２０１３年５月第３５卷 第３期
地下水
Ｇｒｏｕｎｄ ｗａｔｅｒ
Ｍａｙ．，２０１３
Ｖｏｌ．３５ ＮＯ．３灵山县花岗岩风化壳表土层的渗水试验
劳丽燕，冯志秦，蓝俊康，廖海吉
（桂林理工大学环境科学与工程学院，广西桂林５４１００４）
［摘 要］ 灵山县花岗岩风化壳表层土中的细粒部分（粉粒、粘粒）和粗粒部分（砾砂、粗砂）含量较多，而中粒部分（中砂、细砂）含量较少。其表层土的渗水试验结果表明，该表层土的渗透系数普遍偏高，在滑坡地段更甚。此外，滑坡地段的渗透曲线（渗透速度与时间的关系曲线）还呈较大幅度的震荡现象，这与稳定地段的渗水曲线有明显的区别。分析认为：稳定斜坡段渗透系数的普遍偏高不仅与花岗岩风化壳表层土的颗粒级配有关，也与斜坡卸荷产生的拉张裂隙、降雨冲刷等多重因素有关；而滑坡地段渗透曲线呈现的剧变震荡则反映了在渗水试验过程中，表土中的大空隙不时地被冲刷下来的细粒短暂地堵塞，后又因细粒软化被冲蚀下坠，渗水通道再次疏通的反复过程。
［关键词］ 灵山县；花岗岩；风化壳；渗透试验
［中图分类号］ Ｐ５８ ［文献标识码］ Ａ ［文章编号］ １００４－１１８４（２０１３）０３－００１３－０３
Ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ Ｔｅｓｔｓ ａｂｏｕｔ Ｔｏｐｓｏｉｌ ｏｆ Ｇｒａｎｉｔｅ Ｗｅａｔｈｅｒｅｄ Ｃｒｕｓｔ ｉｎ
Ｌｉｎｇｓｈａｎ Ｃｏｕｎｔｙ
Ｌａｏ Ｌｉｙａｎ，Ｆｅｎｇ Ｚｈｉｑｉｎ，Ｌａｎ Ｊｕｎｋａｎｇ，Ｌｉａｏ Ｈａｉｊｉ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｇｕｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｘｉ，Ｇｕｉｌｉｎ ５４１００４）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｔｅｓｔ ａｂｏｕｔ ｔｏｐｓｏｉｌ ｏｆ ｇｒａｎｉｔｅ ｗｅａｔｈｅｒｅｄ ｇｒｕｓｔ ｉｎ Ｌｉｎｇｓｈａｎ ｃｏｕｎｔｙ，ｔｈｅｔｏｐｓｏｉｌ ｉｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ ｂｙ ｈｉｇｈ ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｉｎ ｌａｎｄｓｌｉｄｅ ｓｉｔｅｓ ｂｅｃａｕｓｅ ｏ
ｆ ｉｔｓ ｈｉｇｈ ｆｉｎｅ ｓｏｉｌ ａｎｄｇｒａｖｅｌ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｌｏｗ ｓａｎｄ ｃｏｎｔｅｎｔ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅ ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ（ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ａｎｄｔｉｍｅ）ｏｆ ｌａｎｄｓｌｉｄｅ ｓｉｔｅｓ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｏ ｆｌｕｃｔｕａｔｅ ｓｈａｒｐｌｙ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｒｏｍ ｉｔ ｏｆ ｓｔａｂｌｅ ｓｌｏｐｅ．