基于渗水试验的寨头村黄土边坡土壤含水率变化规律研究

钱　伟，王　钰，管清浩

(长安大学环境科学与工程学院，陕西 西安 710054)



基于渗水试验的寨头村黄土边坡土壤含水率变化规律研究

钱伟，王钰，管清浩

(长安大学环境科学与工程学院，陕西 西安 710054)

[摘要]研究包气带含水率的变化特征，对于防治陕西泾阳南部黄土台塬黄土滑坡具有重要意义。通过室外原位渗水试验，测定不同导管处土壤体积含水率和土水势能，实验表明：随着时间推移，包气带土壤含水率最大值所处位置逐渐向下运移，且土壤最大体积含水率减小；黄土包气带深度为1 m 时土壤体积含水率达到最大；随深度的增加，含水率变化幅度逐渐变小。

[关键词]渗水试验；包气带；土壤含水率；土水势能

陕西省泾阳县南部黄土台塬区为黄土滑坡多发地段，滑坡对当地造成了严重的经济损失和人员伤亡[1]。黄土滑坡的诱发因素分为自然因素和人为因素两类，其中降水和人类工程活动是最积极的诱发因素[2]。目前，普遍认为在降水或灌溉条件下，水分从地表渗透到黄土坡体内，进行非饱和运动，使坡体内地下水位发生变化，从而引起黄土滑坡。非饱和状态下，黄土坡体内土壤含水率与坡体抗剪强度存在一定的关系。非饱和条件下，黄土抗剪强度随含水率的增加而降低[3]，而土壤基质吸力是土壤含水率的函数，土壤基质吸力亦对土体抗剪强度存在一定的影响[4]。降水或灌溉条件下，黄土坡体中土壤含水率及土壤基质吸力发生变化，同时影响土体抗剪强度，黄土边坡稳定性随之变化，当达到失稳临界时就会发生滑坡[5]。因此，研究水分在黄土包气带中的变化规律，为黄土边坡稳定性提供理论依据，具有重要的研究意义。

1研究区概况

本次研究的室外试验场位于陕西省泾阳县以南寨头村黄土台塬区边坡后缘，距黄土边坡陡崖30 m。陕西省泾阳县地处关中盆地泾河下游，渭河地堑北缘中段，岐山至富平断裂带两侧。地势西北高、东南低。泾阳县属暖温带大陆性季风气候，一年四季冷暖、干湿分明，具有春季温暖干旱、夏季炎热多雨、秋季凉爽湿润、冬季寒冷少雪的特点。泾阳县域内主要河流为泾河，其次为清河、冶峪河。

室外试验场地位于寨头村黄土台塬边坡后缘，出露地层为第四系黄土地层，自边坡顶部至底部出露地层分别为耕植土(Q4)，马兰黄土(Q3)，离石黄土(Q2)和古土壤(Q2)。各地层岩性描述分述如下：

1)全新统耕植土(Q4)

厚度0.5m，呈深黄色，以粉土为主，为近代人工耕植土，结构疏松，含有大量植物根系。

2)上更新统风积黄土(Q3)

厚度11.3m，呈浅灰黄色，以粉砂为主，结构疏松，颗粒较均匀。地层上部为块状结构，大孔隙显著，垂直节理发育，含有虫洞和根系，下部结构较疏松，垂直节理不发育，肉眼可见小孔隙。

3)中更新统风积黄土(Q2)

上部为灰黄、灰白色，以钙质结核为主，胶结成层，土质坚硬，结构致密；下部呈灰黄、黄色，以粉砂、粉土为主，含少量钙质结核，土质较松软，垂直节理较发育，夹薄层古土壤；古土壤呈深褐色，厚度0.9 m，以粉土为主，土质较硬，颗粒细，具黏性。

2渗水试验

2.1试验设计

室外渗水试验场位于陕西省泾阳县太平镇寨头村黄土边坡处，距黄土边坡临空面30 m。在试验场地内开挖圆形试坑，直径为5 m，深度为0.3 m。沿坑壁埋设单环，单环高度1 m，埋入土内0.7 m，接合处焊接，防止漏水。单环内铺设一层砂砾卵石，厚度0.15 cm，作用是防止冲刷试坑原样土，破坏下渗面，影响水分下渗。

在单环内外分别埋设不锈钢导管，用以观测不同深度的含水率，测量位置深度分别为0.5、1、1.5、2、2.5、3、4、5、6、7、8、9、10 m。导管直径62 mm，深度10 m，其中单环内埋设4根导管，环外埋设9根导管，共13根试验观测导管。渗水试验开始时，采用试验场500 m以外的抽水井向试坑内注水，坑内积水深度0.2 m，注水持续时间0.5 h，后停止注水，坑内积水完全下渗所需时间为2 h。水完全下渗后采用中子土壤水分仪测量导管内的土壤含水率，并记为第一天。此后在第2、3、5、7、10、15、20、30 d相同时刻测量包气带土壤含水率。平面图如图1。

图1　渗水试验平面布置示意图

2.2试验原理

渗水试验采用中子土壤水分仪测量土壤含水率。根据普通物理学的动量守恒定律，氢原子的质量和中子十分接近，所以一个高速运动的快中子和氢原子发生弹性碰撞时，它的能量急剧下降，平均十多次碰撞就减速变成能量很小的热中子。在中子水分仪前端，装有一个同位素中子源，它能不断地发射出快中子，当土壤中的含氢量(即含水量)较大时，快中子很快被慢化成热中子，这些热中子犹如云雾一般紧紧围绕在中子源的周围：当土壤含水量较小时，中子被碰撞的机会少，能运动到稍远的地方去，这样中子云的密度就较稀疏，反之亦然。在中子源的附近，装有一个热中子探测器，它能测出进入其体积内的热中子，这样热中子计数和土壤含水量之间就存在一种确定的关系，通过率定，可以由热中子计数算出土壤含水量。

