華南活動(dòng)崩崗崩壁土體裂隙發(fā)育規(guī)律試驗(yàn)研究

周紅藝, 李輝霞, 葉 奇, 吳國(guó)威

(佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 空間信息與資源環(huán)境系, 廣東 佛山 528000)

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華南活動(dòng)崩崗崩壁土體裂隙發(fā)育規(guī)律試驗(yàn)研究

周紅藝, 李輝霞, 葉 奇, 吳國(guó)威

(佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 空間信息與資源環(huán)境系, 廣東 佛山 528000)

為了研究崩壁裂隙發(fā)育對(duì)崩壁穩(wěn)定性的影響，試驗(yàn)采集了廣東德慶崩崗侵蝕區(qū)的崩壁不同部位土樣，對(duì)其進(jìn)行脫濕作用下的裂隙發(fā)育演變規(guī)律室內(nèi)試驗(yàn)研究，試驗(yàn)中采用烘干法模擬脫濕過(guò)程，在脫濕過(guò)程中，定時(shí)定位對(duì)土樣進(jìn)行稱重、拍照，以記錄裂隙發(fā)育情況，利用ArcGIS軟件對(duì)裂隙照片進(jìn)行矢量化處理，提取裂隙的各種幾何要素，進(jìn)行裂隙度計(jì)算來(lái)分析裂隙發(fā)育情況。結(jié)果表明：不同部位土體裂隙發(fā)育程度達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定時(shí)的土壤含水量和時(shí)間不同，其中崩壁頂部(B1)土體最先產(chǎn)生裂隙和達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，其次是中部(B2)，最后是下部(B3)；不同崩壁土體的裂隙面積密度、長(zhǎng)度密度和連通性指數(shù)都隨著含水率的減少而增大，達(dá)到最大值之后保持穩(wěn)定，變化趨勢(shì)一致。正是由于崩壁土體裂隙的發(fā)育程度不一，在到達(dá)穩(wěn)定的時(shí)間和含水量的不同，從而導(dǎo)致崩壁土體各部位受力不均，土體強(qiáng)度產(chǎn)生差異，從而最終導(dǎo)致在雨季崩壁失穩(wěn)而發(fā)生崩崗。

華南花崗巖； 崩崗； 土壤裂隙； 模擬

華南花崗巖發(fā)育的紅壤風(fēng)化殼是崩崗侵蝕母體，研究表明：崩崗與裂隙息息相關(guān)，裂隙成為了邊坡崩塌和直接產(chǎn)生重力侵蝕的重要因子，崩崗發(fā)育完全受裂隙所控制，華南花崗巖紅壤風(fēng)化殼裂隙是崩崗侵蝕所特有的成因之一[1]。崩崗的侵蝕過(guò)程主要是通過(guò)崩壁的崩塌作用來(lái)完成，沒有崩壁的崩塌便沒有崩崗的演變和崩崗地形的發(fā)育，即崩壁的崩塌是整個(gè)崩崗演變過(guò)程中最活躍的部分，也是崩崗運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)來(lái)源[2-3]。研究認(rèn)為崩壁土體裂隙發(fā)育是起不穩(wěn)定性的重要原因：一方面，暴露于空氣中的崩壁土體極易失水收縮。其次，由于土體是熱的不良導(dǎo)體，夏季高溫季節(jié)，崩壁外層土體受熱力影響而產(chǎn)生膨脹收縮的程度較內(nèi)部土體更大，不均勻的應(yīng)力極易產(chǎn)生密集的破壞性裂隙[3]。在土壤裂隙方面的研究，多數(shù)研究還集中在膨脹土和農(nóng)田土壤裂隙發(fā)育方面，較多學(xué)者對(duì)裂隙發(fā)育的定量化指標(biāo)選擇和如何利用圖像技術(shù)進(jìn)行量化進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究和探討[4-7]，最終提出較為公認(rèn)的裂隙形態(tài)特征指標(biāo)[8-13]：如裂隙面積密度、長(zhǎng)度密度和裂隙分支角度為基本參數(shù)的裂隙形態(tài)特征體系，該體系可有效度量裂隙的形態(tài)及連通性，但仍需結(jié)合其他傳統(tǒng)數(shù)學(xué)指標(biāo)進(jìn)一步形象化；但是對(duì)于不同土壤類型和土體斷面層次的裂隙發(fā)育規(guī)律還缺乏比較研究，特別是對(duì)崩崗崩壁土體裂隙發(fā)育演化規(guī)律的研究至今仍鮮有報(bào)道，同時(shí)，從裂隙圖像提取裂隙信息的技術(shù)仍不甚完善。為此，筆者通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M崩壁土體裂隙發(fā)育規(guī)律研究，嘗試采用GIS矢量化技術(shù)對(duì)裂隙圖像進(jìn)行處理，根據(jù)提取的相關(guān)裂隙信息，對(duì)華南花崗巖崩壁土體裂隙開展演化規(guī)律進(jìn)行探索，為下一步定量評(píng)價(jià)裂隙發(fā)育對(duì)風(fēng)化殼穩(wěn)定性、崩塌堆積量的影響，揭示崩壁邊坡失穩(wěn)破壞機(jī)制，同時(shí)，也為崩崗侵蝕治理措施提供科學(xué)依據(jù)。

