0 引言

黄土是干旱-半干旱气候条件下形成的一种特殊类土，沉积环境(古气候)的多次冷暖交替使得完整的黄土剖面具有鲜明的各向异性特征。如黄土分层，这种结构不仅会产生不同的水平向渗透系数(k_h)，而且会产生不同的垂直向渗透系数(k_v)，在连续层中这种各向异性渗透系数甚至存在数量级上的差异。但是在同层黄土中，其天然土层在沉积和固结过程中，土颗粒及由其组成的构造单元在空间上常呈现定向排列，构成了黄土在微结构上的原生(或固有)各向异性，使得土体在垂直向和水平向上常表现出不同的强度、变形和渗透特征。又由于黄土具有湿陷性、水敏性、崩解性等特殊性质，使得黄土高原地质灾害频发。

目前，诸多研究学者对全球不同地区不同土壤的渗透各向异性行为展开了研究工作。Chan等^[1]和Kenney等^[2]将水平向渗透系数与垂直向渗透系数的比值(k_h/k_v)定义为渗透各向异性率(r_k), 用来描述土壤的渗透各向异性特征。张宗祜等^[3]、关文章^[4]根据长期野外注水试验结果定性描述了原状黄土的渗透性具有明显的各向异性特征。关文章^[4]还指出，土层深处黄土的渗透各向异性特征更加显著。郝君任等^[5]采用改装的三向渗透仪测得厚度为30~66 cm处黄土试样的r_k值为0.69~1.50；于欣^[6]分别采用竖管法、双环法和抽水试验测得陕西省宝鸡市秦岭山前黄土丘陵区16~85 cm深度的马兰黄土的r_k < 1，主渗流方向为垂直向；张小筱^[7]、吕敬等^[8]、Wang等^[9]对泾河南塬黄土边坡进行垂直向探槽取样和水平向平硐取样的变水头渗透试验，结果显示探槽的r_k < 1, 而平硐的r_k >1, 表明该地区黄土的饱和渗透系数空间变异性较强；梁燕等^[10]试验测得西安10 m原状马兰黄土r_k为0.25；王铁行等^[11]、杨涛^[12]采用GDS(global digital systems)三轴渗透仪测得原状黄土水平向渗透系数大于垂直向渗透系数，同时还研究了干密度和冻融循环对黄土渗透各向异性的影响。

众所周知，各种地质灾害、工程建设以及环境污染，大部分都与水的参与有关，如滑坡、泥石流、坝体失稳及矿区地下水污染等，已经严重危害到人类生产及生活安全；水渗流方面的研究受到了越来越多的关注。在水渗流问题的研究中，渗透系数作为重要的水文地质参数，一直是人们研究的重点之一，然而由于地质体本身具有的非均匀性，其渗透特性也就相应地表现出各向异性，这样势必增加工程安全的不确定性。

因此，本文以原状黄土为研究对象，采取室内饱和渗透试验以及对原状黄土SEM(scanning electron microscope)照片进行微观分析，旨在研究黄土渗透各向异性与渗流时间的规律，同时探讨渗流各向异性机制。

1 材料及方法 1.1 试验用土的基本性质

延安新区剖面出露厚度73 m，共含有10层古土壤，包括了马兰黄土和离石黄土中下部，而离石黄土上部和午城黄土未出露(图 1)。晚更新世马兰黄土形成于距今0.5万~10万a，粒度成分以粉粒为主，土层厚度为10~30 m。试验用黄土为Q₃马兰黄土，取自延安新区Ⅰ期工程新鲜剖面，分别在自地表以下2、4、6、8、10 m深度处切取土样，装入铁皮桶密封打包并标记方向。根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)^[13]测得试样的主要物理力学指标见表 1，采用Bettersize 2000激光粒度分析仪测得不同埋深黄土的颗粒累积曲线见图 2。不同埋深马兰黄土物理性质为：天然含水率在12.92%~16.13%之间，属于低含水率土；塑性指数在13.1~14.0之间，属于中塑性粉质黏土；粉粒质量分数均大于60.00%，砂粒质量分数均小于25.00%，属于粉质细粒土，相对密度为2.71，且级配良好。

1.2 试样的制备

将野外取回的铁皮桶原状土样分上下两部分，削掉土样表层已经被扰动的土体，用环刀分别沿原状样垂直向和水平向削取渗透环刀试样。上部削取垂直向试样，下部削取水平向试样。削取试样前，先在环刀内壁涂一薄层凡士林，以确保环刀内壁与土样之间形成密封，而不会成为渗流优势通道。削去环刀外侧多余土体的同时向下轻压环刀，且压的过程中应均匀用力，最后削掉环刀两端多出的土体并标记。在余土中取适量土体测量其含水率，进一步确定试验所用试样的干密度。

2 饱和渗透试验

黄土渗透系数测定有多种方法，依据土工试验规程，考虑到试验所用黄土为粉质细粒土，因此本次采用变水头达西渗透试验方法，利用TST-55型渗透仪对原状黄土的饱和渗透系数进行测定。

