陕北非饱和重塑红土渗透特性试验研究

书书书ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｅｏｌｏｇｙ　　工程地质学报　　１００４－９６６５／２０１４／２２（１）０１０６０６陕北非饱和重塑红土渗透特性试验研究陈　伟　李文平　刘强强　王丹志（中国矿业大学资源与地球科学学院　徐州　２２１１１６）摘　要　以实测土水特征曲线为基础，采用ＶａｎＧｅｎｕｃｈｔｅｎ模型，详细研究了干密度和体积含水量对非饱和保德组红土渗透特性的影响。研究表明：不同干密度下，在半对数坐标系中，非饱和保德组红土渗透系数与体积含水量呈现出近似直线关系，非饱和保德组红土渗透系数随体积含水量的增大而单调加速增大，且密实状态非饱和保德组红土渗透系数对体积含水量的变化比较敏感。不同干密度下，在半对数坐标系中，非饱和保德组红土渗透系数与基质吸力之间呈现出指数函数关系，且非饱和保德组红土渗透系数随基质吸力的增大而减小，当土体干密度较大时，非饱和保德组红土渗透系数随基质吸力的增大变化较大，同样表明密实状态非饱和保德组红土的渗透系数对干密度的变化比较敏感。关键词　非饱和土　保德组　渗透系数　体积含水量　基质吸力　干密度中图分类号：ＴＵ４１１　　文献标识码：Ａ书书书　收稿日期：２０１３－０８－２２；收到修改稿日期：２０１３－１２－１６．基金项目：国家自然科学基金项目（４１１７２２９０，４０５７２１６０）资助．第一作者简介：陈伟，主要从事煤矿水文地质工程地质、矿井水害防治等方面的研究．Ｅｍａｉｌ：[e-mail]ＮＰＥＲＭＥＡＢＩＬＩＴＹＣＨＡＲＡＣＴＥＲＩＳＴＩＣＳＯＦＵＮＳＡＴＵＲＡＴＥＤＡＮＤＲＥＭＯＵＬＤＥＤＬＡＴＥＲＩＴＥＩＮＮＯＲＴＨＥＲＮＳＨＡＡＮＸＩＰＲＯＶＩＮＣＥＣＨＥＮＷｅｉ　ＬＩＷｅｎｐｉｎｇ　ＬＩＵＱｉａｎｇｑｉａｎｇ　ＷＡＮＧＤａｎｚｈｉ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｕｚｈｏｕ　２２１１１６）Ａｂｓｔｒａｃｔ　ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆｄｒｙｄｅｎｓｉｔｙａｎｄｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔｏｎｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄＢａｏｄｅＦｍ．ｌａｔｅｒｉｔｅａｒｅｓｔｕｄｉｅｄｂｙａｄｏｐｔｉｎｇＶａｎＧｅｎｕｃｈｔｅｎｍｏｄｅｌｏｎｂａｓｉｓｏｆｍｅａｓｕｒｅｄｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｒｙｄｅｎｓｉｔｙ，ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｉｓａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄｍｏｎｏｔｏｎｉｃａｌｌｙａｎｄｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔｉｎｓｅｍｉｌｏｇａｒｉｔｈｍｉｃｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ．Ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｉｓａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｉｎｅａｒｒｅｌａｔｅｄｔｏｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔ．Ｔｈｅｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｄｅｎｓｅｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄｌａｔｅｒｉｔｅｉｓｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｓｅｎｓｉｔｉｖｅｔｏｃｈａｎｇｅｏｆｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔ．Ｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｒｙｄｅｎｓｉｔｙ，ｔｈｅｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｈａｓａｎｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌｆｕｎｃｔｉｏｎｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｗｉｔｈｔｈｅｍａｔｒｉｃｓｕｃｔｉｏｎｉｎｓｅｍｉｌｏｇａｒｉｔｈｍｉｃｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ．Ｔｈｅｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｉｓｍｏｎｏｔｏｎｉｃａｌｌｙｄｅｃｒｅａｓｉｎｇｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｍａｔｒｉｃｓｕｃｔｉｏｎ．Ｗｈｅｎｄｒｙｄｅｎｓｉｔｙｏｆｓｏｉｌｉｓｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｈｉｇｈ，ｔｈｅｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄｌａｔｅｒｉｔｅｉｓｃｈａｎｇｉｎｇｍｏｒｅｖｉｏｌｅｎｔｌｙｗｉｔｈｃｈａｎｇｅｏｆｍａｔｒｉｃｓｕｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｄｅｎｓｅｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄｌａｔｅｒｉｔｅｉｓｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｙｓｅｎｓｉｔｉｖｅｔｏｃｈａｎｇｅｏｆｄｒｙｄｅｎｓｉｔｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　Ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄｓｏｉｌ，ＢａｏｄｅＦｍ．，Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ，Ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔ，Ｍａｔｒｉｃｓｕｃｔｉｏｎ，Ｄｒｙｄｅｎｓｉｔｙ１　引　言我国陕北地区侏罗系煤层埋深浅，地表松散层厚，地下水位埋深较大，属于典型的干旱－半干旱地区浅埋煤层。该区煤系地层（延安组）上覆上新统保德组红土主要分布在榆神矿区，保德组红土位于萨拉乌苏组含水层和煤层上覆基岩之间，是一区域性分布的隔水层，该隔水层的分布、厚度及渗透特性对该区“保水采煤”的实施具有重要意义。国内一些采矿和水文地质学者对陕北保德组红土进行了大量研究，但主要集中于以保德组红土作为隔水关键层时的位置判断及其应用、采动前后隔水性能的变化等方面［１～５］，多是从保德组红土的宏观分布特征、微观结构特征、饱和状态下的隔水性能的角度进行研究。一些岩土工程学者也对非饱和黄土、膨胀土的渗透特性进行了研究［６～１０］。但对非饱和保德组红土的渗透特性的研究却鲜有报道。基于以上认识，本文针对陕北榆神矿区大量分布的具有重要隔水意义的保德组红土，首次从非饱和土角度对其渗透特性进行了试验研究，并采用ＶａｎＧｅｎｕｃｈｔｅｎ模型，详细研究了干密度和体积含水量对非饱和保德组红土渗透特性的影响，以期为该区工程实践提供基础理论依据。２　非饱和土渗透系数预测模型非饱和土渗透系数模型可分为经验模型与宏观模型、统计模型［１１］。统计渗透系数模型是一种获得非饱和土渗透系数的间接方法，可通过试验测量或土－水特征曲线模型间接地预测渗透系数函数。至今已有大量的描述土的孔径分布函数ｆ（ｒ）的统计模型，根据统计学孔径分布理论发展起来的渗透系数模型也有很多种，其中ＶａｎＧｅｎｕｃｈｔｅｎ模型是岩土工程领域应用最为广泛的模型之一。该模型能同时对土－水特征曲线和渗透系数函数进行预测［７］。ＶａｎＧｅｎｕｃｈｔｅｎ模型如下：θ－θｒθｓ－θｒ＝１１＋（ａψ）ｎ[]ｍ（１）式中，θ表示体积含水量；ψ表示基质吸力；θｓ表示饱和体积含水量；θｒ、ａ、ｍ和ｎ为拟合参数；θｒ表示残余体积含水量，参数ｍ与土体特征曲线的整体对称性有关，参数ｎ与土的孔径分布有关。通常认为参数ｍ与参数ｎ具有以下直接的函数关系：ｍ＝１－１ｎ（２）　　基于式（１）的土－水特征曲线模型，渗透系数函数可表达为：ｋｗ＝ｋｓ｛１－（ａψ）ｎ－１［１＋（ａψ）ｎ］－ｍ｝２［１＋（ａψ）ｎ］ｍ／２（３）式中，ｋｓ表示饱和土渗透系数（ｃｍ·ｓ－１）；ｋｗ表示非饱和土渗透系数（ｃｍ·ｓ－１）。３　试验方法试验用土取自陕煤神木红柳林煤矿肯铁令沟内的一个保德组红土边坡，所取土样呈红褐色，室内测定了其物理性质（书书书表１）。书书书表１　自然状态下保德组红土的物理性质Ｔａｂｌｅ１　ＰｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｎａｔｕｒａｌＢａｏｄｅｌａｔｅｒｉｔｅ含水量ｗ／（％）天然密度ρ／ｇ·ｃｍ－３土粒比重Ｇｓ液限ＷＬ／（％）塑限ＷＰ／（％）塑性指数ＩＰ液性指数ＩＬ２１８４１９７２７５３２０９１９２１１２８８０２０试验中，首先将扰动土样碾碎，在烘箱中１００℃温度下烘烤２ｄ，保证土样处于干燥状态，测得松散干燥状态下土的密度为１２ｇ·ｃｍ－３。