土坡降雨入渗影响因子模拟实验

邹英,陈忠,王继华,陈安

(1. 昆明理工大学国土资源工程学院，昆明　650031；2.中国能源建设集团云南省电力设计院有限公司，昆明　650011)



土坡降雨入渗影响因子模拟实验

邹英1,陈忠1,王继华2,陈安1

(1. 昆明理工大学国土资源工程学院，昆明650031；2.中国能源建设集团云南省电力设计院有限公司，昆明650011)

摘要：综合模拟实验土坡降雨入渗的各种常见影响因子，实验结果表明：土质对降雨入渗能力的影响明显，土中粘粒含量越高，颗粒越细微，粒间孔隙越小，吸、保水性能越强，开始入渗速度较快，在一定时间后入渗趋于平缓，浸润线前锋位置与雨水之间存在滞后现象；土体结构都对土体入渗能力产生较大影响，随着土体密实程度的增加，土体水力传导度减小，其水分入渗能力明显降低，开始入渗速度较快，在30 min过后入渗趋于平缓；在临界含水量内，渗透系数与饱和度成反比；在正常温度范围内，对渗透影响不明显；坡度与累积入渗深度基本呈凸形曲线关系；随着植被覆盖度增加，累积入渗量成直线增加。

关键词：土坡；降雨入渗；实验

1引言

土坡是自然界广泛存在的一种很有特色的地质体，它一般是由非饱和带、毛细带及饱和带在雨水作用下组成的水文地质系统[1-4]。影响边坡降雨入渗能力的因素很多，主要包括岩土体的性质、边坡的地质环境、降雨的性状3个方面[5-11]。本次室内实验主要是对土坡降雨入渗一些具体影响因素进行人工降雨模拟实验，目的为土质边坡的防护与治理提供科学依据。

2实验设备与方法

2.1实验仪器设备

2.1.1人工降雨装置

人工降雨装置主要由贮水箱、水泵、高位水箱、液位控制器、流量计和降雨器组成。其中降雨器是人工降雨装置的核心部分，由振动发生器、布针架、框架、供水管等部件组成。其工作原理是通过流量计控制的水，由供水管网稳压后再供给针头滴水，同时布针架在振动发生器的驱动下做水平圆周振动。通过振动将水滴破碎洒落于土面，使其均匀分布，从而达到模拟降雨的目的。

2.1.2土体装载控制箱

土体装载控制箱尺寸为2 000 mm(长)×1 000 mm(宽)×1 000 mm(高)，主要由带针孔有机玻璃圆筒、控制坡度支架、集水箱等构成。为了能实现坡度的变化，先设计一个可转动的支架，再将所要进行实验的坡面放置其上，支架转动时放置于其上的坡面实现坡度的变化。两侧斜的撑杆根据坡面坡度要求打了很多孔，间隔为每5°一个孔，能实现的最大坡度为50°。

2.1.3含水量和容重测定仪器

实验中主要考虑测定精度，土含水量测定主要采用烘箱烘干称重法，辅以中子仪测定。土容重采用常规环刀法进行。

2.1.4其他仪器设备

除了上述主要仪器设备外，还有其它辅助仪器，秒表控制测试实验时间，卷尺测量浸润深度。

2.2实验方法

首先在每组实验前对土样进行选择、筛分和制备，根据每次实验的要求填筑实验土坡，并修成规定的坡度，在实验过程中，记录量测浸润线位置与其它现象，并进行描述，降雨为一般性均匀降雨，强度为200 mm/d。

本次降雨入渗实验有土质影响实验、土结构影响实验、土饱和度(含水量)影响实验、降雨雨水温度影响实验、土坡坡度影响实验、表层覆盖物影响实验。

土质影响实验采用3组不同土质进行，每10 mim观测一次，土样来源于深圳地区某边坡，三组土的基本物理力学参数见表1。

土结构影响实验选择了同种土质(砂质粘性土)条件下，3组代表不同结构土体，即疏松土体、稍密实土体、密实土体，反映在孔隙比的差异。在实验中，将直接装入土体装载控制箱的土体作为实验疏松土体，稍加压实的土体作为稍密实土体，充分压实的土体作为密实土体，每组实验都是每10 min观测一次。

土饱和度(含水量)影响实验采用人工配制的砂质粘性土进行实验，由于野外土坡的土饱和度一般在50%～100%之间，本次实验饱和度控制在60%～95%之间，共用12种含水量进行12组实验。

