黃土淺層降雨入滲規律研究

馬鵬輝, 彭建兵, 朱興華, 同 霄， 孟振江, 段 釗

(1.西部礦產資源與地質環境教育部重點實驗室, 陜西 西安 710054; 2.長安大學 地質工程與測繪學院, 陜西 西安 710054)

黃土淺層降雨入滲規律研究

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.西部礦產資源與地質環境教育部重點實驗室,陜西西安710054; 2.長安大學地質工程與測繪學院,陜西西安710054)

[目的] 探討黃土淺層降雨入滲規律，為研究降雨黃土滑坡機理提供理論參考。 [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測儀器，結合數值模擬手段分析入滲規律。 [結果] (1) 研究區淺層地表通過降雨入滲補給，蒸發排泄。降雨對土體含水量的影響主要體現在土體含水量對降雨的響應時間和響應程度上，存在一定的滯后性，并且隨著深度的增加滯后性越明顯，蒸發排泄對土體含水量的影響表現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作用影響越小。 (2) 黃土淺層土體含水量對降雨十分敏感，當降雨量<3 mm/d時，黃土淺層地表土體含水量基本不受降雨的影響，當3 mm/d<降雨量<40 mm/d時，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。 [結論] 由模擬不同工況下雨水入滲過程顯示，在雨水入滲過程中，淺層裂縫對降雨入滲深度影響很小，并且研究區黃土入滲深度有限。

黃土滑坡; 降雨; 現場監測; 數值模擬; 入滲規律

文獻參數： 馬鵬輝, 彭建兵, 朱興華, 等.黃土淺層降雨入滲規律研究[J].水土保持通報，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

中國黃土覆蓋面積約6.30×105km2，占中國陸地面積的6.63%[1]，黃土滑坡是黃土地區主要的地質災害。據不完全統計，截止2004年，僅僅甘肅省發生黃土滑坡多達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構和水敏性，降雨成為了其最主要的誘發因素之一。張常亮等[3]通過對延安市近20 a降雨量和發生黃土滑坡進行統計，發現雨季發生的滑坡占全年55.8%。徐張建等[4]通過統計涇陽南源蔣劉滑坡群的發生時間與降雨關系發現，1984年降雨量豐富，雨季長于往年，導致著名的涇陽南源蔣劉滑坡群同年復活，并且闡述了降雨黃土滑坡破壞機理：降雨導致黃土土體含水量增加，基質吸力減小，抗剪強度減小，穩定性降低進而失穩。正如范立民等[5]提出：由于黃土以粉質黏土為主，垂直節理發育而且松散，滲透性強，雨水入滲下去，經歷一系列的物理化學反應，原有土體的顆粒結構和化學成分發生變化，土體強度減弱而發生滑坡。為了研究這類滑坡的發生機制，很多學者做了現場入滲試驗。研究[6-9]表明，黃土地區降雨入滲深度有限，不會超過4 m。武彩霞等[10]通過在甘肅省黑方臺現場灌溉試驗和室內數值模擬，得出黑方臺黃土滑坡短期的灌溉并不能對地下水位形成有效的補給。而且王念秦與許領等[2,11]認為黃土表面在不完整的情況下，降雨才會沿著裂縫或是落水洞等優勢通道快速補給地下水，坡面完整的情況下，水運移是個漫長的過程，并且具有階段性。總體來說，關于黃土中降雨入滲過程爭議很多，而且表面徑流如何來補給地下水還是不明。為了了解降雨在黃土中的運移情況，掌握降雨黃土滑坡的致災機理，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測儀器，結合數值模擬手段，來探討黃土對降雨的響應情況，為研究降雨黃土滑坡機理提供一定的參考。

1 研究區概況

監測地位于陜西省吳起縣，地處西北黃土高原，由于近代強烈的構造運動下，區域經過多次的間歇性拱起，形成了現在的典型黃土堆積地貌。區內海拔1 233～1 809 m，屬于典型的半干旱溫帶大陸性季風氣候。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-25.8 ℃，最高溫度可達38.3 ℃。研究區境內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，結構較致密，其上為古土壤，暗紅色，含鈣質結合和菌膜，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、節理發育，表面為現代黃土，主要為植被層與耕作層[13-14]。

2 監測場地及儀器布置

場地位于吳起縣薛岔鄉大路溝滑坡老滑坡坡體上，滑坡后緣坐標：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，同時受到連續降雨的影響，大路溝滑坡于2007年復活，發生了整體的滑動，滑坡坡體上因耕作和變形破壞的原因，現呈多級臺階，各級臺階高差約2～4 m。中下部進行了削坡處理，開挖成11級臺階，臺階高度、寬度不等，縱坡度總體約30°。為了進一步了解降雨入滲規律，在大路溝滑坡第5臺階上布置了監測儀器。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。監測內容包括：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，在埋儀器的過程中發現挖到80 cm的時候裂縫消失，故把監測深度布置在20，40，80 cm(圖1)。在附近安裝漏斗式雨量計，記錄天然降雨量，通過GPRS無線傳輸，可以實時傳輸監測點數據[15]。