试验用水为煮沸脱气的自来水，在一定水头作用下静置一段时间，待出水管口有水溢出且无气泡排出时进行试验测定，连续测记10次取平均值。设定初始渗透测试时刻为T₀，之后依次间隔1、2、5、12 h进行渗透测试，分别记为T₁、T₂、T₅、T₁₂时刻。依据变水头渗透试验达西定律可得：

式中：A_a为变水头管的断面面积(cm²)；L为渗径(cm)；A为试样的截面积(cm²)；h₁、h₂分别为起始和终止水头(cm)；t为时间(s)。

3 试验结果

渗透系数是多孔材料最重要的特性之一。不同方向的渗透系数相同(k_h=k_v)，则多孔材料的渗透性呈现各向同性；否则将被视为各向异性(k_h ≠ k_v)。通过垂直向和水平向试样的饱和渗透试验分别测得不同埋深、不同时刻垂直向与水平向渗透系数，结果如表 2所示。

3.1 不同埋深黄土k_v，k_h随时间的变化规律

图 3为垂直向、水平向渗透系数与渗流时间的关系图。从图 3b，d可以看出：初始阶段垂直向渗透系数大于水平向渗透系数(k_v > k_h)；渗流持续1 h左右垂直向渗透系数迅速降低至k_v＜k_h，5 h后垂直向渗透系数基本趋于稳定；渗流约10 h，垂直向渗透系数又反超水平向渗透系数(k_v > k_h)。垂直向渗透系数与时间可以拟合为指数函数关系。相比于垂直向渗透系数的变化情况，随着渗流时间的持续，水平向渗透系数降低率远远小于垂直向，水平向渗透系数与渗流时间呈直线关系。

对于图 3b，d中渗流初始阶段垂直向渗透系数大于水平向渗透系数的情况，可能是黄土中连通的垂直节理发挥了很大作用(根孔、虫孔或许也做出了贡献)^{[3-4, 10]}。但是随着渗流时间的增长，黄土中易溶盐、中溶盐部分或全部溶解，使得原本附着在骨架颗粒上的细小颗粒在渗透力的作用下发生运移、流失，堵住了优势渗流通道的关键节点——孔喉，导致本就迂曲的渗流通道变得更加曲折，增加了渗流路径，垂直向渗透系数迅速降低^[14]。随渗流时间继续增长，土体内更多的细颗粒朝着低水头方向移动，造成渗流压密。即由于受到渗流边界条件的限制而使得细颗粒不致于流失于土体之外，形成管涌、流土、侵蚀等。这也是垂直向渗透系数最终趋于稳定而不是一直降低的原因。其实，这种渗流压密原理早就服务于水利工程之中，如水力冲填坝、尾矿坝、堤坝等实质上就是利用渗流的搬运作用来提高初期填土的堆积密度，从而提高水利工程构筑物的抗渗性能。

而水平向渗透系数大于垂直向渗透系数的现象(图 3a，c，e)可能反映了天然黄土层在沉积和固结过程中，土颗粒及由其构成的构造单元在空间上常呈现定向排列，特别是扁平状颗粒(如书页状高岭石、弯片状蒙脱石、片状伊利石、针片状绿泥石等)的水平排列(颗粒长轴方向平行于地表)，从而构成了黄土在微结构上的原生各向异性。扁平状黏土颗粒的方向性排列使土层水平向渗透系数大于垂直向渗透系数。随渗流时间的持续，再加上渗流压密的作用^[15]，使得水平向渗透系数逐渐减小，但其变化率却远小于垂直向变化率，其主要原因就是土颗粒的定向排列使得水平向试样具有更多的渗流通道。运移细的小颗粒堵塞水平向渗流通道是渐进式的，在渗透力的作用下，颗粒趋于紧密堆积，导致垂直向渗透系数趋于稳定^[16]，而水平向渗透系数依然降低，使垂直向渗透系数反超水平向渗透系数。

从图 4可以看出，r_k随渗流时间的持续增加呈现先增大后减小的趋势。T₀时刻r_k在0.84~1.46之间；渗流经过2~5 h，r_k出现最大值；随渗流时间的持续，超过11 h之后，r_k逐渐小于1.00。

3.2 不同埋深黄土k_v, k_h与其初始状态的变化规律

土的初始状态直接影响着土的很多物理性质(如初始干密度、初始含水率、孔隙比、土的强度、变形以及渗透性^{[11, 17]})。从图 5可以看出：初始干密度对原状黄土的垂直向渗透系数、水平向渗透系数具有控制作用，2种渗透系数均随着初始干密度的增大而减小，均呈现幂函数关系，且垂直向渗透系数随初始干密度的变化率小于水平向渗透系数随干密度的变化率。这也恰好反映出黄土的独特性质——垂直向节理发育，即同一时期形成的黄土，在相同初始干密度情况下，渗透性大体存在垂直向渗透系数大于水平向渗透系数的现象^{[3-4, 10]}。而位于浅表层的黄土，由于沉积时期较晚，黄土层处于欠固结状态，加之黄土颗粒沉积过程的方向选择性，使得其水平向渗透系数大于垂直向渗透系数^[11]。

