| 标题 | 焦作山前倾斜平原大孔隙黏性土渗透试验研究 |
| 范文 | 任云峰++刘曙光++闫汝华 摘要：通过对大孔隙黏性土不同渗透试验方法的对比研究发现：大孔隙黏性土渗透系数具有明显的各向异性特征。试坑单、双环注水试验结果为规程SL 237-1999渗透试验方法测得渗透系数的100倍，是大型试坑渗水试验所测结果的几倍至十几倍。通过改变制样方法消除土样的涂抹效应，削土刀与环刀呈30°角改为近直角切土，改进后的室内渗透系数与试坑单、双环注水试验具有较好的一致性。 关键词：渗透系数；大孔隙黏性土；试坑渗水试验；尺寸效应；涂抹效应 中图分类号：TU414文献标志码：A文章编号：16721683（2015）002002204 土壤中大孔隙普遍存在，其成因主要有动物孔隙、植物根孔、裂隙和地下水流侵蚀等。大孔隙是个相对概念，不同学者根据研究需要划分的标准不同。国外不少学者根据土壤导水率为1～10 mm/h的土定义为大孔隙土。Jarvis[1]总结了过去25 a的研究成果，建议将直径大于03～05 mm的孔隙定义为大孔隙。国内学者石辉等[2]定义的大孔隙半径范围为02～3 mm，[JP]时忠杰等[3]定义的半径为04～23 mm。 土壤孔隙中的水流运动是重办、毛管力、黏滞力、惯性力共同作用的结果。由于大孔隙中毛管力相对较弱，重力作用相对较强，土壤大孔隙导水率可达到102 cm/s量级。国外学者最近40 a对土壤中优先流的概念、分类、成因、及计算分析模型的研究文献很多，Wheatcraft[4]证实当大孔隙中薄层水流厚度超过1 mm时，流动类型为紊流。国内学者冯杰、解河海等[5]对土壤大孔隙流机理进行了系统研究，并提出了产汇流模型。大量研究表明，在埋深2～3 m以内土层大孔隙流占主导地位，随地下水埋深增大，其所占比例呈递减趋势。周中、傅鹤林等[6]和徐杨、高谦[7]等均对土石混合土渗透性试验进行了研究，提出了土石混合体渗透系数测试方法和其与平均粒径、不均匀系数之间的关系。前人研究主要集中在地表浅层土壤大孔隙特征、大孔隙流运动机理与渗流模型和大孔隙流的存在对地下水环境和地表产汇流的影响，或对大孔隙粗粒土渗透性试验研究也较多，对深部大孔隙黏性土渗透系数测定方法研究鲜见。 焦作山前倾斜平原地表下0～2 m大孔隙性黏性土，根孔发育，且多为竖向；[JP+1]虫孔一般发育，多为近水平向，孔径一般为2～3 mm，发育密度较小。2～10 m大孔隙多为地下水在洪积扇与平原过渡带处上升溢出地面过程中侵蚀而成，直径一般01～03 mm，少量孔径大于03 mm，平均约02 mm，各个方向均有发育，发育密度较上部根孔大，定向性不强。 研究表明，[JP]当地下水实际渗透流速小于1 000 m/d时均为层流，地下水运动规律符合达西渗流定律。本文所研究大孔隙黏性土所测渗透流速均小于该标准，因此本文大孔隙黏性土的渗透性研究均采用基于达西定律的现行各种试验方法。通过对2 m以下大孔隙黏性土室内渗透试验、试坑单、双环注水试验和大型试坑渗水试验等测试方法开展研究工作，对比分析了不同试验结果，定性分析了引起不同结果的原因，指出了不同渗透试验的尺寸效应和涂抹效应的影响，提出了大孔隙黏性土室内制样的改进方法。 1工程地质条件 [JP+1]研究区位于焦作市区西南部，地貌为山前冲洪积倾斜平原，地形平坦、开阔，地面坡度1‰～3‰。地面以下15 m土层均为第四系全新统地层冲积物（Q4al），主要岩性为重粉质壤土夹轻粉质壤土、砂壤土薄层或透镜体，底部为细砂和砂砾石层。重粉质壤土（Q4al），上部褐黄色、浅灰、灰黄色，可塑-硬塑。下部灰黑色、灰黄色、灰褐色，可塑-硬塑，偶见钙质结核，核径1～3 mm，层厚88～121 m，均厚1052 m。场区地下水为潜水，赋存于砂砾石、细砂层和上部粉质壤土中，[JP]勘察期间潜水埋深约70 m。重粉质壤土物理性质见表1。 2.2改进制样方法的室内渗透试验 本文在竖井内对植物根系发育的土壤层以下至水位以上（2～6 m）土层采取4块方块样，边长为20 cm。室内制样过程中对渗透试验环刀两端预留1 cm土，然后用乱刀垂直下切薄层（小于5 mm）剥离，局部采用钢针进行了挑毛后清理土屑，以保持土样原有孔隙的通透性，见图1和图2。然后对各土样进行了常规物理性试验和渗透试验。各土样水平、垂直渗透试验结果统计见表3。 角切土，切土过程对黏性土的涂抹现象，堵塞了环刀土样上 下表面大孔隙。（2）大孔隙黏性土竖向渗透系数约为水平向渗透系数的6倍，说明该类土中大孔隙主要因地下水在洪积扇前缘和平原过渡带处上升、溢出地面过程中水流侵蚀而成，因此竖向渗透系数明显大于水平向渗透系数，属中等透水性；而区别于平原区冲积、湖成因黏性土水平向大于竖向渗透系数且属弱-微透水性的一般规律。 