1　試驗(yàn)方案

1.1供試土體

研究區(qū)位于廣東省肇慶市德慶縣，德慶縣地處廣東省中西部，屬低緯度地區(qū)，氣候溫和，熱量豐富，雨量充沛，無(wú)霜期長(zhǎng)，據(jù)德慶縣氣象站資料，年平均氣溫21.5℃，年平均降雨量1 516.5 mm，年平均日照時(shí)數(shù)為1 848 h。在廣東省德慶縣深涌水土保持監(jiān)測(cè)站設(shè)立的定位觀測(cè)點(diǎn)，在現(xiàn)有的39個(gè)崩崗中，選定其中1個(gè)較為活躍的崩崗進(jìn)行崩壁土樣采集，采集崩壁上部(B1)、中部(B2)和下部(B3)三個(gè)層次土樣。取樣地布設(shè)于德慶縣馬墟鎮(zhèn)的東南部深涌水土保持監(jiān)測(cè)站1號(hào)攔砂壩丘陵坡地，坐標(biāo)位置110°50′26″E，23°10′29″N，海拔高度132 m，植物群落主要為木荷—崗松—笀萁群落以及其他雜草，土壤類型為赤紅壤。該崩崗屬弧形崩崗，侵蝕溝2條，崩壁后壁高5 m，平均深度3 m，溝口寬1.8 m，溝道最大寬度5.2 m，崩崗面積136 m2，溝道長(zhǎng)16 m，邊壁高3.6 m。所取樣品來(lái)至崩壁的上部(B1)、中部(B2)和下部(B3)，采用2 mm 的篩子篩掉根系和雜質(zhì)。土體顆粒分析中，粒徑>2 mm 的土體顆粒用篩析法測(cè)定，≤2 mm的土體顆粒用美國(guó)Microtrac公司的S3500系列激光粒度分析儀測(cè)定(最小測(cè)試粒徑為0.02 μm)，游離氧化鐵測(cè)定采用二亞硫酸鈉—檸檬酸鈉—重碳酸鈉(DCB)法，土壤容重采用環(huán)刀法，土壤有機(jī)碳用重鉻酸鉀法測(cè)定。每個(gè)土樣重復(fù)三次，測(cè)定數(shù)據(jù)取其平均值，所得的土體理化性質(zhì)見表1。

