海洋環(huán)境下珊瑚島土層溶蝕效應(yīng)及滲透性特征研究

王曉光

(山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 第四地質(zhì)大隊，山東 濰坊 261000)

1 概 述

近年來，受國際環(huán)境影響，我國大力開展沿海島礁建設(shè)工程，并將其作為海洋戰(zhàn)略的重點研究區(qū)域[1-3]。然而，海洋侵蝕環(huán)境影響對珊瑚島的建設(shè)帶來一定的威脅[4-6]。因此，研究海洋環(huán)境下珊瑚島土層滲透溶蝕特征具有重要意義。

現(xiàn)有研究指出，我國沿海區(qū)域含水層介質(zhì)的溶蝕效應(yīng)，主要是由二氧化碳與水形成碳酸導(dǎo)致的侵蝕作用[6-7]。陳信升等[8]針對珊瑚地籍圖鈣質(zhì)軟泥開展了固結(jié)-滲透試驗，發(fā)現(xiàn)鈣質(zhì)軟泥的滲透系數(shù)約為10-6cm/s,且其滲透系數(shù)隨孔隙比的增大而逐漸增大。唐健健等[9]基于深入研究了海洋環(huán)境下島礁地下水化學(xué)特征，并指出島礁地下水潛水面處更易發(fā)生活躍的碳酸鹽礦物的溶解作用。高冉等[10]指出我國南海海域吹填島礁建設(shè)的重要性，并深入探討了我國南海珊瑚島礁吹填體鈣質(zhì)砂地基土的動力特性。

綜上所述，現(xiàn)有研究主要針對海洋環(huán)境下我國南海島礁水化學(xué)特性及其影響，而缺乏對島礁地質(zhì)條件變化的試驗分析。本次研究基于室內(nèi)滲透試驗，深入分析海洋環(huán)境下珊瑚島土層溶蝕效應(yīng)及滲透性特征。研究成果可為我國海洋島礁建設(shè)提供一定的指導(dǎo)作用。

2 試 驗

2.1 試樣制備

本次室內(nèi)試驗研究所取試樣為我國南海某研究區(qū)完全擾動狀態(tài)的珊瑚砂。按照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123-1999)相關(guān)試驗標準[11]，先將珊瑚砂試樣烘干(溫度為105℃，持續(xù)時間10 h)，再用標準土壤篩振篩10 min，得到珊瑚砂土體試樣的顆粒密度為2.81 g/cm3。

2.2 試驗方案

將上述珊瑚砂試樣填充到滲透溶蝕試驗設(shè)備中(圖1)，其中裝珊瑚砂試樣的玻璃圓桶直徑為10 cm、高度為20 cm。

按照預(yù)先設(shè)計的孔隙率填充珊瑚砂(孔隙度分別為57.89%、52.15%和48.32%，對應(yīng)密實度為松散、中密和密實)，然后將用硫酸配置好的酸性溶液(pH=3、5、7)通入進行滲透溶蝕試驗。保持上游酸性溶液的持續(xù)穩(wěn)定輸入，每2 h記錄測壓管水位差并計算土體的滲透系數(shù)。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 滲透率變化曲線

圖2為不同pH值、不同密實度條件下珊瑚砂的滲透系數(shù)隨侵蝕時間的變化關(guān)系。

圖2 珊瑚砂土體應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖2可知，密實度對珊瑚砂試樣的滲透率-侵蝕時間曲線的變化特征影響較小，而不同pH值下珊瑚砂試樣則表現(xiàn)出明顯不同的變化特征。當液體為中性時(pH=7)，珊瑚砂的滲透性基本不變，這表明液體對珊瑚砂無侵蝕效應(yīng)。當侵蝕性液體呈酸性時(pH=3、5)，珊瑚砂的滲透系數(shù)呈現(xiàn)出明顯的階段性變化特征，可以劃分為3個階段即快速上升階段、下降階段和平穩(wěn)階段。在珊瑚砂滲透系數(shù)快速上升階段，珊瑚砂土體的滲透系數(shù)隨侵蝕時間呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢，且侵蝕液體的酸性越強，則滲透系數(shù)增長越快。分析認為，這是由于長時間的侵蝕導(dǎo)致土體內(nèi)部產(chǎn)生大量的孔隙且變得松散，較小顆粒在液體沖刷下被帶走，因此土的滲透性增強。溶液的酸性越強，則其對珊瑚砂的侵蝕性越強，則滲透系數(shù)增長速率隨液體酸性增強而增大。在珊瑚砂滲透系數(shù)下降階段和平穩(wěn)階段，土體的滲透性逐漸變?nèi)踔敝邻呌谄椒€(wěn)，這是由于土體內(nèi)可溶蝕成分已經(jīng)被完全侵蝕，且在水壓條件下土體空隙部分被小顆粒填充，因此土體的滲透小幅度下降直至趨于平穩(wěn)。