降雨雨水温度影响实验采用同种土体(砂质粘性土)条件下，配制水温按2℃、20℃与30℃三种温度，每组实验按每10 min观测一次。

土坡度影响实验采用同种土体(砂质粘性土)条件下，用坡长一定，而坡度按10°、15°、20°、25°、30°与35°进行，每组实验按每10 min观测一次。

表层覆盖物影响实验采用同种土体(砂质粘性土)条件下，用坡长、坡度一定，而覆盖物采用不同层数的3.0 mm×3.0 mm型针眼的纤维质纱窗网，分别为1层、2层、3层、4层、5层进行。

3降雨入渗影响因子实验分析

影响边坡降雨入渗能力的因素很多，主要包括土体的性质、边坡的地质环境、降雨的性状3个方面[5]，这些影响因素与降雨入渗能力的具体关系如何，这需要大量的实验。本次主要对某些具体影响因素进行有目的性较强的模拟实验研究。

3.1土质对入渗的影响

本次采用三组土的基本物理力学参数见表1。图1所示为三组土60 min入渗量随时间的变化曲线。

表1　三组土的基本物理力学参数

图1　三组土60 min入渗量随时间的变化曲线

对比分析三组土60 min入渗量随时间的变化曲线发现，土质对降雨入渗能力的影响明显。在同样的入渗时间内，砾质粘土体入渗量最大，砂质粘性土体次之，粉质粘性土体最小。这是由于土体质地是土体固、液、气三相物质按比例合成，土粒的表面能、土体孔隙大小和分布、物质组成等对土体水分运动的驱动力产生影响，从而影响到土体的入渗能力。另外，还发现，每种土体开始入渗速度较快，而在30 min过后，入渗基本上趋于平缓，这可能是由于土体表层含水量增加，抑制了雨水的进一步入渗，雨水停止一段时间后，浸润线前锋位置还在继续向前趋进，说明了降雨入渗存在滞后现象，但每种土质入渗滞后时间不一样。

3.2土结构对入渗的影响

图2所示为某三组砂质粘性土60 min入渗量随时间的变化曲线。从曲线图中分析发现，同种土质条件，土体结构都对土体入渗能力产生较大影响。由于疏松土体单位体积密度小、孔隙率大、孔隙尺度大、连通性好，对其中运动流体的阻力小，因而在单位势梯度下，土体水分的驱动力大，即土体水力传导度大。而对于密实土体，密度大、孔隙小、孔隙尺度小、孔隙严重弯曲、连通性差。单位势梯度下水分通量小，即土体水力传导度小。因此，随着土体密实程度的增加，土体水力传导度减小。另一方面随着土体密实程度的增加，孔隙程度减小，含水量相同时土体水吸力增大。所以同样的入渗时间内，随着土体由疏松变密实，其水分入渗能力明显降低，疏松土体入渗量最大，稍密实土体次之，密实土体最小。同样也发现，对于同质地不同孔隙比的土体，开始入渗速度较快，而在30 min过后，入渗基本上趋于平缓。

图2　三组土60 min入渗量随时间的变化曲线

3.3土的饱和度对入渗的影响

本次采用野外某地砂质粘性土进行实验，共进行12组实验，图3是其饱和度与渗透系数关系散点图。由图3中分析发现，随着土的饱和度提高，其渗透系数下降，可见土的饱和度对土体入渗能力产生影响，而且发现当土的饱和度增加到一定值时，渗透系数增加幅度非常小，这说明存在一个影响土的渗透能力的临界含水量。土体含水量主要从入渗水流湿润区内的平均势梯度方面影响土体水分的入渗能力。土体含水量越高，水分入渗锋面的土水势越高，则水分入渗锋面与地表之间的平均势梯度越小，因此土体的入渗驱动力越小，即土体入渗能力越低。所以土体含水量越高，土体入渗能力越低，但是超过一定的含水量后，土体的入渗能力增加非常缓慢。

图3　某地砂质粘性土饱和度与渗透系数关系散点图

3.4降雨水温对入渗的影响

图4为水温对某地砂质粘性土入渗能力的影响对比曲线。对比分析实验曲线发现：同种土体条件下，水温对土体入渗能力产生较大影响。同样的入渗时间内，随着水温的增高，水的活动性越强，其水分入渗能力明显提高，这说明雨水的温度对入渗能力的影响具有重要的意义。这能很好的解释夏季的滑坡灾害比冬季要多，除了夏季降雨多是重要原因外，雨水本身的温度也扮演一个重要催发加剧作用。但是随着温度的升高，温度对入渗能力的影响趋于平缓，20℃与30℃的水对入渗能力影响非常接近，所以降雨温度在低温阶段对入渗影响更明显，而在正常温度范围内，影响不明显[10]。