Ｒｅ－ｓｅａｒｃｈｅｒｓ ａｔｔｒｉｂｕｔｅ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｈｉｇｈ ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｔｏ ｇｒａｉｎ ｃｏｎｔｅｎｔ，ｔｅｎｓｉｌｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｉｎ ｓｌｏｐｅ ｏｆｆ－ｌｏａｄ ａｎｄｒａｉｎｆａｌｌ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｇａｐｓ ｉｎ ｔｈｅ ｔｏｐｓｏｉｌ ｂｌｏｃｋｅｄ ｂｙ ｆｉｎｅ－ｇｒａｉｎｓ，ｔｈｅ ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ，ｗｈｉｌｅ ｉｔ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ａ－ｇａｉｎ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｆｉｎｅ－ｇｒａｉｎｓ ａｒｅ ｓｏｆｔｅｎｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ａｎｄ ｗａｓｈｅｄ ｄｏｗｎ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｌｉｎｇｓｈａｎ Ｃｏｕｎｔｙ；ｇｒａｎｉｔｅ；ｗｅａｔｈｅｒｅｄ ｃｒｕｓｔ；ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｔｅｓｔ
灵山县位于广西钦州市东北部，是广西暴雨型地质灾害高发区。近１０年来灵山县因地质灾害造成
直接经济损失达３０６．４５万，死亡１２人，伤２７人。据２０１１年灵山县地质灾害调查资料，灵山县共有地质灾害点５９１处，其中崩塌３６７处，滑坡４２处，不稳定斜坡１６８处，地面塌陷１３处，泥石流１处，给灵山县人民生命及财产安全带来威胁。
灵山县境内花岗岩极为发育是导致当地崩塌、滑坡等地质灾害频发的一个重要原因。灵山县花岗岩面积约１ ５１６．４ｋｍ２，占全县面积的４２．６％左右，以形成于印支期的酸性中深成侵入岩为主，岩性主要有斑状堇青石黑云二长花岗岩和花岗斑岩等。灵山县地质灾害多发生于散体状极软全～强风化花岗岩岩组地区，据２０１１年资料统计，在
花岗岩地区中发生的地质灾害点占灾点总数的６９．５４％。
花岗岩地区地质灾害的频发是由于花岗岩风化物具有不同于其他岩土体的一些特性，如风化物在垂直方向上具有明显的分带性，且具有低含水率、中等塑性、中等孔隙比、中压缩性、高强度等特点，同时，还具有透水性强、抗水性较差，遇水后力学强度降低幅度大等特点［１－５］。但不同地区花岗岩风化物的物理力学性质又有所差异。
１ 花岗岩风化壳表土的物理力学性质
１．１ 灵山县花岗岩风化壳表土的发育特征
灵山县花岗岩风化壳一般较厚，一般在１０～４５ｍ，其中陡坡低山区风化壳厚度较小，缓坡丘陵区风化壳厚度较大。
３
１
［收稿日期］ ２０１３－０２－１９
［基金项目］ 桂林理工大学环境学院２０１２年度本科生科研创新基金项目
［作者简介］ 劳丽燕（１９９１－），女，广西北海人，主攻方向：水文地质、工程地质。［通迅作者］ 蓝俊康（１９６６－），男，广西马山人，博士，教授，研究方向：工程地质勘察。
其表层为残积土带，厚度为２～１２ｍ，上部富含腐植质，以粘性土及粉质粘土为主，其次为含粘性土中、粉砂等；全风化带厚２～２０ｍ，矿物成分主要为石英砂及高岭土，其粒度成分以砾砂、粗砂及粉粘粒为主。
１．２ 物理力学性质特征
在灵山县花岗岩分布区内总共采取了１９８个残积土样及１１个全风化花岗岩样，其物理力学指标及颗粒成分统计如表１和表２所示。从表中可见：