3.2 密實度影響

基于不同pH值、不同密實度條件下珊瑚砂的滲透系數(shù)侵蝕時間曲線，可以得到不同試驗條件下珊瑚砂的最大滲透系數(shù)和平均滲透系數(shù)增長速率，見表1。由表1可知，在相同的pH值條件下，珊瑚砂的滲透性隨著土體的密實度逐漸降低，且其滲透系數(shù)增長階段的平均增長速率也隨著密實度逐漸降低。以CS-A組珊瑚砂試樣為例，松散狀態(tài)的土體試樣最大滲透系數(shù)和平均增長速率分別為0.18 cm/s和1.56×10-6cm/s2，而密實狀態(tài)下土體的滲透系數(shù)及平均增長速率相對降低55.56%。由此可見，密實度越大，則土體的滲透性越差，同時滲透溶蝕特征也變得不明顯。分析認為，當土體的密實度較大時，滲透入試樣的侵蝕性溶液的體積較小，因此其與土體中的可侵蝕物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)較弱。因此，侵蝕性液體對土體的溶蝕反應(yīng)較弱，土體內(nèi)產(chǎn)生的孔隙較少。同時，由于侵蝕反應(yīng)較弱、孔隙較少，珊瑚砂土體內(nèi)的細小顆粒流失也較少，土體內(nèi)的滲透通道發(fā)育不完全。因此，當土體的密實度較大時，試樣的滲透性較??；土體的密實度較小時，試樣的滲透性則更大。

表1 珊瑚砂最大滲透系數(shù)及平均增長速率

3.3 pH值影響

圖3為不同密實度條件下珊瑚砂土體滲透系數(shù)隨侵蝕液體的酸性變化關(guān)系。由圖3可知，在相同的密實度條件下，珊瑚砂的滲透性隨著侵蝕液體酸性的增強而逐漸降低，且其滲透系數(shù)增長階段的平均增長速率也隨著侵蝕液體酸性的增強而逐漸降低。以密實組珊瑚砂試樣為例，當pH值為3時，土體試樣最大滲透系數(shù)和平均增長速率分別為0.11 cm/s和0.95×10-6cm/s2，而當pH=7時，土體的滲透系數(shù)及平均增長速率相對降低45.45%。由此可見，侵蝕液體的酸性越強，則其對珊瑚砂土體的侵蝕性越強，滲透侵蝕特征也就越明顯，同時土體的滲透性也就越強。

圖3 不同密實度條件下珊瑚砂土體滲透系數(shù)-pH值曲線

4 結(jié) 論

為研究海水侵蝕條件下我國南海研究區(qū)珊瑚島地層滲透溶蝕特征，室內(nèi)展開了不同密實度、pH值條件下的珊瑚砂滲透試驗。主要研究結(jié)果如下：

1) 當液體為中性時(pH=7)，珊瑚砂的滲透性基本不變，這表明液體對珊瑚砂無侵蝕效應(yīng)。當侵蝕性液體呈酸性時(pH=3、5)，珊瑚砂的滲透系數(shù)呈現(xiàn)出明顯的階段性變化特征，可以劃分為3個階段，即快速上升階段、下降階段和平穩(wěn)階段。

2) 在相同的pH值條件下，珊瑚砂的滲透系數(shù)和平均增長速率也隨著密實度逐漸降低。侵蝕海水的酸性越強、pH值越低，則其對土體的滲透溶蝕特征越明顯，珊瑚砂的滲透系數(shù)越大。