黑方台黄土的水力特性研究_周跃峰

摘 要： 由于长期农业灌溉，在甘肃黑方台地区的黄土塬边发生了严重的滑坡灾害。针对 以上问题，本文选取黑方台黄土作为研究对象。首先，测试了该地区黄土的基本物理性质，在 此基础上，重点研究了该地区黄土的水力特性。一方面，通过在现场开展双环注水试验，测得 了不同位置的渗透系数，另一方面，利用原状土样，开展了增减湿循环条件下的土水特征曲线 测试。将实验室测得的原状黄土土水特征曲线离散点，利用 MATLAB 实现了参数拟合。结合 黄土的微观结构特性，对黄土的渗透系数和土水特征进行了进一步讨论。结果表明，虽然该黄 土具有粉土的颗粒级配，但是其结构特性使其表现出较高的渗透系数和较低的进气值。
图 1 黑方台桥头滑坡（ 摄于 2010 年 5 月） Fig． 1 Qiaotou landslide in Heifangtai （ photo
taken on May，2010）
灌溉入渗问题是黄土地区滑坡频发的外部环 境因素，而黄土的工程性质则为其内在因素。作为 环境岩土工程学科与工程地质学科的交叉研究领 域，黄土被视为非饱和土与特殊土力学的重要研究 对象。在开展非饱和土渗流分析时，土水特征曲线 和渗透系数函数是非饱和土水力特性最基本的两 个方面。栾茂田［5］、孙德安［6］等分析了孔隙比、密 实度、干密度等对土-水特征曲线的影响，提出孔隙 结构是其重要影响因素。CWW Ng［7］，龚壁卫［8］等 研究了应力状态、干湿循环、结构破坏等因素对土水特征 曲 线 的 影 响。根 据 饱 和 渗 透 系 数，Nguyen［9］，Fredlund［10］，Leong［11］ 等 分 别 提 出 了 不 同 的 渗透系数函数，在工程和科研领域均有较广泛的应 用。然而，针对非饱和原状黄土的水力特性开展的 研究仍较为有限。本文以甘肃黑方台为研究背景， 在对该区黄 土 滑 坡 进 行 野 外 调 查 的 基 础 上［12］，以 原状黄土为研究对象，通过室内试验和原位测试， 开展了该黄土的物理和水力特性研究。
第 11 卷 第 2 期 2015 年 4 月
地下空间与工程学报 Chinese Journal of Underground Space and Engineering
Vol． 11 Apr． 2015
*
黑方台黄土的水力特性研究
周跃峰1，2 ，韩鸿胜3
（ 1． 长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010； 2． 香港大学 土木工程系，香港 999077； 3． 天津水运工程科学研究院 交通运输部工程泥沙重点实验室，天津 300456）
坑，修平坑底并确保试验土层的结构未被扰动； （ 3） 在注水试坑中放入直径分别为 0． 25 m 和
0． 50 m 的两个铁环，两环按同心圆方式压入坑底， 压入深度为 0． 08 m；
（ 4） 用坑底土粉将环-土接触缝隙密封压实以 防止水的渗漏；
（ 5） 在内、外环底部铺上厚 2 ～ 3 cm 的细砂作 为注水时的缓冲层以避免冲蚀；
在实验室内按照规范 BS1377［13］，采用比重瓶 法测得黄土比重为 2． 7，采用落锥法测得该黄土液 限为 26． 5% ，采 用 搓 条 法 测 得 该 黄 土 液 限 为 18. 3% 。该黄土的物理指标参数概括详见表 1。
表 1 黑方台黄土的基本物理性质指标 Table 1 Physical properties of the tested loess
8． 4 × 10 － 6
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地下空间与工程学报
第 11 卷
图 3 黄土干密度曲线 Fig． 3 The dry density curves of the loess
3 渗透系数
3． 1 概述 参照《水利水电注水试验规程》［14］在 现 场 开
展双环注水试验。由于当地野外试验条件恶劣且 黄土的渗透系数较高，如采用规程建议的流量瓶， 则存在频繁更换的问题。故本试验中，采用量筒分 别向内外环内注水并记录体积（ 图 4） 。
壁。为尽可能减小试样扰动，首先，清除表土层土 体约 1 m3 ，然后切割出边长 0． 3 m 的块状土样。 用土工刀将块状土样小心削成长度 0． 22 m，直径 0． 15 m 的柱状土样，并放入按该尺寸定制的试样 盒中。试样盒侧壁及顶盖之间的空隙用土粉充填， 在现场用保鲜膜及胶带密封。土样装箱后，将箱内 填满锯末减震缓冲，运回实验室后立即蜡封，在实 验室内按照照试验目的取原状或扰动土样使用。 2． 2 原位密度
关键词： 滑坡； 黄土； 非饱和土； 渗透系数； 土水特征
中图分类号： P642． 3
文献标识码： A
文章编号： 1673-0836（ 2015） 02-0388-05
Study on the Hydraulic Properties of Heifangtai Loess
Zhou Yuefeng1，2 ，Han Hongsheng3
2 取样和物理性质测试
2． 1 取样 试验所用土样取自黑方台一典型黄土滑坡后
图 2 黄土颗粒级配曲线 Fig． 2 The particle size distribution curves of the loess
2． 4 压实试验 在实验室内按照规范 BS1377［13］开 展 压 实 试
验，测得 6 个不同含水率下的干密度，如图 3。根 据实验结果可得该黄土最大干密度 1． 85 × 103 kg / cm3 ，最优含水率为 14． 8% 。 2． 5 其 它
2015 年第 2 期
周跃峰，等： 黑方台黄土的水力特性研究
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肃省的黑方台、临夏、会宁、高兰、河西等多个地区 都有广泛报道［1 ～ 3］。