（１）灵山县风化壳岩土具有遇水软化特征。表１显示，饱和直剪所得的粘聚力和内摩擦角均比天然状态的明显降低。
（２）灵山县花岗岩残积土的自由膨胀率在３５％左右，稍偏大，具有一定的吸水膨胀软化和失水收缩硬裂的性质。在其发生胀缩变形时，土体中容易产生裂隙［６］。
（３）花岗岩风化物颗粒组成明显具有两头大、中间小的特征，即其中的粉粒、粘粒和砾砂、粗砂含量比较多，而中间粒径（中砂、细砂）含量少。这种物质组成使得粗颗粒之间的孔隙多被细粒（粉粒、粘粒）所充填。在天然状态下，粗颗
粒的骨架作用明显，强度较高，但降雨入渗时，在水动力影响下，粉粘粒中的胶结物质易被水流溶蚀，使得上层岩土的粘聚力降低；而粉粘粒则被冲蚀进入其下的土层或被水流带走，在土体表面及内部形成土洞及裂隙，使得边坡岩土体力学强度急剧降低。
２ 渗水试验
２．１ 试验方法
在４处稳定斜坡及２处滑坡点（Ｋ１、Ｋ２）的后缘分别进行单环渗水试验（试验操作过程按文献［７］）。试验结束后按下式求稳定渗透系数Ｋ［７］：
Ｋ＝Ｖ＝Ｑ／Ｆ
式中：Ｖ为渗透速度，ｃｍ／ｍｉｎ；Ｋ为渗透系数，ｃｍ／ｍｉｎ；Ｆ为入渗面积，ｃｍ２；Ｑ为渗入水量，ｃｍ３／ｍｉｎ。
２．２ 渗透曲线
灵山县花岗岩风化壳表土的６处渗水过程曲线（渗透速度Ｖ与时间ｔ关系曲线）如图１～２所示。
表１ 灵山县花岗岩风化壳岩土物理力学指标统计
土样类别物理
力学
指标
天然含
水率
天然
密度
天然孔
隙比
液限塑限
塑性
指数
液性
指数
直剪饱和直剪
粘聚力内摩擦角粘聚力内摩擦角
自 由
膨胀率％ｇ／ｃｍ３—％％——ｋＰａ度ｋＰａ度％
残积土最小值２．２０ １．６３ ０．１４ ２５．５０ １６．６０ ８．９０＜０ １９．４０ １４．６０ １７．００ ９．７０ ２４最大值２８．５０ ２．４２ １．０１ ７０．１０ ３８．７０ ３１．４０ ０．１５ ５８．３０ ２１．２０ ４７．８０ １８．３０ ４３平均值１１．３９ ２．０５ ０．５０ ４６．５０ ２７．３４ １９．１７ ０．０９ ４１．７９ １８．０８ ２５．５１ １３．９９ ３３
全风化花岗岩
最小值１１．３０ １．７９ ０．６１ ３１．２０ １９．６０ １１．６０＜０ ４３．００ １６．８０ １９．９０ １２．８０—最大值３０．５０ １．８７ ０．９７ ５３．９０ ３１．００ ２２．９０ ０．１２ ７１．８０ ２０．４０ ４２．２０ １６．５０—平均值２０．７８ １．８４ ０．８０ ４１．６５ ２４．９２ １６．７３ ０．０６ ５７．２０ １８．２０ ２７．７５ １４．７７—
表２ 灵山县花岗岩壳岩土颗粒级配统计表 单位：ｍｍ
土样类别
颗粒组成百分数／％
砾石（砂）砂粒粉粒粘粒＞２０ ２０～２ ２～０．５ ０．５～０．２５ ０．２５～０．０７５ ０．０７５～０．００５＜０．００５
残积土最小值４．３０ ０．４０ ０．３０ ０．３０ ０．３０ ６．００ ０．７０最大值４．８０ ５７．３０ ４１．５０ ３１．３０ ２８．４０ ５７．３０ ６２．１０平均值３．５０ １６．２７ １４．５６ ６．０２ ６．０５ ３０．１６ ２３．４４
全风化花岗岩最小值—１０．７０ ２１．９０ ５．３０ ５．７０ １８．７０ ３．００最大值—２３．６０ ４４．２０ １５．９０ １５．２０ ４０．５０ ２７．５０平均值—１４．９２ ２８．７４ ９．２５ ７．３７ ２８．２３ １１．４９
从渗透曲线可以看出：
（１）稳定斜坡土体的渗透曲线（见图１）大致呈现出“随着时间的增加，渗透速度逐渐减小，最后在最低点达到稳定”的特征，这也是一般土层的渗透特性。
（２）已发生滑坡灾害的斜坡表土的渗透曲线（见图２）波动幅度则较大，呈现出较大幅度震荡现象，且不符合渗透速度逐渐减小最后在最低点趋于稳定的一般规律。２．３
渗透系数
图１ 稳定地段花岗岩表土的渗水试验曲线