1.2試驗(yàn)方案

試驗(yàn)土體風(fēng)干后過(guò)2 mm篩到直徑為24.1 cm的不銹鋼盆容器里面，土層原始厚度為30 mm，加水至飽和狀態(tài)。本次試驗(yàn)采用低溫(80℃)烘干法模擬土體脫濕過(guò)程，烘干過(guò)程中，分別于試驗(yàn)開始后1 h，2 h及以后每隔20 min將土樣取出稱重并對(duì)土樣頂面進(jìn)行拍照(共歷時(shí)22 h)，含水率用電子天平測(cè)定。用有效像素為1 010萬(wàn)的松下DMC-LX7數(shù)碼相機(jī)拍照，為保證裂隙圖像拍攝距離、位置以及環(huán)境的一致性，采用固定機(jī)位和光源拍攝裂隙發(fā)育情況。三個(gè)試驗(yàn)土體種類均設(shè)有3個(gè)重復(fù)，測(cè)試結(jié)果取均值。為保證裂隙圖像拍攝距離、位置及環(huán)境的一致性，以保證拍攝的距離及土樣位置一致，同時(shí)拍攝時(shí)遮擋住一切外界光源，僅用日光燈進(jìn)行照明，以保證拍攝環(huán)境一致。采用固定機(jī)位和光源拍攝裂隙發(fā)育情況，特別制作一個(gè)能固定相機(jī)及土樣的架子。

表1土體基本理化性質(zhì)

土體層次干容重/(g·cm-3)有機(jī)質(zhì)含量/(g·kg-1)游離氧化鐵/(g·kg-1)含量/%黏粒(<0.002mm)粉粒(0.05～0.002mm)砂粒(0.05～2mm)B11.587.6710.5210.5475.3914.07B21.432.1621.1614.4878.017.51B31.472.4515.766.6269.4223.96

1.3照片處理方法和測(cè)量參數(shù)[7-8]

照片處理采用專業(yè)GIS圖像處理軟件Erdas 8.7進(jìn)行幾何糾正、采用ArcGIS進(jìn)行數(shù)字化、拓?fù)?，最后進(jìn)行裂隙的周長(zhǎng)、面積等的提取及分析(圖1)，并計(jì)算裂隙數(shù)字化圖形進(jìn)行各裂隙面積、周長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)各形態(tài)指標(biāo)值的計(jì)算公式，獲得各裂隙的形態(tài)特征指標(biāo)值。

1.4測(cè)量參數(shù)[7-8]

(1) 不同時(shí)刻下試樣的質(zhì)量含水率(以下含水率均為質(zhì)量含水率)。測(cè)量土壤含水率采用稱重法。

(2) 單條裂隙的面積Ai和長(zhǎng)度Li。單條裂隙定義為相鄰兩節(jié)點(diǎn)之間的裂隙。將中心線圖和輪廓線圖導(dǎo)入到ArcGIS中，應(yīng)用軟件的測(cè)量功能統(tǒng)計(jì)裂隙的長(zhǎng)度和面積。

(3) 裂隙的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)Nn，連接裂隙條數(shù)Nc，單連接裂隙條數(shù)Ns和未連接裂隙條數(shù)Nu。

(4) 裂隙網(wǎng)絡(luò)連通性指數(shù)K[7,14]，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Ne——單連接裂隙的端點(diǎn)數(shù)；Ns——單連接裂隙條數(shù)；Nn——節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；Nn——節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；Ne——單連接裂隙的端點(diǎn)數(shù)；Ns——單連接裂隙條數(shù)。

(5) 裂隙面積密度PA和長(zhǎng)度密度PL，計(jì)算公式[7,14]：

(2)

(3)

式中：PA——裂隙面積密度(%)；PL——裂隙長(zhǎng)度密度(mm-1)；Ai——第i條裂隙的面積(mm2)；Li——第i條裂隙的長(zhǎng)度(mm)；A0——研究區(qū)域土壤總面積(mm2)。

