楊柳悅，嚴(yán)寶文，2

（1．西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌712100；2．旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌712100）

在我國地表水資源相對貧乏的干旱、半干旱黃土地區(qū)，地下水資源具有不可替代的作用［1－3］。在地下水資源的形成過程中，入滲水會對地下巖土體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成潛在危害，而這種危害在土層深厚而滲透性能良好的黃土地區(qū)的作用不容忽視［4－6］。結(jié)合黃土本身的成分和結(jié)構(gòu)特點，滲流水對原始均質(zhì)黃土具有強烈的結(jié)構(gòu)破壞和結(jié)構(gòu)再造作用，可以說，現(xiàn)代黃土所具有的結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性很大程度上是地質(zhì)歷史時期滲流水不斷入滲作用的結(jié)果［7－9］。在與地下水系統(tǒng)接觸時，也會在接觸面附近產(chǎn)生明顯的化學(xué)溶蝕和機械沖蝕作用。此外，黃土高原地區(qū)大多黃土體地質(zhì)災(zāi)害如滑坡、黃土洞穴、地裂縫等與降雨和地表水的下滲和潛蝕有著密切關(guān)系［10］。因此，研究黃土中滲流水滲透運動特征就具有十分的必要性。

水分在土體中的運動是目前土壤水和地下水研究中的重要課題之一。入滲水通過黃土非飽和帶垂直向下及水平擴(kuò)散運動會引起黃土微結(jié)構(gòu)乃至宏觀結(jié)構(gòu)的破壞與再造。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，在均質(zhì)黃土層中，滲流水的垂向滲透性能和水平擴(kuò)散性能差異明顯，隨入滲時間的增加，濕潤鋒形態(tài)將發(fā)生扭曲，其結(jié)果是局部水分呈柱狀流動，即出現(xiàn)指流［11－15］。但以往的研究較少涉及滲流水在運動過程中對黃土結(jié)構(gòu)的塑造與破壞再造，以及垂向滲流與土體結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，而進(jìn)一步利用這一成果為地下水資源利用、地下水潛蝕作用機理研究也并不多見，為此，本研究以均質(zhì)黃土試樣為例，采用滲流槽試驗裝置研究滲流水的運動特性與土體結(jié)構(gòu)性參數(shù)mp間的關(guān)系，探討黃土的滲流運動特征以及相應(yīng)的黃土微結(jié)構(gòu)塑造和再造過程，為黃土地下水運動參數(shù)的確定、地下水滲流潛蝕作用機理探究提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗設(shè)計

取地下埋深2～3m處的黃土，基本晾干（含水率≤10%）后過5mm篩，之后裝填土樣。裝樣過程中，在滲流槽底部首先裝填20cm的沙子，之后裝填篩分過的土樣。土樣直接裝填，利用顆粒重力自由篩分，模擬原始黃土的堆積過程。土樣裝填150cm之后，在供水口對應(yīng)處附近覆蓋3cm左右的沙子，防止供水時在供水口對應(yīng)處引起沖刷。

采取定流量單點和多點供水的供水方式，供水開始后，按照不同的時間間隔觀測、記錄繪制滲流前端浸潤鋒的形態(tài)。上述操作過程中，還需向下部水槽中加水，模擬地下水的向上浸潤過程，同樣觀測、記錄繪制前端浸潤曲線的形態(tài)。在上下濕潤鋒交會后，觀察垂向滲流與地下水接觸瞬間的接觸面形態(tài)，實驗結(jié)束，停止計時。

實驗開始前，取土樣進(jìn)行含水率、干密度、孔隙率等的測定。結(jié)束后，取20，40，60，80，100，120cm 處的土樣進(jìn)行含水率的測定，其中40，80，120cm處的土樣仍進(jìn)行干密度、孔隙率的測定。

2 研究方法

2．1 室內(nèi)試驗、觀測

本研究的主要方法是室內(nèi)模擬試驗，主要裝置是兩個直徑1m，高度2m的小型滲流槽，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