黑方台是其中一个最为典型的代表。黑方台 位于兰州市以西约 70 km，地处甘肃省永靖县盐锅 峡、八盘峡库区。黑方台属黄河 4 级阶地，台面海 拔 1 700 m 左右，台面总面积 13． 7 km2 。20 世纪 60 年代末期，为了安置刘家峡、盐锅峡水库区的移 民，在黑方台建成了提水灌溉工程。自 1968 年人 工提取黄河水源进行大规模的农田灌溉以来，虽然 农业生产产量有所提高，但同时造成台面大面积强 烈湿陷，水利设施普遍破坏，台缘大规模的滑坡接 连不断，形成密集的滑坡群［4］。在过去数十年里， 黑方台地区的滑坡频率不断提高，规模不断扩大， 滑距不断增加。自引水灌溉以来，发生了至少 70 次滑坡［3］。滑坡灾害已经成为影响当地人民生命 和财产安全的重大问题，近年来在国内工程地质界 和黄土学界受到了广泛重视。图 1 为著名的黑方 台桥头 2 号滑坡，呈圈椅状，滑距约为 400 m。
（ 1． Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Ｒesources，Yangtze Ｒiver Scientific Ｒesearch Institute，Wuhan 430010，P． Ｒ． China； 2． Department of Civil Engineering，The University of Hong Kong，Hong Kong 999077，P． Ｒ． China； 3． Key Laboratory of Engineering Sediment of Ministry of Transport，Tianjin Ｒesearch Institute for Water
按交通部 JTJ051—93 标准选取标准砂，采用沙 锥法通过灌沙在现场测定黄土的天然密度为 1. 45 × 103 kg / m3 ～ 1． 55 × 103 kg / m3 ，然后装入密封袋带回 实验室烘干并测定干密度为 1． 38 × 103 kg / m3 。 2． 3 颗分试验
现场目测黑方台黄土为粉质土，颗分测试按照 规范 BS1377［13］，采用筛分法与沉降法（ 移液管法） 联合测试。试验土样选取 4 m 与 15 m 两个代表深 度，测试结果如图 2 所示。根据颗分试验结果，在 两个代表深度黄土粒径较为一致。该黄土粒组成 分以粉粒组成为主，粘粒和砂粒含量较低。
1引言
我国西部黄土台塬地区干旱少雨，引水灌溉是
其农业生产的重要保障。在我国农田水利事业蓬 勃发展的同时，灌溉入渗在黄土塬边诱发了严重的 滑坡灾害。在陕西省的泾阳、白鹿原、华县，以及甘
* 收稿日期： 2014-11-15（ 修改稿） 作者简介： 周跃峰（ 1982-） ，男，山西侯马人，博士，工程师Байду номын сангаас主要从事滑坡灾害研究，非饱和土、黄土试验研究。 E-mail： zhouyuefenghku@ gmail． com 基金项目： 香港研究资助局资助项目（ HKU7140 /08E）
Transport Engineering，Tianjin 300456，P． Ｒ． China） Abstract： The long-term agricultural irrigation has induced serious landslide disasters at the edge of the Heifangtai Plateau in Gansu Province． The Heifangtai loess is selected for testing in this study． Firstly，the basic physical properties of the loess were tested． Then this paper focuses on the hydraulic properties of the loess． In one aspect，the coefficient of permeability at different places was measured through conducting in-situ double-ring tests． In another aspect，the soil-water characteristic curves were tested using an undisturbed specimen，including both wetting and drying paths． The scattered points measured in the test were best-fitted using MATLAB． Combined with the microscopic structural feature of loess，the coefficient of permeability and soil-water characteristic were further discussed． Though the loess shows the particle size distribution of silt，it has high coefficient of permeability and low air-entry value due to its structural feature． Keywords： landslide； loess； unsaturated soil； coefficient of permeability； SWCC
砂粒 粉粒 粘粒 天然密度 干密度 比 （ % ） （ % ） （ % ） （ 103 kg/ m3） （ 103 kg/ m3） 重
8 72 20 1． 45 ～ 1． 55 1． 38 2． 7
液限 塑限 渗透系数 （ % ） （ % ） （ m /s）
4． 0 × 10 － 6 ～ 26． 5 18． 3
（ 6 ） 向 内、外 环 中 同 时 注 水，均 维 持 水 深 0. 10 m；
（ 7） 记录注水体积，前 5 次时间间隔为 5 min， 以后每隔 30 min 记录一次，当连续两次注水体积 不大于 10% 时（ 并且最少注水 6 次） ，认为达到了 渗流稳定，试验结束（ 图 5） 。 3． 3 试验结果分析