圖1　裂隙圖像處理過(guò)程圖

2　結(jié)果與分析

我們常能觀測(cè)的裂隙僅限于是土壤表面的二維形狀，因此，許多研究學(xué)者采用裂隙的長(zhǎng)度和面積來(lái)表征裂隙的特征[6,10,14]。本文研究在前人研究的基礎(chǔ)上，擬從裂隙面積密度、裂隙長(zhǎng)度密度和裂隙連通性指數(shù)三個(gè)方面來(lái)反映裂隙形態(tài)發(fā)育程度的指標(biāo)。從我們觀察的試驗(yàn)情況來(lái)看，在脫濕2 h 20 min的時(shí)候崩壁上部(B1)最先產(chǎn)生裂隙，其次是崩壁中部(B2)在2 h 40 min的時(shí)候有裂隙出現(xiàn)，崩壁下部(B3)在3 h后產(chǎn)生裂隙，下面分別分析各個(gè)層次土體裂隙發(fā)育和脫濕情況的關(guān)系。

2.1裂隙面積密度的發(fā)育規(guī)律

裂隙面積密度與含水率的關(guān)系如圖2所示。由圖2可以看出：崩壁不同部位土體的裂隙面積密度都隨著土體含水率的減少而逐漸變大，變化規(guī)律一致，裂隙面積密度與含水量的關(guān)系可以選用三次曲線方程擬合，其方程均達(dá)到極顯著水平，決定系數(shù)R2均在0.98以上(表2)。但是不同部位裂隙面積密度達(dá)到最大值時(shí)的土壤含水量卻不盡相同，崩壁中部(B2)土體含水量在8.2%時(shí)裂隙面積密度最先達(dá)到最大值并保持了穩(wěn)定，其次是崩壁上部(B1)土體含水量在7.36%時(shí)裂隙面積達(dá)到最大值后穩(wěn)定，最后是崩壁下部(B3)土體含水量在7.04%時(shí)裂隙面積達(dá)到最大值后就保持穩(wěn)定,其順序是B2>B1>B3。崩壁不同部位的面積密度穩(wěn)定值各不相同：中部(B2)土體的裂隙面密度最大，其次是崩壁上部(B1)，最后是崩壁下部(B3)土體，其順序是B2>B1>B3。裂隙面積密度不同部位的差異與熊東紅等[8]研究表明土體黏粒含量與裂隙發(fā)育程度存在強(qiáng)的正相關(guān)結(jié)論基本一致，本研究中的崩壁中部(B2)土體黏粒含量最高，其最終試驗(yàn)結(jié)果的面密度是最大的。在實(shí)際情況中，由于崩壁土體上下部位含水量的不同，在上中下土層間形成一個(gè)上低下高的含水梯度，由于土體滲透特性的差異，崩壁土體很難在短時(shí)間內(nèi)將含水量梯度自我平衡，所以在含水量空間梯度差異的作用下，崩壁土體會(huì)出現(xiàn)上部受拉，下部土體受壓的應(yīng)力分布情況，當(dāng)上部拉應(yīng)力超過(guò)土塊抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂隙便隨之產(chǎn)生,含水量的不同和裂隙的產(chǎn)生，可以影響土體的強(qiáng)度，從而發(fā)生不同部位土體強(qiáng)度的差異而發(fā)生崩崗。

圖2　裂隙面積密度與含水率關(guān)系

2.2裂隙長(zhǎng)度密度的發(fā)育規(guī)律

裂隙長(zhǎng)度密度和含水率的關(guān)系如圖3所示，崩壁不同部位土體的裂隙長(zhǎng)度密度都隨著土體含水率的減少而逐漸變大，變化規(guī)律一致，裂隙長(zhǎng)度密度與含水量都可以選用三次曲線方程擬合裂隙長(zhǎng)度密度與含水率的關(guān)系，其方程均達(dá)到極顯著水平，決定系數(shù)R2均在0.92以上(表2)。B1在含水量為18.78%左右時(shí)，長(zhǎng)度密度達(dá)到最大值后保持穩(wěn)定，B2和B3分別在20.24%，18.06%時(shí)長(zhǎng)度密度達(dá)到最大值后并保持穩(wěn)定，之后，隨著含水量的減少，裂隙只是寬度拓寬，面積增大。從圖3中可以看出，崩壁不同部位的土體的裂隙長(zhǎng)度最大值有所差異，從上部土體向下部土體遞減(B1>B2>B3)。說(shuō)明上部土體裂隙發(fā)育程度比下部土體更充分。