3试坑单、双环注水试验 根据规程SL 345-2007[9]的规定，考虑大孔隙黏性土特点，孔隙流为主要受重力流影响，毛细力影响次之，本文采用了单、双环注水试验。注水试验均在大型试坑内进行，试验深度为20～30 m，岩性为重粉质壤土，单环直径25 cm，高度20 cm。现场单、双环注水试验见图3和图4。 图3大孔隙黏性重粉质壤土 图4大孔隙黏性重粉质壤土单环注水试验 本文共做单、双环试坑注水试验18组，根据规程渗透系数计算公式3.3.2式和4.3.2式求得单环和双环试坑土层渗透系数，各成果统计见表4。 K=[SX（]16.67Q[]F[SX）][JY]（2） K=[SX（]16.67Qz[]F（H+z+0.5Ha）[SX）][JY]（3） 式中 K为试验土层的渗透系数（cm/s） ；Q为内环注入流量（L/min） ；F为内环的底面积（cm2）；H为试验水头（cm）；Ha为试验土层的毛细上升高度（cm）；Z为从试坑底算起的渗入深度（cm）。 表4单、双环试坑注水试验成果统计[HJ0] [HTSS][JY，1]cm/s[HJ] [BHDFG1*2，WK7，WK9，WKW][HT6] 试验方法[]单环注水[]双环注水 [BHD]样本数/个[]12[]6 [BHDW]综合渗透系数[]3.2×103～2.0×102[]1.3×103～3.2×103 [BH]平均值[]9.6×103[]2.4×103 [HT][HJ*5/6][BG）F][HJ] 由单、双环注水试验成果知，单环试坑注水所测综合渗透系数大于双环试坑注水试验所测竖向渗透系数，前者约为后者的4倍。 4大型试坑渗水试验 试坑法[8]渗水试验测定大孔隙黏性土渗透系数是野外测定包气带非饱和岩（土）层渗透系数的简易方法。 4.1试验方法 在表层干土中挖一试坑，坑底要高出潜水位3～5 m。向试坑内均匀注水，使试坑中的水位始终高出坑底一定高度。在坑底设置标尺，以观测坑内水位。装置示意图见图5。 图5试坑法装置示意图 4.2试验原理 测定单位时间试坑注入的水量Q，当试坑四周防渗时，F=L×B，当坑壁四周无防渗措施时 F=（L+2z）×（B+2z）[JY]（4） 平均渗透速度[WTB1X]v[WTBX]=Q/F，当坑内水柱高度不变时，可以认为水头梯度近于1，因而K=[WTB1X]v[WTBX]。这种求解方法由于受侧向渗透的影响较大，所测综合渗透系数精度稍差。当试坑足够大时，侧渗影响将可以忽略不计，这些所测渗透系数基本可认为是竖向渗透系数。 式中 K为试验土层的渗透系数（cm/s） ；Q为试坑注入流量（L/s）；Z为试验水深（cm）；H为试坑深度（cm）； 4.3试坑渗水试验成果与分析 本文设计大型试坑3个，其中1号、2号试坑规模较小，水深较小。3号坑尺寸和试验水深均远大于前三个试坑。现场试坑渗水试验见图6和图7。 图62号试坑 图73号试坑 3号超大型试坑渗水试验能较好的模拟实际工程的渗漏条件，所测成果可较好反映测试试验土层的综合渗透系数。本文试验对上部根孔、虫孔发育的上部土壤层均未作测试土层，以排除试验数据的离散性，各试坑渗水试验测试时间为8 h。各试坑尺寸及注水试验结果见表5。 表5试坑渗水试验结果 [BHDFG3，WK2*2，WK9，WK2*4，WK4*4，WK3*2，WKW] [HT6][HJ*4]试坑序号[HT][] [ZB（][BHDG1*2，WKW][HT6]试坑尺寸（长、宽、深）[HT][BHDG1*2，WK3。2，WKW] [HT6]L/cm[]B/cm[]h/cm[ZB）][] z/cm[]F/cm2[]Q/（L[KG-*2]·[KG-*4]s1）[]K/（cm·s1）[HT] [BHDG1*2，WK2*2，WK3。3，WK2*4，WK4*4，WK3*2，WKW][HT6]1号[]270[]150[]190[]110[]1.81×105[]112.5[]6.2×104 [BHDW]2号[]210[]160[]260[]115[]1.72×105[]102.7[]6.0×104 [BH]3号[]4 900[]2 900[]630[]370[]2.05×105[]5 762.9[]2.8×104[HT][HJ1][BG）F][HJ] 由上述试验结果知，三个试坑渗水试验测得大孔隙黏性土综合渗透系数为28×104～62×104 cm/s。1号、2号试坑渗透系数基本一致，略大于3号试坑所测渗透系数。根据现场观察和分析，渗透系数随深度增大而减小的主要原因为大孔隙发育随深度增大而减弱。 44四周防渗试坑渗水试验 为研究试坑渗水试验法测大孔隙黏性土竖向渗透系数，对1号试坑（27 m×15 m×19 m）底部试验用砾石进行了清理后，采用塑料薄膜进行铺盖，上面压10 cm黏性土捣实后铺砾石10 cm，试验结果见表6中试验2。