降雨作用下马兰黄土渗透规律实验研究

王念秦，刘晓玲，王庆涛，李少兵，冯 鑫

(西安科技大学地质与环境学院，陕西西安 710054)

降水入渗是诱发边(斜)坡失稳的重要原因［1］，在水的作用下，黄土边坡坡体重力增加，土体孔隙压力改变，土体结构发生破坏，因此，水-土作用模式及方式的研究尤为重要。张志清［2］通过宁夏路基黄土颗粒组成和化学成分的分析，对黄土路基的水理特性进行了深入研究，探讨了宁夏黄土路基渗透和湿陷的发展规律;王辉等［3］研究了干密度对黄土渗透系数的影响以及原状黄土渗透系数随时间的变化规律;颜斌等［4］采用有限元方法对黄土边坡水入渗规律及其稳定性进行了研究，得出强降水条件下水入渗深度一般为表层2m，入渗深度随着降水时间增加而增加;赵景波等［5］通过固定试样上方水头，记录一定时间内入渗水量，从而对L1～S5结合层11个层位进行了实验，测定了渗透速率与时间的变化关系，得出土样前10分钟入渗很快，之后变缓，140～170min达到稳定入渗状态;吴胜军等［6］研制的变水头压力渗透仪，可对黏性土进行不同荷载条件下土体渗透系数的测定;王建新等［7］应用半解析半迭代的方法，从水势(负压)的角度推导了降雨自由入渗和压力入渗两个阶段的理论模型。然而，由于黄土结构特殊、成因复杂、工程地质性质不一，非饱和土渗流理论尚不完善，对非饱和土水的入渗途径、入渗规律等方面的研究也比较局限。为此，以某地马兰黄土为研究对象，基于非饱和土直渗仪，进行不同降雨强度下的马兰黄土渗透规律试验研究，探索黄土灾害属性。

1 试验设备及实验方案

1.1 试验设备

以达西定律、质量守恒定律为依据，研制一套非饱和土垂直渗透试验仪(图1)。试验仪由降雨装置、渗流(取样)装置、径流装置、富集装置、试验台五部分组成［8］。其优点在于:①以原状黄土为研究对象，进行不同降雨强度的降水试验，直观水下渗、径流以及富集全过程，获得径流开始时间，记录不同时刻水入渗锋面位移、径流量、渗流量等参数;②取样筒与渗透装置一体化，防止水直接沿筒壁下渗，保证试验数据真实、可靠。

主要试验步骤:①安置试验台，集水箱置于试验台上方，串联集水箱、流量计以及降雨喷头;②将取好的原状土样置于铁架台台座上，保持试样竖直，钢尺紧贴于试样筒壁;③铁架台台座下连接口径大于试样筒的漏斗，漏斗尖嘴置于量筒内;④完成整个装置的安装后，打开水阀，排除降雨装置中的气泡，采用流量计针形调节阀进行微调，使得降雨强度达到设计值;⑤开始试验，观察并记录试验数据，直到富集速率稳定，试验结束。

图1 非饱和土垂直渗透仪实验装置设计图Fig．1 Design of the vertical permeameter device on unsaturated soil

1.2 试验方案

取某地马兰黄土为研究对象，根据仪器渗流(取样)装置大小，制备直径12.5cm、高15cm的试样5组，共10件进行试验。拟定降雨强度分别为16mm/h、50mm/h、70mm/h。

试验内容主要包括:测定土的天然含水量、液限、塑限以及试验后土样含水量等基本物理参数;测定降雨条件下渗流、径流、富集的开始时间，测定径流量-时间、入渗锋面位移-时间、渗流量-时间的对应参数。

2 实验结果分析

从试验现象可以得出:不同雨强条件下，试验开始5～8min可观察到入渗锋面，且渗透过程完成后试样底部中心首先潮湿，表明雨水下渗锋面呈漏斗形。由试验前后基本物理参数(表1)可知:天然状态下试样为砂土，呈硬塑状，完成渗透试验后，含水量均超过液限并随雨强的增加而减小，表明水开始在重力作用下入渗，表层土体含水量逐渐增加，降水越大，试样含水率变化越快，在一定程度上产生了相应的水力梯度，水下渗加快而无法大量聚集，因此试验后其含水量较低雨强或低水头条件下高。