進(jìn)行室內(nèi)模型試驗時，兩個滲流槽分別采取單點和多點充分供水的供水方式，通過觀測網(wǎng)格按照不同的時間間隔觀測、記錄繪制滲流前端浸潤鋒的形態(tài)，量算滲流的垂向和水平運動速度。同時，滲流槽底部20cm裝填砂礫石層并有外圍水槽供模擬地下水含水層，以便觀察垂向滲流與地下水接觸瞬間的接觸面形態(tài)及地下水系統(tǒng)對滲流的迎納模式。試驗中和結(jié)束后，分別以洛陽鏟采取土樣測定其含水量和孔隙率以計算黃土土體結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖1 實驗裝置圖

2．2 黃土結(jié)構(gòu)參數(shù)

試驗過程中，需不斷采取滲流區(qū)內(nèi)的黃土試樣，對其含水率、結(jié)構(gòu)性參數(shù)和黃土微結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行檢測。本研究選用陳存禮等［16］以壓縮試驗為基礎(chǔ)，用同一壓力下原狀黃土與擾動飽和土的孔隙比ey，ers之比來表示的結(jié)構(gòu)性參數(shù)，其表達(dá)式為：

式中：ey——壓縮性試驗中原狀黃土的孔隙比；ers——同一壓力下滲流擾動后的飽和黃土孔隙比。

3 結(jié)果與分析

試驗共進(jìn)行了三組，第一、二組都包括單點和多點清水充分供水實驗，第三組為一次單點供水實驗，試驗結(jié)果從以下3個方面進(jìn)行分析。

3．1 縱向滲透速度與橫向滲透速度

因多點供水條件下，浸潤曲線較早接觸邊壁，可測得的橫向速度點較少，不足以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，因此這一項分析以單點供水測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。三次單點清水供水條件下的縱向滲透速度與橫向滲透速度關(guān)系見圖2。

由圖2可知，對于模擬原始狀態(tài)的堆積黃土而言，滲流水的橫向滲透速度與縱向滲透速度具有明顯的直線關(guān)系，而滲流縱向速度大于橫向速度，由此可推理，在這樣的長期作用下，土層的縱向通道將成為下滲水的優(yōu)先通道而越來越發(fā)達(dá)，而橫向通道則發(fā)育較緩慢，這一結(jié)論在一定程度上解釋了現(xiàn)今黃土縱向垂直節(jié)理發(fā)育，而水平方向裂隙走向各異，難以形成主導(dǎo)滲流方向的事實。但值得注意的一點是，雖然滲流水縱向速度比橫向速度大，但尚未達(dá)到現(xiàn)在普遍認(rèn)為的縱向滲透速度比橫向速度大十幾倍的程度，只是在1～4倍之間變動，說明滲流水的橫向擴(kuò)散在現(xiàn)代黃土的結(jié)構(gòu)生成中也起著不可忽視的作用。

圖2 不同組單點供水的縱向速度與橫向速度

3．2 黃土結(jié)構(gòu)參數(shù)與縱橫向滲流速度比的關(guān)系

對比三組3個單點供水情況下，濕潤鋒通過40 cm處后的黃土結(jié)構(gòu)參數(shù)mp值，分別是1．22，1．11，1．12，計算滲流水經(jīng)過40cm位置前的縱橫速度比，得到圖3。由圖3可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)mp值較大時，縱向、橫向滲流速度比值直線的斜率較大，也即是說縱向、橫向滲流速度比比值越大，mp值越大，相對于原狀土樣，土體的原有結(jié)構(gòu)破壞越明顯?？v向滲流速度是現(xiàn)今黃土縱向節(jié)理發(fā)育的主要原因，縱向滲流速度大于橫向滲流速度越突出，黃土原始結(jié)構(gòu)破壞、新結(jié)構(gòu)重塑作用越顯著。

3．3 縱向滲透速度與黃土結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系

由公式（1）計算得到黃土結(jié)構(gòu)參數(shù)（mp），如表1所示。

圖3 不同組單點供水下的縱向、橫向滲流速度比

表1 黃土縱向滲透速度與結(jié)構(gòu)參數(shù)

