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        赤山斜坡土體大孔隙特征研究

        2015-10-21 17:09:26曾強(qiáng)王樂(lè)
        安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) 2015年34期
        關(guān)鍵詞:赤山斜坡孔徑

        曾強(qiáng) 王樂(lè)

        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(lèi)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(jiàn)[1]。無(wú)論何種形式的斜坡土體,均發(fā)育有不同類(lèi)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(jiàn)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(guò)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(lèi)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(lèi)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(guò)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(lái)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(wú)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(shù)等天然植被。

        1.2 土樣采集 在斜坡開(kāi)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(jiàn)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(kāi)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)量隨深度增加而減小;其中2.4~1.4 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(shuō)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(wú)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。

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