表2試土體的裂隙形態(tài)發(fā)育與含水量的回歸方程

崩壁土體指標(biāo)(Y)R2系數(shù)值回歸方程顯著性概率值面積密度R2=0.9930y=-0.0003x3+0.028x2-0.1876x+0.3727<0.0001崩壁上部(B1)長(zhǎng)度密度R2=0.9488y=-4E-07x3-8E-05x2+0.0096x-0.0423<0.0001連通性指數(shù)R2=0.9544y=9E-06x3-0.0015x2+0.077x-0.2927<0.0001面積密度R2=0.9840y=-0.0005x3+0.0482x2-0.6302x+2.3146<0.0001崩壁中部(B2)長(zhǎng)度密度R2=0.9685y=6E-07x3-0.0002x2+0.0109x-0.0431<0.0001連通性指數(shù)R2=0.9520y=2E-06x3-0.0008x2+0.0592x-0.2615<0.0001面積密度R2=0.9903y=-0.0003x3+0.028x2-0.252x+0.6662<0.0001崩壁下部(B3)長(zhǎng)度密度R2=0.9269y=2E-06x3-0.0002x2+0.0119x-0.0491<0.0001連通性指數(shù)R2=0.9583y=-2E-06x3-0.0003x2+0.0441x-0.2107<0.0001

注：X代表水分含量(%)，Y代表裂隙發(fā)育指標(biāo)(%)。

圖3　裂縫長(zhǎng)度密度與含水率關(guān)系

2.3連通性指數(shù)與含水率關(guān)系

從圖4可以看出，崩壁不同部位土體的裂隙連通性指數(shù)都隨著含水率的減少而逐漸變大，變化規(guī)律一致，裂隙連通性指數(shù)與含水量都可以選用三次曲線方程擬合，其方程均達(dá)到極顯著水平，決定系數(shù)R2均在0.95以上(表2)。崩壁上部土體B1從一開始出現(xiàn)裂隙之后連通性指數(shù)迅速增大，在含水率為20.24%左右達(dá)到最大值并且穩(wěn)定。中部土體B2試樣出現(xiàn)裂隙后連通性指數(shù)增長(zhǎng)較快，在16.74%左右達(dá)到最大值并且穩(wěn)定，下部土體B3試樣出現(xiàn)裂隙后連通性指數(shù)增長(zhǎng)較慢,在12.68%左右達(dá)到最大值并且穩(wěn)定。裂隙連通性指數(shù)反映了試樣裂隙網(wǎng)絡(luò)的形成過(guò)程，B1試樣的裂隙網(wǎng)絡(luò)形成時(shí)間較短，而后隨著含水率的減少而較快達(dá)到穩(wěn)定，其裂隙網(wǎng)絡(luò)不變，只是裂隙寬度的增加，B3裂隙網(wǎng)絡(luò)形成時(shí)間較長(zhǎng)。對(duì)于B1，由裂隙所切割而成的區(qū)塊比較完整，即裂隙之間形成的網(wǎng)絡(luò)連通性較好，穩(wěn)定時(shí)其值為0.942，而B3被裂隙切割而成的塊區(qū)則比較破碎，存在比較多的單連接裂隙，裂隙之間形成的網(wǎng)絡(luò)連通性較差，穩(wěn)定時(shí)其值為0.843。在連通性指數(shù)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)裂隙網(wǎng)絡(luò)已基本形成，由此可看出連通性指數(shù)能夠反映不同部位類型裂隙發(fā)育的特點(diǎn)，這樣說(shuō)明上部土體相對(duì)下部土體來(lái)說(shuō)更容易形成裂隙。因此，在崩崗治理中更要注意上部土體的植被覆蓋，保持其含水量的相對(duì)穩(wěn)定來(lái)減少裂隙發(fā)育，從而降低崩崗發(fā)生的可能。

