生降雨型浅层滑坡。

降雨条件下土壤水分的入渗过程主要是非饱和土壤水分的运动过程［1］。粘性土中的重力水、毛细水和结合水在土中渗透运动并相互转化，水气相互作用，土体从非饱和渗透场过渡到饱和渗透场。在此过程中，土体的工程稳定性会急剧降低，很多降雨型滑坡都发生在非饱和入渗阶段。

土壤降雨条件下非饱和入渗特性研究主要有3种方法：理论推导、数据模拟和试验方法。土壤降雨入渗是一个复杂的过程，其入渗特性与降雨条件、土体物理特性等密切相关。目前对土壤非饱和入渗理论的研究取得很多成果但并没成熟，主要原因是土体物理特性复杂，理论推导结果并不能很好地反映出实际状况；其二，数值模拟方面对渗透场的变化参数描述过于简单，某些情况下不能反映实际情况，因而试验方法更能反映土体的实际降雨渗透特性。

本文中项目组对课题边坡降雨条件下的竖向渗透特性进行室内土柱试验研究，为浅层滑坡的最大深度确定、坡体坡面雨水分布和排水设计等提供理论基础。

1 试验设计

1.1 试验装置

试验装置如图1所示。该装置由双层钢架、储水器、医用输液器、透明塑料瓶（直径10cm，主体高20cm）及高精度电子天平（精度0.02g）等组成。通过医用输液器将上部压力水导入单个土柱内，模拟降雨。降雨强度通过调节输液器调节阀及保持储水器水位实现。土柱上部开口，用于降雨积水的收集，下部开口用于渗出水的收集。在降雨条件下，通过高精度电子天平测量不同时段从试件底部渗出的水量，试件上部的积水量可以校正底部渗出量。

图1 降雨实验装置

1.2 试验原理

渗透系数描述多空介质输送流体的能力，是多孔介质传导流体的性能［2］。测定渗透系数是此次土柱竖向渗透特性试验研究的主要目标之一。试验对不同土样条件下（干密度ρ、初始含水率w和不同降雨强度q）土柱的竖向渗透特性进行对比分析。

Darcy通过砂土的渗水试验得出了经典的Dar－cy定理，使得计算渗透系数成为可能。Richard和国内学者的研究表明，在流速不大的情况下，大多数非饱和多孔介质的渗流都适合Darcy定理。模拟降雨渗透系数的计算适用Darcy定理：

式中，Q为时间段内通过土柱的流量；A为土柱顶部受雨截面积；I为水力坡度，数值为1。

由Darcy定理可知，入渗速率V＝KI，在数值上V＝K。

1.3 土样选取与试件制作

全风化砂质板岩土样来自通平高速公路K38＋560～K38＋680m路堑边坡，粘性土样选取地点具有代表性。

试件制作时通过控制干密度的办法控制试件孔隙率。在干土料中加定量水，拌和均匀以控制土料初始含水率。

1.4 试验方案

试验方案见表1。

表1 实验方案

降雨强度Q根据岳阳市气象局资料，境内10 min最大降雨强度为2.53mm／min，1h最大降雨强度为1.36mm／min，24h最大降雨强度为1.65 mm／min。

土壤初始含水率W选取含水率为8.0%，13.0%，15.5%，便于土柱制作，以免土壤过软或过硬。

试验土样干密度ρ选取该坡不同深度的全强风化层土壤平均干密度，见表2。

表2 试验土样的干密度

2 实验结果分析

2.1 降雨入渗边界条件

如图2所示，降雨强度为1.65mm／min时，关系曲线可以分3阶段。第一阶段从开始降雨到产生积水点，称为降雨强度控制入渗阶段，此时土柱含水率低、吸水能力大、孔隙多、气体运动阻力小、入渗能力大于降雨强度，入渗率由降雨强度控制；第二阶段从积水点到曲线后部平稳段起点，称为非饱和入渗段，此时水流排挤孔隙中的空气，并填充孔隙，过水面积减少，孔隙内气压增大，水流阻力增大，因而土柱入渗能力越来越小，当小于降雨强度时，地表出现积水；第三段为饱和入渗段，土柱入渗能力始终小于降雨强度，土柱已经饱和，土柱内的气体大量被排出，水气相互作用基本保持平衡，土柱入渗能力趋于平稳，此时入渗速率数值上等于饱和渗透系数［3］。降雨强度为0.5m／min时，关系曲线为一水平直线，土柱入渗能力始终大于降雨强度，无积水产生。

图2 边界对比组入渗率与时间关系

根据入渗过程中是否出现积水将降雨入渗条件分为2类边界条件［4］。降雨强度为1.65mm／min的土柱对应第一类边界条件，此情况下土柱降雨经历了3个入渗阶段；降雨强度为0.5mm／min的土柱对应第二类边界条件，入渗始终停留在降雨强度控制阶段。