3 監測結果分析

大路溝的監測數據是從2012年8月25日至11月3日，共計68 d，對這個階段監測數據來分析含水量變化和對降雨的響應特征。圖2顯示的是監測場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該很高。但是因為監測儀器的監測頻率為每6 h采集一次數據，而降雨過程往往只有短短幾個小時，雨水沿裂縫下滲，裂縫20與40 cm處的含水量會出現短暫升高現象，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處的含水量又會迅速降低，故沒有監測到20與40 cm處土體含水量短暫的突升現象，監測到裂縫處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，這主要是因為，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，雨水補給率超過了土體的滲透率，出現了雨水聚焦效應，使得此處土體基本處于飽和狀態。因此，在裂縫80 cm處的含水量會較高。

圖1 監測儀器和土體體積含水量傳感器布設

圖2 各監測點含水量與降雨的關系

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，這是因為在黃土高原地區，降雨主要沿裂縫入滲補給地下水，而地區屬于半干旱地區，海拔較高，蒸發作用很大，黃土表層含水量會比下部較低。

降雨對含水量的影響主要體現在，土體含水量對降雨入滲的響應時間和響應程度上。從圖2可以看出，監測時間內，一共出現了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時間和程度具有明顯不同，無裂縫處20 cm的含水量響應最為敏感，降雨后，該處含水量隨之增加，而其他位置處的含水量響應欠敏感，但是在過了幾天后其他監測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，并出現急劇升高狀態，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，并且含水量較高。在經過30多天后，該處的含水量才出現衰減，且衰減速率較大。總體來看，各處含水量對降雨都有響應，但是響應情況則不同，降雨后，土體20 cm處含水量會響應較為敏感，其他位置會在隨后的幾天內開始響應，有一定的滲流響應滯后性。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。這因為土體在裂縫處較非裂縫處蒸發面積大，導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年提出達西定律同樣可以應用到非飽和帶水的運動，不考慮介質的體積變化量，同時在非飽和的流動中，水的密度變化不計，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；Ky(θ)—y方向的滲透系數；Kz(θ)——z方向的滲透系數；h——總水頭；θω——體積含水率；t——時間。

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與滲透系數函數K(θ)的確定

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

(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。

對試驗數據進行Van Genuehten模型擬合，得到a=16.477 59，n=1.463 43。

在室內進行原狀土滲透試驗，測得土體垂直向滲透滲透系數：0.184 03 m/d，同時結合以上結果，利用Van Genuehten[17]提出了統計傳導模型(4)，來確定土體非飽和滲透系數，結果詳見表1。

(4)

式中：Kr(ψ)——基質吸力為ψ的滲透系數與飽和滲透系數的比。

表1 黃土基質吸力及所對應的滲透系數

4.3 入滲模擬

黃土垂直裂縫發育，大型黃土滑坡普遍認為是降雨通過裂縫集中流入地下導致地下水位上升或是形成上層滯水而發生[18]，為了符合實際情況，模型大小選擇和實際情況一致，坡高6 m，坡底寬7 m，坡頂寬4 m，設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，求得初始基質吸力為-158 kPa，特設定8種工況(表2)，通過改變裂縫大小和數量來模擬，其他條件不變，依據已經監測到的降雨量，進行降雨滲流模擬。

表2 8種模擬工況裂縫參數

圖4顯示的是與實際情況對應的工況2的入滲結果，非裂縫處含水量取點分別為1，2，3，裂縫處為4，5，6(圖3)，可以看出與實際監測數據趨勢基本一致，降雨對土體含水量的影響主要體現在土體含水量對降雨入滲的響應時間和響應程度上，并且存在滯后性，并且隨著深度的增加滯后性越明顯。在對比中發現實際監測數據體積含水量與土體深度的變化成正相關，而模擬結果恰恰相反，計算中雖然采用的是實地黃土的相關物理特性參數，但是在模擬中未考慮蒸發因素，而土體水分蒸發是一種主要的能量交換過程，尤其在黃土高原地區，基本屬于半干旱地區，海拔相對較高，溫差大[19-21]，可以看出蒸發嚴重影響著研究區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，裂縫的大小與數量的變化，只是導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以內的土體水壓力發生變化，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。黃土地區裂縫在入滲中起著優勢通道的作用，引起地下水位抬升而誘發大量的黃土滑坡[22-23]，結合數值模擬結果我們可以從新來理解黃土優勢通道，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，此時裂縫在整個入滲過程中對深部土體含水量的影響很小，無法起到優勢作用，對邊坡穩定性基本沒影響； (2) 當裂縫貫入滯水層或是滲透性極低的古土壤層時，此時裂縫在入滲過程中就會起到優勢通道的作用，水通過裂縫迅速入滲并富積，軟化、泥化土體，致使黃土滑坡發生。

圖5 不同工況下第一次降雨后孔隙水壓力分布

5 結 論

(1) 黃土淺層土體含水量對降雨十分敏感，當降雨量<3 mm/d時，黃土淺層地表土體含水量基本不受降雨的影響，當3<降雨量<40 mm/d時，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。

(2) 研究區淺層地表通過降雨入滲補給，蒸發排泄，降雨對土體含水量的影響主要體現在土體含水量對降雨入滲的響應時間和響應程度上，并且存在滯后性，并且隨著深度的增加滯后性越明顯。蒸發排泄對土體含水量的影響表現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作用越小，而對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

國家基礎科學(973)發展計劃項目“黃土重大災害成災機理及災害鏈演化規律”(2014CB744702)； 國家自然科學基金項目(41402255)； 中央高校基本科研業務費(310826174001)； 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室開放基金項目(SKLGP2017K010)

馬鵬輝(1990—),男(漢族),河北省張家口市人,博士研究生,研究方向為地質災害及黃土災害鏈。E-mail:spawnkobe@163.com。