圖4　連通性指數(shù)與含水率關(guān)系

3　結(jié) 論

通過(guò)試驗(yàn)表明，華南花崗巖風(fēng)化殼土體在脫濕過(guò)程中容易產(chǎn)生裂隙，崩壁不同部位土體裂隙發(fā)育的程度不盡相同，崩壁裂隙的發(fā)育使得崩壁土體完整性受到破壞，不同部位土體裂隙發(fā)育程度的差異使得崩壁土體的強(qiáng)度特征會(huì)發(fā)生變化，從而使得崩壁土體各個(gè)方向受力不均而極易發(fā)生崩塌。不同崩壁土體的裂隙面積密度、長(zhǎng)度密度和連通性指數(shù)都隨著含水率的減少而增大，達(dá)到最大值之后保持穩(wěn)定，變化趨勢(shì)一致。裂隙面積密度、長(zhǎng)度密度和連通性指數(shù)與含水率的三次曲線擬合方程均達(dá)到極顯著水平，決定系數(shù)均大于0.92。不同部位土體的變化程度有所不同，其規(guī)律共同說(shuō)明上部土體B1更容易產(chǎn)生裂隙，而且裂隙發(fā)育的程度比下部土體更為充分，在長(zhǎng)度密度和連通性指數(shù)方面均是上部土體最大。這說(shuō)明在華南花崗巖土體崩崗治理過(guò)程中更需要考慮到上部土體的植被恢復(fù)才能有效防止崩崗的發(fā)生。不同部位土樣(崩壁頂部B1，崩壁中部B2，崩壁下部B3)的裂隙面積密度隨著含水率的減少而增大，不同部位的土體在達(dá)到裂隙面積穩(wěn)定的時(shí)間和含水量是不同的，分別在含水量為18.78%，20.24%，18.06%左右達(dá)到最大值后保持穩(wěn)定；長(zhǎng)度密度和連通性指數(shù)也都是隨著含水率的減少而增大，崩壁不同部位(頂部B1，中部B2和下部B3)試樣的連通性指數(shù)隨著含水率的減小而增大，分別在含水率為20.24%，16.78%和12.68%左右達(dá)到最大值并且穩(wěn)定，最大值分別為0.942，0.892，0.843，反映了崩壁不同部位下土體干縮裂隙網(wǎng)絡(luò)的形成過(guò)程和連通性的實(shí)際情況。以上結(jié)果說(shuō)明不同部位土樣的裂隙發(fā)育情況是有所不同的，正是由于不同部位的開裂情況不同，裂隙度影響了土體的強(qiáng)度特性，最終導(dǎo)致崩壁的坍塌而發(fā)生崩崗，下一步應(yīng)研究裂隙發(fā)育程度對(duì)崩壁土體強(qiáng)度的定量影響。

本研究重點(diǎn)探討了土體水分不斷衰減條件下，崩壁不同部位土體的裂隙形態(tài)發(fā)育變化，限于條件，對(duì)不斷增大的裂隙面積對(duì)土體水分蒸發(fā)散失的速率和土體強(qiáng)度的影響沒有深入探討；隨裂隙發(fā)育深度的增加，其裂隙內(nèi)表面積不斷增大，導(dǎo)致土體整個(gè)蒸發(fā)面積的增大，必然對(duì)土體水分蒸發(fā)的速率和土體強(qiáng)度產(chǎn)生影響，如何量化土體裂隙發(fā)育深度以及其對(duì)土體強(qiáng)度的影響，有待下一步深入揭示；裂隙發(fā)育受土體巖土性質(zhì)的影響，下一步應(yīng)分析巖土性質(zhì)對(duì)崩壁裂隙發(fā)育的影響；今后還應(yīng)采集穩(wěn)定型崩崗崩壁土體進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，分析穩(wěn)定型和活動(dòng)型崩壁裂隙發(fā)育的差異及其對(duì)土體滲透性能和強(qiáng)度特性的影響。