从图 6可以看出，原状黄土k_v, k_h均随着初始含水率的增加而降低，且渗透系数与初始含水率具有较好的线性关系^[17]。

4 渗透各向异性讨论

由于非饱和条件下土体的渗透各向异性过于复杂，因此诸多研究者一般都从饱和渗透系数或饱和渗透率的各向异性入手来研究土体的渗透各向异性^[18]。然而，饱和土体是由土体骨架和赋存在孔隙中的地下水组成的。饱和渗透初始阶段，渗流的优势通道主要由土层沉积过程形成的原生孔隙结构组成，这些原生孔隙控制着该阶段土体的渗透性能。随着渗流时间的持续，孔隙中的水流会以渗流动力、溶蚀动力等形式对土体产生作用，使得土体原生孔隙结构发生变化，形成新的孔隙(即次生孔隙)；而这些原生孔隙结构的变化又将影响土体孔隙特征，进而改变土体渗流场的分布^[19]。因此，本文将从原生各向异性和次生各向异性(或称应力诱导各向异性)两个方面进行分析。

4.1 原生孔隙结构各向异性

原生孔隙结构各向异性是由土体自然属性和沉积环境引起的原生各向异性^[19-22]，是对原状土体初始状态固有特性的描述。原生孔隙结构是导致宏观土体渗透性能各向异性的本质原因。原生孔隙结构各向异性主要表现为原生孔隙各向异性和原生构造各向异性(这里主要指黄土节理)。

原生孔隙各向异性主要是在土层形成时或形成后由非渗流动力作用所形成的松散沉积物中具有一定方向性的孔隙，它是对土体材料特性的描述。原生孔隙在沉积过程中产生，并在固结过程中在重力等作用下趋于闭合或张开，从而形成层状结构或近似层状结构。Mast等^[19]的研究也表明，沉积物的原生结构特征如颗粒性质、层状或片状结构对渗透系数各向异性的影响存在量级上的差异。这种层状结构或近似层状结构导致土体水平向的渗透性能优于垂直向^[19-21]。但是对于存在根孔、虫洞的土体(图 7)，一般垂直向渗透系数会大于水平向渗透系数^[20]。

另外，黄土节理也是导致黄土渗透各向异性的重要因素。黄土节理在黄土层中发育极为普遍，特别是垂直节理，它是黄土形成过程中，由于土体自身的重力、毛细管引力以及胶结等所引起的物理化学作用而形成的原生节理。在渗流过程中这些原生节理形成渗流优势通道，从而导致黄土渗透各向异性，宏观上体现为垂直向渗透系数大于水平向渗透系数。

4.2 次生孔隙结构各向异性

次生孔隙结构各向异性(或称应力诱导各向异性)是由应力状态变化引起的次生各向异性，其描述的是随应力状态的改变土体物理性质不断变化的过程。应力状态的改变导致原生孔隙结构改变，从而形成次生孔隙和次生构造^[22-24]。次生孔隙主要是在原生孔隙中侵蚀性水流的长期作用下，对土体骨架中可溶性物质进行溶蚀后形成沿水流方向延伸的孔隙，或渗流在其运动过程中对已有原生孔隙进行改造后形成的孔隙(图 8)。显然，次生孔隙的各向异性程度往往要高于原生孔隙的各向异性。

而次生节理则是在黄土堆积以后形成的，多是由于黄土土体中的孔隙和土层干湿冷热变化引起土体的膨胀收缩，以及重力产生的水平张力等物理化学风化作用而形成，也有少数次生节理是因构造应力作用形成的^[11]。特别是黄土层中的闭合节理，流体的浸入造成闭合节理张开，使得土体的导水能力增加，其渗透各向异性增强。

5 结论

1) 马兰黄土渗透各向异性在时间尺度上具有某种关系，随渗流时间的持续，垂直向与水平向渗透系数均呈现减小的趋势，垂直向渗透系数的变化率小于水平向，渗流约5 h后垂直向渗透系数基本趋于稳定。垂直向渗透系数与渗流时间呈指数函数关系，而水平渗向透系数与渗流时间呈线性关系。

2) 饱和渗流初始阶段，由于初始干密度和初始含水率的不同，原状黄土的渗透性就存在明显的各向异性现象；随渗流时间的持续，渗透各向异性愈发显著。渗流持续时间在1~10 h时，垂直向渗透系数均小于水平向渗透系数；渗流持续超过10 h之后，垂直向渗透系数又反超水平向渗透系数。

3) 马兰黄土微观结构上的渗流通道存在各向异性，可分为原生孔隙结构各向异性、次生孔隙结构各向异性(或应力诱导各向异性)两种形式，且后者的各向异性程度往往高于前者。

4) 渗流各向异性取决于孔隙、节理及其连通性的各向异性，土体原生孔隙的各向异性导致了渗流运动的各向异性，同时渗流各向异性也加剧了土体微观结构及其透水性的各向异性特征。