图4　水温对某地砂质粘性土入渗影响的对比曲线

3.5土坡度对入渗的影响

图5为土坡度对降雨入渗的影响实验曲线。从图5中分析发现：坡长一定时，在不同降雨时段，累积入渗深度与坡度基本呈凸形曲线关系[11]，且影响累积入渗深度的临界坡度明显存在。即当坡度在较小范围时，坡度的增大对累积入渗量变化影响不明显，而当坡度增加到一定值时，累积入渗深度反而随坡度的增大而减少。

3.6坡面覆盖物对入渗的影响

图6为坡面覆盖物对降雨入渗的影响关系曲线。从曲线对比分析发现：随着植被覆盖度增加，累积入渗量几乎成直线增加。这充分说明覆盖物在水土保持方面的显著作用。并随着时段的增长，累积入渗量受覆盖物覆盖层数的影响增大。同时，随着时段的加长，相同覆盖物覆盖层数条件下，累积入渗量增加的幅度变小。这主要是由于入渗初期，坡面只有局部径流。随着时段的加长，形成波面漫流，这时覆盖物覆盖层数的作用相对就突出了。坡度与覆盖物的影响结论与石生新(1992)[12]在高强度人工降雨条件下野外实验研究洋槐林中地面坡度对土壤入渗速率的影响结论有些相似，说明室内降雨模拟实验能反映野外实际情况。

图5　坡度与累积入渗深度的关系(某地砂质粘性土)

图6覆盖物层数与累积入渗量的关系

4结语

土坡是自然界非常特殊的边坡，它在降雨入渗条件下容易发生变形，甚至滑塌，研究降雨入渗机理及其实验分析入渗影响因子，具有重要的意义。一方面能分析土坡在降雨入渗情况下，初步分析其稳定状态与灾变时间，另一方面能找到土坡防渗的关键技术，减少土坡水土流失。实验发现坡体土的性质、边坡所处的地质环境、降雨的性状以及植被状况是影响边坡降雨入渗的决定因素，从而控制了边坡在降雨入渗条件下的稳定性。

根据本次室内降雨入渗实验设计、实验操作、实验成果整理及其分析过程，得到如下体会：

(1) 室内降雨入渗实验设计应尽可能地接近于野外实际情况，由于野外地质条件、地层岩土性状、降雨特征等非常复杂，本次室内模型实验根据相似性原理尽量满足实验要求。

(2) 室内降雨入渗实验操作与观测是最重要的一环，所以要仔细观察实验过程中出现的异常情况，分辨实验误差，多次进行验证。

(3) 在整理实验数据过程中，也要注意数据异常值，必要时进行线性回归分析或再次进行实验验证。

(4) 本次分析出来的相关成果，有定性分析，也有定量分析，有的是第一次发现，有的是跟目前已有的成果相似。

(5) 本次只是实验研究分析土质、土结构、土饱和度、降雨雨水温度、土坡度、表层覆盖物6个方面对降雨入渗影响，对土边坡设计治理提供了可靠的实验依据,由于降雨入渗影响因子非常多，需要开展研究内容也很多。

参考文献

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[12]石生新.高强度人工降雨条件下地面坡度、植被对坡面产生过程的影响[J].水土保持学报，1996，(3)：77-80.

E-mail：657154269@qq.com

SLOPE RAINFALL INFILTRATION FACTOR SIMULATION EXPERIMENT

ZOU Ying1,CHEN Zhong1,WANG Ji-hua2, CHEN An1

(1. Institute of Land and Resources Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming of Yunnan650031,China;2. Energy China Yunnan Electric Power Design Institute Co. Ltd, Kunming of Yunnan650011,China)

Abstract:This paper comprehensive simulation slope rainfall infiltration of various common factors, the experimental results show that：The influence of soil to the rainfall infiltration ability significantly，the higher the clay content in the soil, the smaller particle, the more subtle, the intergranular pore, the stronger water, the absorption performance, fast start infiltration, in a certain time after the infiltration of leveling off, saturation line between forward and rain lag phenomenon; soil structure have great influence on soil water infiltration capacity, with the increase of soil compaction degree, soil hydraulic conductivity decreases, its water infiltration capacity is decreased obviously, fast start infiltration, infiltration leveling off after 30 minutes; within the critical moisture content, the penetration effect is not obvious; show convex curve slope with cumulative infiltration depth basic relations; with the increase of vegetation coverage, cumulative infiltration amount into linear increase.

Key words：slope; rainfall infiltration; experiment

作者简介：邹英(1983-)，女(汉族)，湖南邵阳人，在读硕士研究生，主要从事第四纪地貌学与地质灾害方面研究。

中图分类号：TV131.6

文献标识码：A

收稿日期：2015-12-04改回日期：2016-02-05

文章编号：1006-4362(2016)01-0104-04