试验2测得试坑周壁每秒渗入量为1575 L，与无铺盖试验1渗入量之差为试坑底部渗入量。由上两试验结果可求四周防渗的试坑渗水试验综合渗透系数。[FL）] 表6试坑渗水试验结果 [BHDFG3，WK3，WK3，WK12，WK4，WK5。2，WK4，WK5，WK6，WKW] [HT6][HJ*4]试验土层[]试验序号[HT][] [ZB（][BHDG1*2，WKW][HT6]试坑尺寸（长、宽、深）[HT][BHDG1*2，WK4。2，WKW] [HT6]L/cm[]B/cm[]h/cm[ZB）][] z/cm[]F/cm2[]F′/cm2[]F/F′[] q/（L·s1）[]K/（cm·s1）[] 备注[HT] [BHDG1*2，WK3，WK3，WK4。3，WK4，WK5。2，WK4，WK5，WK6，WKW] [HT6]1[]②层[]270[]150[]190[]110[]4.05E+4[]1.81 E+5[]0.22[]112.5[]6.2E-4[]底部无铺盖 [BHDW]2[]②层[]270[]150[]190[]110[][]1.41E+5[]0.29[]15.75[]1.1E-4[]四周渗水 [BH]*3[]②层[]270[]150[]190[]110[]4.05E+4[][][]96.75[]3.9E-4[]底部渗水 [HT][HJ*3][BG）F] [HT6”SS]注：“*”号试验成果为间接求得[HT][HJ1][HJ] [FL（K2] 由该试验结果可知，试坑底部渗水试验结果比全试坑渗水试验结果小，与超大型试坑试验结果接近。研究表明，四周防渗试坑渗水试验法可较好的消除试坑侧壁水平渗漏引起的小型试坑渗水试验的尺寸效应。 5结论与建议 5.1结论 （1）焦作山前倾斜平原大孔隙粘性土渗透系数具有各向异性，竖向渗透系数明显大于水平向渗透系数，前者约为后者的6倍。 （2）改进制样方法可有效的减小原制样方法形成的土样表面涂抹现象；改进制样方法的室内渗透试验所测方块样渗透系数约为钻孔岩芯样渗透试验方法所测渗透系数的100倍。误差主要由土样的挤密和涂抹效应引起。 （3）单环试坑注水所测综合渗透系数大于双环试坑注水试验所测竖向渗透系数，前者约为后者的4倍。试坑双环注水试验与改进渗透试验所测渗透系数相近。 （4）双环注水和室内试验所测渗透系数约为试坑渗水试验所测渗透系数的几倍至十几倍，原因为试坑渗水试验渗透影响深度大，受大孔隙黏性土内轻粉质壤土、砂壤土夹层影响，反映的是多层土的综合渗透系数。 5.2建议 建议对该类土采取试坑或竖井取样方法，并采取消除制样过程中的涂抹效应措施测量其渗透系数。进一步开展小型试坑渗水试验尺寸效应的研究。[HJ2.05mm] 参考文献： [1]Jarvis N J.A review of nonequilibrium water flow and solute transport in soil macropores：principles，controlling factors and consequences for water quality.Euuropean Journal of Soil Science，2007，58：523546. [2]石辉，王峰，李秧秧.黄土丘陵区人工松油林地土壤大孔隙定量研究[J].中国生态农业学报，2007，15（1）：2832. [3]时忠杰，王彦辉，徐丽宏.六盘山典型植被下土壤大孔隙特征[J].应用生态学报，2007，25（2）：541547. [4]Dragila M I，Wheatcraft S W.Free surface films.In：Conceptual Models of Flow and Transport in the Fractured Vadose Zone.Washington DC：National Research Council，National Academy Press，2001：217241. [5]冯杰，解河海，黄国如，等.土壤大孔隙流机理及产汇流模型[M].北京：科学出版社，2012. [6]周中，傅鹤林、刘宝琛，等.土石混合土渗透性能的试验研究[J].湖南大学学报，2006，33（6）：2528. [7]徐杨，高谦，李欣，等.土石混合土渗透性现场试坑试验研究[J].岩土力学，2009，30（3）：855858. [8]SL 237-1999，土工试验规程[S]. [9]SL 345-2007，水利水电工程钻孔注水试验规程[S]. |
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