2.2 降雨强度对入渗的影响

图3为降雨强度比较组的试验结果。虽然3条入渗率曲线路径不同，但最终取得相同的饱和渗透系数。此试验说明降雨强度可以改变入渗速率路径，并不能改变饱和渗透系数，饱和渗透系数是由土体自身特性决定。此外降雨强度依次增大时，土柱积水时间依次为30，27和25min，表明降雨强度增大使积水点提前出现。随着降雨强度依次增大，土柱饱和时间为105，85和75min，表现为土体饱和点提前。

图3 降雨强度比较组入渗率与时间关系

2.3 干密度对入渗的影响

图4为干密度比较组的试验结果，表明干密度对土柱渗透特性影响显著。积水点随着干密度的增大而提前，在干密度为1.51g／cm3时几乎没有降雨强度控制阶段出现；干密度大时积水时间提前但积水量增长缓慢，干密度小时积水时间推迟但积水量增长迅速；非饱和渗透阶段曲线的整体斜率随干密度增大而减少，表现为入渗阻力越大，饱和渗透系数随干密度的增大而减少。

图4 干密度比较组入渗率与时间关系

图5为土柱吸水量Q随土柱干密度和时间的变化关系曲线。根据土柱吸水能力从开始吸水到饱和大致可以分为2个阶段：稳定段和减弱段。稳定段位曲线前部的陡峭段，减弱段为曲线后部的平缓段。稳定段内土柱吸水能力稳定，吸水量稳定增加，减弱段内土柱吸水能力逐渐衰减，吸水量逐渐趋于零。由图5可知：稳定段与减弱段的分界点多分布在土柱入渗第二阶段的后期，即土柱开始出现最大积水量附近；干密度越大，稳定段斜率越小，反映降雨前期土柱吸水能力与土柱密度成反比，减弱段曲线呈现干密度越大斜率越大的关系，反映出干密度越大土柱吸水能力衰减越慢的趋势。

图5 干密度比较组吸水量与时间关系

2.4 初始含水率对降雨入渗的影响

图6为初始含水率比较组的试验结果。当土样含水率为15.5%的土柱积水时间为17min，初始含水率13.0%的土柱积水时间为25min，初始含水率8.0%的土柱积水时间为30min，呈现积水时间的快慢与初始含水率大小成正比的关系。土柱的饱和渗透系数不随初始含水率的改变而改变。

图6 含水率比较组入渗率与时间关系

3 结 论

（1）根据降雨边界条件不同，全风化砂质板岩土柱人工模拟降雨入渗分为第一入渗边界条件和第二边界条件。第一边界条件下出现积水，其入渗过程经历3个阶段：降雨强度控制入渗段、非饱和入渗阶段和饱和入渗阶段。第二类边界条件下，土柱降雨入渗不出现积水，入渗始终处在降雨强度控制阶段。

（2）土柱的渗透系数受很多因数影响。刘光尧认为渗透系数K不是常数，而是介质粘滞度、密度和颗粒结构的函数［5］。试验表明：降雨强度可以改变入渗速率路径，并不能改变饱和渗透系数；饱和渗透系数随干密度的增大而减少；土柱的饱和渗透系数不随初始含水率的改变而改变。

（3）土柱积水时间受干密度、降雨强度和初始含水率的影响。试验表明：随着降雨强度依次增大，土体积水点提前；积水时间点随干密度的增大而提前；积水时间的快慢与初始含水率大小成正比关系。

（4）同一初始含水率和降雨强度下，土柱干密度大时积水时间提前但积水量增长缓慢，干密度小时积水时间推迟但积水量增长迅速。

（5）同一初始含水率和降雨强度下，土柱吸水可以分为2个阶段：稳定段和减弱段。稳定段与减弱段的分界点多分布在土柱入渗第二阶段的后期，即土柱开始出现最大积水量时间点附近。试验还表明，降雨初期土柱吸水能力与土柱密度成反比，降雨后期干密度越大土柱吸水能力衰减越慢。

［1］梁爱民.非饱和土渗透特性及饱和机理试验研究［D］.大连：大连理工大学，2008：15.

［2］刘昌军.非饱和水－气两相渗流数值模拟研究与应用［D］.南京：河海大学，2005：9.

［3］李生林，王正宏.我国细颗粒土在塑性图上的分布特征［J］.岩土工程学报，1985，7（3）：84－89.

［4］武 丽.降雨入渗对边坡渗流特性及稳定的影响研究［D］.南京：河海大学，2005：20－24.

［5］刘光尧.渗透系数概念发展的回顾［J］.工程勘察，1997（2）：35.

2011－11－08）

银明锋（1984－），男，湖南邵阳人，在读硕士研究生，主要从事边坡稳定性研究，Email：ymf8849014＠163.com。