赤山斜坡土體大孔隙特征研究

曾強(qiáng) 王樂

摘要 [目的]明確赤山斜坡土體大孔隙特征，為滑坡災(zāi)害防御提供參考。[方法]采集湖洲島赤山斜坡土體，基于水分穿透法研究土體大孔隙特征。[結(jié)果]大孔隙尺寸范圍為1.99～0.80 mm，居于中間尺度范圍的大孔隙數(shù)量較多，大孔隙特征表現(xiàn)為土體表層和底層的兩極分化。深度變化范圍內(nèi)，土體大孔隙特征會(huì)有局部突變，但總體上大孔隙數(shù)量、大孔隙尺寸、大孔隙度均隨深度增加而減小。根系和有機(jī)質(zhì)均是影響大孔隙特征的重要因素，但對(duì)大孔隙尺寸的影響程度更高。與有機(jī)質(zhì)相比，根系與土體大孔隙特征相關(guān)性更大。[結(jié)論]局部變異并不影響大孔隙特征的整體發(fā)展規(guī)律；根系和有機(jī)質(zhì)對(duì)斜坡土體大孔隙特征具有不同程度的影響。

關(guān)鍵詞 滑坡；水分穿透；Poiseuille方程；大孔隙

中圖分類號(hào) S429 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2015）34-189-02

降雨、地震、人為活動(dòng)等是當(dāng)今引起滑坡災(zāi)害發(fā)生最重要的因素，其中以降雨誘發(fā)的滑坡最常見[1]。無論何種形式的斜坡土體，均發(fā)育有不同類型大孔隙，如腐爛根系通道、動(dòng)物通道或洞穴、干縮裂隙、團(tuán)聚體間結(jié)構(gòu)性孔隙，其中根系通道是發(fā)育有植被的斜坡最常見的大孔隙通道，而土體存在大孔隙會(huì)導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)異質(zhì)化，降雨入滲進(jìn)入土體會(huì)優(yōu)先通過這些大孔隙，從而加快水分滲透，提高地下水對(duì)降雨的敏感度，甚至引起斜坡孔隙水壓力的急劇提升，為滑坡產(chǎn)生提供有利的條件，尤其在山區(qū)流域居住地，會(huì)對(duì)人類生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成潛在威脅。因此，研究斜坡土體大孔隙至關(guān)重要。為此，筆者采集湖洲島赤山斜坡土體，采用水分穿透法研究了土體大孔隙特征。

1 研究區(qū)域概況與試驗(yàn)方法

1.1 研究區(qū)概況 試驗(yàn)點(diǎn)處于南洞庭湖濕地自然保護(hù)區(qū)的湖中島赤山，丘、崗地貌類型，地理位置為112°18′21.41″E，28°51′52.68″N，距離沅江市城區(qū)約6 000 m。赤山最高處海拔為117 m，坡度均值為23°。土體厚度不超過1.0 m，主要為第四紀(jì)網(wǎng)紋紅土和第四紀(jì)全新世以來的湖積沖積土。屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，具有湖區(qū)氣候特征，年均氣溫為15.6 ℃，1月平均氣溫為4.1 ℃，7月平均氣溫為28.9 ℃，年均日照時(shí)數(shù)為1 743 h，年均降水量為1 322 mm，多集中在4～6月，無霜期為276 d，地區(qū)多洪澇災(zāi)害天氣。島上植被發(fā)育良好，中北部地區(qū)覆蓋有青松、紅杉、翠竹、香樟、臘樹等天然植被。

1.2 土樣采集 在斜坡開挖80 cm深度剖面，以10 cm為垂直間距分5層采集環(huán)刀（5 cm×5 cm）土樣，每層采集2個(gè)環(huán)刀樣，用于進(jìn)行土體水分穿透試驗(yàn)。取每層土體體積為20 cm×20 cm×10 cm，用于測(cè)定根系質(zhì)量密度。每層另取土體約1 kg，用于測(cè)定土體密度、機(jī)械組成、有機(jī)質(zhì)等參數(shù)。所測(cè)定的土體基本特性見表1。

1.3 數(shù)據(jù)處理 水分穿透法結(jié)合Poiseuille方程[2]建立流量和孔隙半徑關(guān)系：

q=πr4Δp/（8ητL）（1）

流量達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)：

q=πr2τL/t（2）

據(jù)式（1）、（2）可求大孔隙當(dāng)量半徑：

r=τL8η/tΔp（3）

式中，q為單位出流量，cm3/s；r為大孔隙半徑，cm；Δp為壓力水頭，cm；η為水粘滯系數(shù)，g/（cm·s）；τ為大孔隙彎曲系數(shù)，一般取1.2；L為土柱高度，cm；t為第1次加水開始計(jì)時(shí)的時(shí)間，s。

假設(shè)某個(gè)孔隙出流速率為v（cm/s），則單位出流量為：

qe=nπr12v（4）

2 結(jié)果與分析

2.1 大孔隙數(shù)量 由表2可知，土體各層大孔隙總數(shù)分別為670、656、1 045、341、319個(gè)/dm2，總體上大孔隙數(shù)量隨深度增加而減?。黄渲?.4～1.4 mm的大孔隙數(shù)量最多，約占大孔隙總量的64.7%。最大孔徑范圍為2.6～2.4 mm，分布在土體表層；最小孔徑范圍為1.0～0.6 mm，分布在土體底層；最大和最小孔徑范圍大孔隙數(shù)量表現(xiàn)為土體表層和底層兩極分化。由圖1和圖2可知，根系和有機(jī)質(zhì)均影響土體大孔隙數(shù)量，但根系影響程度更高。

2.2 大孔隙尺寸 由表2可知，大孔隙尺寸并非表現(xiàn)為土體深度越深，尺度越小，個(gè)別土層甚至出現(xiàn)小尺寸大孔隙在土體剖面上部的現(xiàn)象，但土體各層大孔隙加權(quán)孔徑整體上隨深度增大而減小，加權(quán)最大孔徑和加權(quán)最小孔徑分布在土體表層和底層。由圖3和圖4可知，根系和有機(jī)質(zhì)均是大孔隙尺寸的主要影響因素，根系的影響程度更大。相對(duì)于大孔隙數(shù)量而言，根系和有機(jī)質(zhì)對(duì)大孔隙尺寸的影響程度相對(duì)較大。

2.3 大孔隙度 由表2可知，大孔隙度隨深度增大波動(dòng)較大，但總體上是減小的，說明大孔隙在土體空間存在異質(zhì)性。由圖5和圖6可知，根系和有機(jī)質(zhì)也是影響土體大孔隙度的重要因素，根系的影響程度更大。相對(duì)而言，根系和有機(jī)質(zhì)對(duì)大孔隙度的影響與對(duì)大孔隙數(shù)量的影響程度較一致，但均無對(duì)大孔隙尺度的影響程度高。

3 結(jié)論

該研究表明，居于中間尺度范圍的大孔隙數(shù)量較多，大孔隙尺寸范圍為1.99～0.80 mm，大孔隙特征表現(xiàn)為土體表層和底層的兩極分化，這對(duì)大孔隙特征的分選研究是重要的。深度變化范圍內(nèi)，土體大孔隙特征會(huì)有突變，但總體上大孔隙數(shù)量、大孔隙尺寸、大孔隙度均隨深度增加而減小。