４
１
第３５卷 第３期地下水２０１３年５月
图２ 滑坡地段表土的渗水试验曲线
对于入渗能达到稳定的地段，按稳定入渗时的入渗速度求取渗透系数；对于不能达稳定入渗的，则按入渗时间为６ｈ时的入渗量来近似求取其渗透系数。结果如表３所示。
表３ 灵山县的花岗岩风化壳渗水试验的测定结果
序号测定地点岩性渗透系数（ｍ／ｄ）
Ｋ１烟墩镇江东村滑坡点花岗岩残积土１０．０１
Ｋ２平南镇开发区滑坡点花岗岩残积土４．６８
Ｋ３新圩镇二级公路边斜坡体花岗岩残积土１．２５
Ｋ４新圩镇二级公路边斜坡体花岗岩残积土０．７５
Ｋ５新圩镇二级公路边斜坡体花岗岩残积土１．８６
Ｋ６丰塘镇国道边斜坡体花岗岩残积土１．０４
从表３的结果看出，灵山县花岗岩风化壳斜坡表土的渗透系数具有以下特点：
（１）渗透系数比经验值偏大，这说明花岗岩风化壳表土中富含较多的空隙。据Ｌａｎ Ｈ．Ｘ．（２００３）统计［１］，中国一些地区花岗岩全风化带的渗透系数为０．１５～０．７１ｍ／ｄ，强风化花岗岩渗透系数约为０．８ｍ／ｄ［１］。陈剑（２００９）的野外注水试验也显示［８］，广东地区花岗岩残积土渗透系数约为０．１～０．５ｍ／ｄ，全风化花岗岩渗透系数多在０．５～２ｍ／ｄ。把这２人的研究成果与灵山花岗岩表土的实测值（表３）比较可发现，灵山县花岗岩残积土层渗透系数比上述２人的统计值要高出很多。
（２）滑坡发生点残积土的渗透系数明显比稳定斜坡体表
土的渗透系数大很多。表３中的Ｋ
１、Ｋ
２
测点花岗岩残积土
的渗透系数明显要大于Ｋ
３～Ｋ６
点的渗透系数。
３ 土体渗透性异常的机理分析
３．１ 稳定斜坡土层渗透系数偏大的原因分析
稳定斜坡残积土的渗透系数普遍比经验值偏大的原因主要是：①卸荷产生的拉张作用，使边坡表层出现拉张裂隙（见图３）。这种现象在陡边坡中出现的概率要大些。②降雨引发边坡位移。降雨使边坡土体的重力增加，下滑力也相应增大，与此同时，边坡土体遇水浸泡软化，基质吸力大幅度降低，土体的抗剪强度降低，这“一增一降”的结果很容易导致边坡发生微小的位移。钱纪芸（２０１１）的试验结果表明［９］，边坡的位移会随着降雨量的增大而逐渐发展，降雨量增大时发生明显变形的区域也变大；边坡变形主要集中在边坡表面，边坡某点的应变也随降雨量的增加不断增大。Ｍｕｈａｍ－ｍａｄ Ｍｕｋｈｌｉｓｉｎ（２０１１）的试验结论也与之相同［１０］。
同时，暴雨还会把表土层中的细颗粒冲蚀掉，同时雨水会把表土中的胶结物质溶蚀掉，使表土的粘聚力降低，造成
表土表面及内部形成土洞及裂隙，使边坡的稳定性降低，进而发展成为崩塌（见图４所示）
。
图３ 灵山某边坡上发育的拉张裂隙
３．２ 滑坡带土层渗透曲线呈剧变震荡的机理分析
滑坡地段的渗透速度不能达到稳定，渗透曲线不符合“渗透速度逐渐减小最后趋于稳定”的一般规律，而是呈现出剧变震荡的现象。此现象反映了：在渗水试验过程中，滑坡带表土中的大空隙不时地被冲刷下来的细粒所堵塞，当细粒被下渗水软化后又被冲蚀下坠，渗水通道再次得以疏通的反复过程。这个过程其实就是“管涌”式侵蚀破坏过程
。
图４ 灵山县花岗岩公路边坡的边坡变形
而关于花岗岩风化壳中土颗粒遇水软化的机理目前有２种解释：
（１）Ｃｈｉｇｉｒａ Ｍ．（２００１）研究认为，花岗岩表层风化壳土的松动和瓦解是由于裂隙
的扩大和裂隙中有新生物生成，并与其表面压力释放、温度变化及含水量的变化有关［１１］。
（２）颜波（２００９）认为，花岗岩风化土的矿物组成以石英、高岭石为主，矿物亲水性弱，表面能较小，其土体结构性强度主要是来源于风化土中的胶结物质———游离氧化铁，但游离氧化铁具有一定的水溶性，这就使得风化土在遭遇降雨后游离氧化铁流蚀而造成土体软化［１２］。
４ 结语