表1 某地黄土基本物理参数表Table 1 Physical parameters of loess

图2、图3是马兰黄土在不同雨强条件下入渗锋面位移-时间、富集量-时间关系曲线图，表2为渗透速率表，分析实验数据可知:

图2 马兰黄土降雨入渗锋面H－t关系Fig．2 Correlation curve between infiltration front and time in rainfall

图3 马兰黄土降雨富集V－t关系Fig．3 Correlation curve between enrichment volume and time in rainfall

(1)雨强16mm/h，无径流，试验历时22.5min下渗锋面深度达7cm，此阶段为快速下渗期，下渗速率0.31cm/min。随着降雨时间增加，雨水下渗进入缓慢下渗与稳定下渗阶段。待入渗锋面到达试样底部，渗流速率为1.3mL/min。整个过程归纳为快速下渗—缓慢下渗—稳定渗流三阶段。天然状态下试样含水率较低，孔隙度较大，雨强16mm/h，土样吸水能力大于降雨强度，随着渗透试验的进行，一部分水继续下渗，另一部分填充试样空隙，水下渗的重力作用变弱，克服土体阻力做功增大，下渗锋面下渗速率随下渗时间及下渗深度的增加而降低，雨水补给量大于水下渗渗流量，试样入渗锋面以上含水率逐渐增大，形成稳定流，进入稳定下渗阶段，由此，渗流曲线亦呈线性关系。

(2)雨强50mm/h和70m/h，径流分别在试验开始第29min和14min产生，两种雨强条件下曲线先呈上凹形然后平缓。入渗锋面分别在试样深度5cm和7cm内，下渗速率为0.40cm/min和0.36cm/min，随降雨历时增加，径流产生，入渗深度达到8.5cm和11cm，水下渗速率为0.68cm/min和0.95cm/min，大于此深度后，水下渗速率为0.36～0.097cm/min和0.2cm/min，其中第二阶段渗透速率最大。表明马兰黄土具大孔隙特征，土样开始吸水能力大于降雨量，上部土样含水率迅速增加，试样表面产生径流，降雨量流失一部分，入渗水在重力和上覆水力梯度共同作用下空前加速，形成快速流动期，待雨水补给量小于此阶段的下渗量与充填量之和时，作用力减小，水渗流速度变缓直到稳定。

(3)雨强50mm/h和70mm/h，富集(渗流)速率分别为3.04～3.44mL/min和2.83～2.25 mL/min。随雨强的增加，土体开始径流的时间越短，水量损失就越大，雨强70mm/h富集速率就较雨强50mm/h小。

表2 西安某地马兰黄土降雨渗透速率数据表Table 2 Seepage velocity dates of Malan loess in rainfall

3 结论

(1)降雨入渗锋面呈漏斗形，凹面向下，均匀推进。

(2)实验后试样含水量为30% ～40%，均超过液限，且随雨强的增大含水率相应减小。

(3)降雨条件下试样渗透规律受降雨强度的不同而呈现不同的渗透阶段。雨强16mm/h，入渗锋面下渗过程分为快速下渗、缓慢下渗、稳定下渗三个阶段，下渗速率分别为:0.31cm/min、0.16cm/min、0.02cm/min;雨强50mm/h与70mm/h，第二阶段的下渗速率最大，表明马兰黄土具大孔隙特征，土样开始吸水能力大于降雨量，上部土样含水率迅速增加，试样表面产生径流，降雨量流失一部分，入渗水在重力和上覆水力梯度共同作用下空前加速，形成快速流动期，待雨水补给量小于此阶段的下渗量与充填量之和时，作用力减小，水渗流速度变缓直到稳定。

(4)完成渗透试验后，试样形成稳定流，富集量与时间呈线性关系，满足达西定律。

水-土作用模式复杂，非饱和土特别是黄土斜(边)坡渗流场中渗流特征各具形态，通过分析室内试验结果，找出影响渗透作用的关键参数，深入到非稳定流作用下边坡稳定性综合评价中，进一步探索非饱和土渗流原理及作用方式是目前需要推广及延伸的领域。

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