崩壁裂隙的存在一方面破壞了土體的整體性，引起土體整體強(qiáng)度的降低；另一方面增大了土體的滲透性，為雨水入滲和水分蒸發(fā)提供了良好的通道，使得氣候?qū)ν馏w的影響深度進(jìn)一步向土體內(nèi)部發(fā)展。在降雨入滲條件下，流水迅速滲入土體內(nèi)部，引起孔隙水壓力上升，基質(zhì)吸力減小，土體強(qiáng)度下降，崩壁自重增加，兼之崩壁下部洞穴的存在，崩壁失穩(wěn)加劇，最終導(dǎo)致崩壁上部土體崩墜或滑入溝底，并在以后的降雨中，被徑流帶走。至此，溝岸后退完成了一個(gè)輪回。但是關(guān)于崩壁裂隙發(fā)育是如何影響土體的滲透性和強(qiáng)度？裂隙發(fā)育程度對(duì)崩壁的穩(wěn)定性和崩壁侵蝕量的定量關(guān)系如何？等等這一系列問(wèn)題都還沒有看到新的研究進(jìn)展，而這些問(wèn)題恰恰是揭示崩崗發(fā)生機(jī)理的重要數(shù)據(jù)和參數(shù)。因此，筆者認(rèn)為從崩壁土體裂隙發(fā)育程度入手，研究崩壁土體的裂隙發(fā)育及其對(duì)滲透特性、土體強(qiáng)度的影響和機(jī)理，定量評(píng)價(jià)裂隙發(fā)育對(duì)崩壁穩(wěn)定性、崩塌堆積量的影響，是今后研究崩崗侵蝕機(jī)理的一個(gè)重要方向。

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Simulation of Morphological Development of Soil Cracks in the Collapsing Hill Region of Southern China

ZHOU Hongyi, LI Huixia, YE Qi, WU Guowei

(DepartmentofSpatialInformationandResourcesorEnvironment,FoshanUniversity,Foshan,Guangdong528000,China)

The collapsing hill is a specific form of soil erosion in the granite red soil region of South China，especially in Guangdong Province．It is one of the most important indications of serious soil erosion. We reported regular changes on surface morphology of soil cracks with decreasing water in three different parts of soil body, the top of collapsing wall (B1), the middle of collapsing wall (B2), the bottom of collapsing wall (B3) through simulation experiments. In this study, we took overhead photos of the sample frame using a digital camera. The images were further processed by ArcGIS to quantificationally analyze the statistical law of crack morphology. Meanwhile, a dynamic description method based on normal distribution was proposed to depict the morphology of shrinkage cracks on soil surface. It showed that crack area density, length density, and connectivity index all increased with decrease of moisture content and remained stable after reaching their maximums, but the time to reach their maximums and the soil moisture after reaching their maximums varied in different parts of soil body. Cracks were first developed in B1speciment, and then in B2, and finally in B3, and the same order was found in reaching their stability. Crack area density of B1specimen was the biggest compared with those of B2and B3specimen throughout the drying process. The difference in crack development, the time to reach stability, and soil moisture content will result in uneven load-carrying in different parts of soil body in collapsing wall, and finally result in collapsing hill in rainy season.

granite red soil region of Southern China; collapsing hill; soil cracks; simulation experiment

2015-09-07

2015-09-15

國(guó)家自然科學(xué)基金“華南花崗巖紅壤區(qū)崩壁裂隙發(fā)育對(duì)崩壁穩(wěn)定性的影響”(41371041);國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(41401108);教育部人文社會(huì)科學(xué)研究規(guī)劃基金(13YJAZH041)

周紅藝(1977—),男,湖北利川人,博士,副教授,主要從事土壤侵蝕研究。E-mail:zhouhyfs@163.com

S152.7

A

1005-3409(2016)01-0338-05