（１）灵山县花岗岩风化壳表土颗粒组成具有“两头大，中间小”的特征。这种结构在天然状态下，粗颗粒的骨架作用明显，强度较高，但在饱水时，在水动力以及降雨入渗影响下，粉粘粒中的胶结物质易被水流溶蚀，而粉粘粒本身也易被冲蚀进入其下的土层或被坡面水流带走，在土体表面及内部形成土洞及裂隙，使得边坡岩土体力学强度急剧降低。
（２）稳定斜坡地段的渗透系数的普遍偏高除了与花岗岩风化壳表层土的颗粒级配有关外，还与斜坡变形（如卸荷产生的拉张裂隙）、降雨冲刷等多重因素有关。（下转第５５页）
５
１
第３５卷 第３期地下水２０１３年５月
下水库冬天储冷技术；对于洗涤浸取用水，推广逆流浸取、多级对流冲洗、干洗、气雾洗涤等工艺；采用无污染、少污染的清洁生产技术减少或降低水资源的使用；推广自动功能的节水阀、水箱、尽量杜绝谁在使用中的跑、冒、滴、漏等现象。对于采掘、
冷却、观光等对水质要求不高的行业用水，完全可以利用微咸水、咸水。７．５ 生活节水措施
生活用水在总用水量中占比较小，在吐鲁番地区占比为２％左右，虽然总量很小，但对水质要求很高。吐鲁番地区对于生活用水采用一套供水系统，并以饮用水的标准供水，从水质的角度来讲，这种供水方式过于奢侈。实行分质供水，可以达到节约用水的目的。对城市生活排放的生活
杂水（
不包括冲洗厕所用水）、洗浴水，可采用中水回用技术进行或者对其他污水进行二级处理达标后进行冲洗厕所。
分质供水可以使生活用水有节余的空间，进而缓解水资源供需紧张的矛盾。
７．６ 污水资源化
污水资源化是将生产、生活过程中产生的劣质水加以处理，再生后把干净的水取代下来，节约用水，使天然干净的好水得以养息。吐鲁番地区所处理的污水可以浇灌荒漠
林，
进行荒漠化防治，使植被生态得以有效恢复或可持续利用。同时还可以因地制宜地利用污染程度低的生活污水、工业污水进行附近绿化林带、草地的灌溉。７．７ 卤水制盐，
同步回收淡水吐鲁番地区有丰富的地下卤水资源，有充足的日照优势，全年日照时数平均２８００小时左右。利用太阳能蒸发卤水制盐，但蒸发后的水蒸气直接挥发到大气中，没有得到充分利用，在水资源缺乏的吐鲁番盆地，这无疑是一种巨大的浪费。将蒸发的淡水收集回用，既可以满足制盐工业对淡水的需要，而且富裕的淡水还可以供农业和日常生活使用。以实验室测试的相应的玻璃大棚每天每平方米可收集到２
ｋｇ淡水［１１］，
单单一个艾丁湖晒盐场（１００ｋｍ２
）每天就可以回收淡水２０×１０４
ｍ３
。对于严重缺淡水，
但卤水资源丰富的吐鲁番盆地，在太阳能卤水制盐过程中，回收淡水具有极
大的优势，同时还可以减少地下水蒸发浪费。
８ 结语
水资源是制约社会经济发展的重要因素，对于水资源
的合理开发与保护的可持续利用，
在干旱的吐鲁番盆地是一件非常重要的事情，它事关吐鲁番盆地今后社会经济发展与生态环境建设是否和谐，
事关我们新疆的跨越式发展成败。为此，我们在进行区域经济发展规划时，要统筹考虑
工业、
农业、生活以及生态环境建设用水的平衡，优先考虑城镇与农村的生活用水、高附加值工矿企业的生产用水、保证生态环境建设的用水需求，在此基础上进行产业结构调整与规划。
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２９－３２．
（上接第１５页）
（３）稳定斜坡土体的渗透曲线（Ｖ－ｔ曲线）
大致呈“随着入渗时间的增加，渗透速度逐渐减小”的特征，而滑段地段表土的渗透曲线则呈现较大幅度震荡、不能达到稳定的现象，其降雨的入渗过程其实是一个“管涌”式的机械侵蚀破坏过程。
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５第３５卷 第３期
地下水２０１３年５月
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