由表1可以看到，隨著埋深距離的加深，縱向滲透速度呈減小趨勢，而結(jié)構(gòu)參數(shù)mp呈增大趨勢?？v向滲透速度減小的主要原因有兩個，一個是隨著滲流水的不斷向下運動，因水流通過距離加長，接觸土體顆粒越來越多，受顆粒吸附作用加強，導(dǎo)致進(jìn)一步向

下運動速度減慢；另一個原因是隨著水流向下運動，橫向擴(kuò)散面積加大，下行通道中的水流減少，滲流水的下行運動受到影響。

為進(jìn)一步探究縱向滲透速度與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，做縱向滲透速度與mp的關(guān)系圖（圖4）。

結(jié)構(gòu)參數(shù)mp反映的是相對于原狀土樣，經(jīng)過滲流擾動后飽和土樣孔隙比的變化或者黃土原結(jié)構(gòu)的破壞變化程度，隨著滲流水的下滲，伴隨著黃土的增濕塌陷，下層土體孔隙被壓縮，導(dǎo)致孔隙比變小，表現(xiàn)出來的就是，mp的數(shù)值的從上到下越來越大，也就是隨著滲流水的運動，對黃土結(jié)構(gòu)的破壞、塑造作用愈加強烈。但從圖4中看到的是，大的滲流速度下反而對應(yīng)小的結(jié)構(gòu)參數(shù)mp，似乎與理論上認(rèn)為的流速越大，對土體結(jié)構(gòu)破壞、塑造作用越強相矛盾，但實質(zhì)上：滲流水的下滲很大程度上是以走滲流通道的形式實現(xiàn)的，那么大的滲流速度勢必會對通道附近的土體產(chǎn)生強烈的侵蝕、破壞、重塑作用，但取出的土試樣中只有很小的一部分是屬于滲流通道附近的，不足以影響結(jié)構(gòu)參數(shù)mp整體較小的事實。

圖4 不同組的縱向速度與結(jié)構(gòu)參數(shù)

4 結(jié) 論

本研究以滲流槽替代土柱作為主要研究工具，采用室內(nèi)試驗方法測定土壤含水率并繪制滲流前端濕潤鋒曲線，進(jìn)而計算土體結(jié)構(gòu)參數(shù)mp和滲流的總橫向速度。得到結(jié)論如下：

（1）原始黃土中，滲流水在滲透過程中，縱向滲透運動速度大于橫向速度1～4倍，詮釋了現(xiàn)代黃土縱向垂直節(jié)理發(fā)育，水平方向裂隙走向各異的事實。同時，滲流水對原始的風(fēng)成均質(zhì)黃土有強烈的結(jié)構(gòu)再造和結(jié)構(gòu)破壞作用，現(xiàn)代黃土所具有的結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性很大程度上是地質(zhì)歷史時期滲流水不斷作用的結(jié)果。

（2）縱向、橫向滲流滲透速度比值與黃土結(jié)構(gòu)參數(shù)有明顯的關(guān)系，該比值大，對應(yīng)的黃土結(jié)構(gòu)參數(shù)大，則對黃土結(jié)構(gòu)的破壞、重塑作用強。

（3）隨滲流水的向下擴(kuò)散，由于滲流通道的加長和橫向擴(kuò)散面積的加大，滲透速度逐漸減小，而結(jié)構(gòu)參數(shù)mp則越來越大，原因是滲流水的下移，伴隨著黃土的增濕塌陷，下層土體孔隙被壓縮，導(dǎo)致孔隙比變小mp，也就是隨著滲流水的運動，對黃土結(jié)構(gòu)的破壞、塑造作用愈加強烈。

同時，垂向滲流與地下水接觸瞬間的接觸面形態(tài)、地下水系統(tǒng)對滲流水垂向滲流的迎納模式也是本試驗的研究內(nèi)容，限于篇幅，本文不做進(jìn)一步的深入分析，但就目前的觀測結(jié)果而言，當(dāng)垂向滲流濕潤鋒與地下水浸潤曲線較接近時，存在著明顯的相互吸引和尖點接觸現(xiàn)象，將另撰文展開進(jìn)一步的分析論述。

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