黄土中渗流水潜蚀特征研究

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1、灌溉排水学报２０１５年１０月第３４卷第１０期ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｒｒｉｇａｔｉｏｎａｎｄＤｒａｉｎａｇｅ文章编号：１６７２－３３１７（２０１５）１０－００３７－０３黄土中渗流水潜蚀特征研究赵跃中１，杨柳悦１，穆兴民２，３，严宝文１（１．西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌７１２１００；２．西北农林科技大学水土保持研究所，陕西杨凌７１２１００；３．中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨凌７１２１００）摘要：通过室内渗流槽模拟黄土渗流入渗试验，结合现代黄土自然堆积状态下非饱和均质特征，以黄土结构性参数和几何分形维数Ｄ为

2、指标，研究了黄土中渗流水的潜蚀作用。结果表明，地表水渗流改造后，黄土结构性参数和几何分形维数随着渗流锋推移深度的增加而逐渐增大；渗流湿润锋几何分形维数变化越快，土体结构受到的破坏、瓦解、重塑作用就越强烈；渗流曲线与地下水浸润曲线靠近时，存在明显的尖点接触现象，进而产生潜蚀破坏，形成黄土暗穴。关键词：潜蚀；接触模式；渗流水；黄土中图分类号：Ｐ６４１．２文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．１３５２２／ｊ．ｃｎｋｉ．ｇｇｐｓ．２０１５．１０．００８赵跃中，杨柳悦，穆兴民，等．黄土中渗流水潜蚀特征研究［Ｊ］．灌溉排水学报，２０１５，３４（

3、１０）：３７－３９．黄土潜蚀是在渗流水的作用下，土体中细颗粒在粗颗粒形成的孔隙通道中移动、流失的一种地质灾［１－２］害。由于黄土地层中构造节理、垂直节理的发育，存在地表水和地下水渗流优势通道。黄土是一种典型的分布较广的非饱和结构性土，入渗水通过黄土非饱和带垂直向下及水平扩散运动会引起黄土微结构乃至［４］［３］宏观结构的破坏与再造。分形理论是描述土壤结构及土壤渗流的有力工具。为此，以均质黄土试样为例，通过室内试验研究渗流湿润锋的形态分形维数（Ｄ）及其与土体结构性参数（ｍｐ）的关系，探索黄土渗流运动特征以及相应的黄土微结构塑造

4、和再造过程，黄土中垂直方向上渗流水在接触面附近的应纳方式。１材料与方法１．１试验装置与方法供试土样取自陕西杨凌渭河以北黄土台塬的第二级和第三级台塬上，取土深度３～５ｍ，属于Ｑ３黄土。土壤晾晒以达到设计含水率（１０％），过５ｍｍ筛后备用。取样时间分别为２０１２年１０月１５日、２５日。试验以渗流槽为主要研究工具，一定程度上降低了容器壁界面效应的影响。渗流装置为直径１００ｃｍ，槽高２００ｃｍ的半圆形渗流槽（见图１），下底封闭，上面开口，在距底部２０ｃｍ处均匀设置一排小孔，孔径４ｍｍ，间距２ｍｍ，小孔上部刻划有１ｃｍ×１ｃｍ的网格

5、，图１渗流装置方便在装置外直接观测读数，整个槽身由１ｃｍ厚的透明有机玻璃制成。装置主体置于水槽内。结合黄土地区地下水赋存的实际状况，在渗流槽下部装填２０ｃｍ厚砂砾石，并向水槽中注入２０ｃｍ清水，水槽中的水通过环绕渗流槽底部的小孔进入渗流槽，模拟自然地下水系统。在砂砾石上部装填１５０ｃｍ收稿日期：２０１４－０６－１５基金项目：国家自然科学基金面上项目（４１２７１２９５）作者简介：赵跃中（１９８８－），男，山西长治人。硕士研究生，主要从事水土环境利用与保护的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｕｅｚｈｏｎｇ．００８＠１６３．ｃｏｍ通讯作者：

6、严宝文。Ｅ－ｍａｉｌ：ｙａｎｂａｏｗｅｎ＠ｎｗｓｕａｆ．ｅｄｕ．ｃｎ３７筛分后的黄土，尽量保证其均质性。装填过程中利用土样颗粒重力自由筛分，模拟原始黄土自然堆积过程。装填好后取样测试其各自含水率和密实度，分别进行定量充分单点供水和充分多点供水２种供水方式下的非饱和黄土渗流试验，观测记录不同时间段的渗流前端湿润锋曲线纵、横坐标。渗流湿润锋下渗接近模拟地下水面时，逐步加密对湿润锋形态的观测频率，同时描述、记录底层黄土对地下水的向上吸渗形态及其分形特征。１．２分析方法试验结束后，取２０、４０、６０、８０、１００、１２０ｃｍ剖面处

7、土样，测定土体含水率、孔隙率，并换算得到土体孔隙比。计算黄土结构性参数（ｍｐ），ｍｐ＝ｅｙ／ｅｒｓ，其中ｅｙ为渗流水通过前原状黄土的孔隙比，ｅｒｓ指同一压力下渗流扰动后的饱和黄土孔隙比。将试验过程中记录的坐标导入ＡｒｃＧＩＳ，通过Ｈａｗｔｈ’ｓＡｎａｌｙｓｉｓＴｏｏｌｓ－ＬｉｎｅＭｅｔｒｉｃｓ工具对没有接触侧壁前的渗流湿润锋前端形态曲线计算各形态曲线的几何分形维数（Ｄ＝ｌｇｎ／（ｌｇｎ＋ｌｇ（ｄ／Ｌ）），其中，ｎ表示组成过程线的线段数，可用“过程线节点数－１得到（根据观测到的湿润锋曲线形态，ｎ取１２）；ｄ表示过程线起点到终

8、点的直线距离；Ｌ表示过程线总长度，即所有线段长度的累积。２结果与分析２．１土体结构性参数变化规律原状土和渗流水通过后，不同埋深处黄土结构性参数如表１所示。从表１可以看出，渗流入渗后，黄土土体孔隙率明显减小，即渗流对原始黄土土体有一定的“排气”和“压密”效应。随着湿润锋距离的推进，愈往下土体孔隙体积的减小