将中子仪探头放入某一层土壤中，测量出一个热中子计数值，随即取出这层土壤的土样，用标准的烘干法测出土壤含水量。得到多组测量值后，通过回归计算可得回归方程。确定回归方程后，在实际测量中只需测出热中子计数值，即可得出含水量。

3结果分析

3.1含水率随深度变化

以1号导管为例，分析寨头村黄土边坡内土壤含水率的变化。图2为渗水圆环内1号导管内渗水试验观测数据随不同深度土壤含水率变化分布图。渗水试验开始后，1号管内3 m以上土层中的土壤含水率骤升，0.5 m处土壤含水率变化幅度最大，出现一个峰值，土壤含水率值为饱和含水率34.80%。随时间的延续，土壤含水率峰值逐渐减小，并慢慢向下移动。渗水试验第2天，土壤含水率峰值到达1 m处，土壤含水率值为32.64%。渗水试验第10天后，1号导管内的土壤含水率分布基本不变，水分的运移变化趋于稳定的状态。

图2　1号管内不同深度土壤含水率变化分布图

3.2土壤含水率随时间变化

图3为渗水试验1号管不同时刻不同深度黄土包气带内土壤含水率和土水势能变化曲线图。由黄土包气带土壤含水率变化曲线图(图3a)可知，渗水试验开始后第1天，1号管内土壤含水率增大，其中深度1 m处黄土包气带土壤含水率达到最大值，土壤最大含水率值为33.23%。随着时间推移，包气带土壤含水率最大值所处位置逐渐向下运移，且土壤最大含水率减小。渗水试验开始后第3天，包气带土壤最大含水率值向下运移到2.5 m处，此时土壤最大含水率为27.87%。随着试验进行，土壤最大含水率继续向下运移。

(a) 和土水势能变化 　　(b) 曲线图

图3渗水试验1号管不同时刻不同深度土壤含水率

由黄土包气带土水势能变化曲线图(图3b ，以潜水面为基准点)。渗水试验开始后第1天，1号管内不同深度包气带土水势能增大，其中深度1m处黄土包气带土水势能最大。黄土包气带内土壤水分在该处汇集，土壤含水率最大，为零通量面。随着时间推移，包气带土水势能逐渐减小，包气带零通量面位置逐渐向下运移。渗水试验开始后第3天，包气带零通量面向下运移到1.5 m处；渗水

试验第30天，包气带零通量面向上运移到1 m处。受水分补给和排泄的影响，零通量面位置始终处于动态变化，但是其变化深度小于4 m。

4结语

室外渗水试验结果显示，水分在黄土包气带浅层引起土壤含水率发生较大变化，在深度为1 m时土壤含水率达到最大。随深度的增加，含水率变化幅度逐渐变小；在深度为4 m以下土层中，试验及模拟过程中土壤含水率没有明显变化，即本次渗水试验黄土包气带土壤含水率变化影响范围小于4 m。

渗水试验开始后，1号管内不同深度土壤含水率增大，其中深度1 m处黄土包气带土壤含水率达到最大值。随着时间推移，包气带土壤含水率最大值所处位置逐渐向下运移，且土壤最大含水率减小。

渗水试验开始后，1号管内不同深度包气带土水势能增大，其中深度1 m处黄土包气带土水势能最大，该处为零通量面。随着时间推移，包气带土水势能不断减小，而包气带零通量面位置则向下运移之后，重新向上运移到1 m处。受水分补给和排泄的影响，零通量面位置始终处于动态变化。

参考文献

[1]雷祥义. 陕西泾阳南塬黄土滑坡灾害与引水灌溉的关系[J]. 工程地质学报.1995, 01: 56-64.

[2]张茂省, 李同录. 黄土滑坡诱发因素及其形成机理研究[J].工程地质学报.2011, 04: 530-540.

[3]常立君, 张吾渝, 马艳霞. 非饱和土抗剪强度与含水率的关系研究[J].山西建筑. 2012, 22: 76-78.

[4]阿米娜·毛力提别克.沥青路面渗水问题及渗水试验方法探析[J].交通标准化.2014,04:106-108.

[5]李萍. 黄土中水分迁移规律研究[D]. 长安大学.2013.

The Research of Moisture Variation Based on Permeation Test in Aeration Zone of Loess Slope on ZhaiTou Village

QIANWei，WANGYu，GUAN Qing-hao

(School of Environmental Science and Engineering, Chang’anUniversity, Xi’an710054, China)

Abstract:The research on change characteristics of the aeration zone moisture variation is meaningful for prevention and control of southern Shanxi Jingyang Loess Plateau loess landslide. Through the field permeation test in situ, the soil volumetric moisture and soil water potential energy are measured at different catheters. Experimental results show that: the maximum value of aeration zone soil moisture gradually goes downward and the maximum moisture of the soil decreases over time; at the depth of 1 m in the aeration zone soil moisture reaches the maximum; moisture variation becomes smaller with depth.

Key words:Permeation test；aeration zone；soil moisture and soil water potential energy

[中图分类号]P642.22

[文献标识码]A

[文章编号]1004-1184(2016)02-0017-02

[作者简介]钱伟(1988-)，男，甘肃张掖人，在读硕士研究生，主攻方向：水资源、地下水与水环境研究。

[基金项目]国家重点基础研究发展计划(973计划)“黄土重大灾害成灾机理及灾害链演化规律”(2014CB744702)

[收稿日期]2015-12-14