按照设计的含水量计算每一个试样所需要添加的水量，在将水均匀地喷洒在烘干的土样中并充分拌合后，将配成的不同含水量状态的松散状的土样密封在密闭容器中并在恒温恒湿条件下放置３ｄ，以使土中水分充分运移，然后将松散状土样压密成设计的干密度１３ｇ·ｃｍ－３、１４ｇ·ｃｍ－３、１５ｇ·ｃｍ－３。试验过程中通过采用变水头渗透试验方法得到不同干密度试样的饱和渗透系数。由于国内外很多学者对滤纸法测定非饱和土基质吸力已有较多研究，且滤纸法测量范围广，精度较高［１１～２０］，因此本文土－水特征曲线采用滤纸法来量测。测量用滤纸采用美国材料与试验协会（ＡＳＴＭ）推荐使用的ＷｈａｔｍａｎＮｏ．４２无灰、定量滤纸，试验过程参考美国材料与试验协会（ＡＳＴＭ）制定的Ｄ５２９８标准［２１］。４　试验结果与分析４１　饱和渗透系数测定　　本试验中采用变水头渗透试验方法测定了重塑保德组红土的饱和渗透系数ｋｓ（书书书表２），并获得干密７０１２２（１）　陈　伟等：陕北非饱和重塑红土渗透特性试验研究书书书表２　不同干密度下重塑保德组红土的饱和渗透系数Ｔａｂｌｅ２　ＳａｔｕｒａｔｅｄｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｒｅｍｏｕｌｄｅｄＢａｏｄｅｌａｔｅｒｉｔｅｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｒｙｄｅｎｓｉｔｙ干密度／ｇ·ｃｍ－３饱和渗透系数／×１０－４ｃｍ·ｓ－１１３８９６１１４４２１４１５１５８２度与饱和渗透系数的关系（书书书图１）。从书书书图１中可见，土样饱和土渗透系数随着干密度的增加而逐渐减小，主要是因为在较大的干密度下，土样的孔隙比较小，土样更加密实，因而渗透系数较小。这与其他学者的研究结果一致［２２］。试验所得曲线可表示为：ｋｓ＝αｅｘｐ（βρｄ）（４）式中，ｋｓ表示饱和土渗透系数（ｃｍ·ｓ－１）；α、β分别为试验参数；ρｄ为干密度（ｇ·ｃｍ－３）。此试验α＝７３１３６８，β＝－８６７１。图１　干密度与饱和渗透系数的关系Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｄｒｙｄｅｎｓｉｔｙａｎｄｓａｔｕｒａｔｅｄｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ４２　土水特征曲线根据试验测得的滤纸的含水量，按照率定方程计算不同含水量和干密度（１３ｇ·ｃｍ－３、１４ｇ·ｃｍ－３、１５ｇ·ｃｍ－３）状态下的非饱和土的基质吸力（ψ）及体积含水量（θ）。对不同干密度土样试验结果采用ＶａｎＧｅｎｕｃｈｔｅｎ土－水特征曲线模型分别进行拟合分析（书书书表３）。拟合结果表明，ＶａｎＧｅｎｕｃｈｔｅｎ公式拟合土样土水特征曲线测试结果是比较好的，相关系数均达到０９５以上（图２）。４２１　不同干密度下体积含水量变化对基质吸力的影响分析　　在干密度一定时，基质吸力随体积含水量发生变化（书书书图２），从图中可以看出，当干密度一定时，基质吸力与体积含水量呈强非线性关系。且在低体积书书书表３　不同干密度下土－水特征曲线拟合函数参数Ｔａｂｌｅ３　ＦｉｔｔｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓｏｆＳＷＣＣｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｒｙｄｅｎｓｉｔｙｓｔａｔｅｓ干密度ρｄ／ｇ·ｃｍ－３残余含水量θｒ／ｃｍ３·ｃｍ－３体积含水量θｓ／ｃｍ３·ｃｍ－３ａｎｍＲ２１．３０．００１６０．４０５６０．３１０６１．０２３００．０２２５０．９７７４１．４００．３５０６０．３１７３１．０３９３０．０３７８０．９７６６１．５００．３０３００．２３９５１．０７１８０．０６７００．９６３７图２　不同干密度下非饱和保德组红土基质吸力与体积含水量的关系Ｆｉｇ．２　Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｍａｔｒｉｃｓｕｃｔｉｏｎａｎｄｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔｏｆｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄｓｏｉｌｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｒｙｄｅｎｓｉｔｙ含水量阶段，基质吸力随体积含水量的减小呈现出急剧增大的趋势。图３　不同含水量下非饱和保德组红土基质吸力与干密度的关系Ｆｉｇ．３　Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｍａｔｒｉｃｓｕｃｔｉｏｎａｎｄｄｒｙｄｅｎｓｉｔｙｏｆｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄｓｏｉｌｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔ４２２　不同含水量下干密度变化对基质吸力的影响分析　　在含水量一定时，基质吸力随干密度发生变化（书书